太阳能光伏发电实验指导书.docx
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太阳能光伏发电实验指导书
太阳能光伏发电
实验指导书
郑州科技学院
电子信息工程教研室编
实验一太阳能电池板特性测试
一、实验目的
1.了解和掌握太阳能电池板原理及应用。
2.理解太阳能电池的基本特性和主要参数，掌握测量太阳能电池的基本特性和主要参数的基本原理和基本方法。
二、实验原理
1.开路电压（
）
电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压。
一个基本的带电源、联接导体，负载的电路，如果某处开路，断开两点之间的电压为开路电压。
电路开路时我们可理解为就是在开路处接入了一个无穷大的电阻，不可质疑，这个无穷大的电阻是串联于这个电路中的，根据串联电路中电阻的分压公式，这个无穷大电阻两端的分电压将为电路中的最高电压即电源电压。
所以线路开路时开路电压一般表现为电源电压。
2.短路电流（
）
短路电流是由于故障或连接错误而在电路中造成短路时所产生的过电流。
短路电流将引起下列严重后果：
短路电流往往会有电弧产生，它不仅能烧坏故障元件本身，也可能烧坏周围设备和伤害周围人员。
巨大的短路电流通过导体时，一方面会使导体大量发热，造成导体过热甚至熔化，以及绝缘损坏；另一方面巨大的短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。
短路也同时引起系统电压大幅度降低，特别是靠近短路点处的电压降低得更多，从而可能导致部分用户或全部用户的供电遭到破坏。
网络电压的降低，使供电设备的正常工作受到损坏，也可能导致工厂的产品报废或设备损坏，如电动机过热受损等。
电力系统中出现短路故障时，系统功率分布的突然变化和电压的严重下降，可能破坏各发电厂并联运行的稳定性，使整个系统解列，这时某些发电机可能过负荷，因此，必须切除部分用户。
短路时电压下降的愈大，持续时间愈长，破坏整个电力系统稳定运行的可能性愈大。
3.功率曲线（
）
太阳能电池板的输出电压与输出电流的乘积即为太阳能电池板的输出功率，用
表示。
把测得的不同组数据所获得的输出功率用曲线连接起来就得到太阳能电池板的功率曲线，通过功率曲线还可以大致地估计太阳能电池板的最大输出功率。
三、实验仪器设备及材料
表1-1实验仪器设备及材料
序号
设备名称
型号与规格
数量
1
太阳能光伏发电系统实训平台
V-Ets-solar-IV
1
2
导线
红线、黑线
若干
四、实验内容和步骤
1.太阳能电池板开路电压测试
（1）在实验台上按照图1-1连接好实验导线。
图1-1太阳能电池板开路电压测试示意图
（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”、“午日”、“夕日”中的任意一个开关。
（3）仔细观察实验台上的“充电电压表”的值，记录下其中的最大值即为太阳能电池板的“最大开路电压”。
2.太阳能电池板短路电流测试
（1）在实验台上按照图1-2连接好实验导线。
图1-2太阳能电池板短路电流测试示意图
（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”、“午日”、“夕日”中的任意一个开关。
（3）仔细观察实验台上的“充电电流表”的值，记录下其中的最大值即为太阳能电池板的“最大短路电流”。
3.太阳能电池板I-V特性测试
（1）在实验台上按照图1-3连接好实验导线。
图1-3太阳能电池板I-V特性测试示意图
（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”、“午日”、“夕日”中的任意一个开关。
（3）将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于下表1-2中。
表1-2太阳能电池板I-V特性测试数据记录表
电阻值（欧）
0
10
50
100
500
1K
5K
10K
电流（mA）
电压（V）
（4）根据表格电压电流值画出太阳能电池的伏安特性曲线图，为了更好的描述太阳能电池输出伏安特性曲线，可以再适当增加测试几组数据。
4.太阳能电池板的暗伏安特性测试实验
（1）在实验台上按照图1-4连接好实验导线。
图1-4太阳能电池板的暗伏安特性测试示意图
（2）用遮光板完全遮挡住太阳能电池板的表面，将电阻箱的阻值调节到50Ω。
（3）将“可调稳压电源”的电压调至0V，然后逐渐增大输出电压，每隔0.5V记录一次电流值于下表中。
（4）将“可调稳压电源”的电压调至0V，对调“可调稳压电源”输出接口的红黑线。
即给太阳能电池板加反向电压，逐渐增大反向输出电压，每隔0.5V记录一次电流值于表1-3中。
表1-3太阳能电池板的暗伏安特性测试数据记录表
电压（V）
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
-3
电流（mA）
（5）根据表格电压电流值画出太阳能电池的暗伏安特性曲线图。
五、注意事项
1.光照方向对光电池输出影响较大，实验时应给予注意。
2.电压表、电流表的量程必须分别大于太阳能电池板的开路电压和短路电流。
3.在绘制功率曲线时应多测几组数据。
4.实验结束后必须拆散电路，整理好仪器。
六、思考题
1.太阳能电池的基本特性和主要参数有哪些？
2.太阳能电池在使用时能否短路？
为什么？
3.暗条件下的太阳能电池相当于电池还是负载？
七、实验报告要求
完成相关实验数据的测量和计算，绘制相关的曲线图，并注意标注实验数据测定的条件。
实验二太阳能电池板的串联、并联特性测试实验
一、实验目的
1.了解太阳能电池的串联开路电压和短路电流特性。
2.了解太阳能电池的并联开路电压和短路电流特性。
二、实验原理
太阳电池组件则是将太阳单体电池进行串、并联组合而构成的一个整体。
组件的电性能将随单体电池的串、并联数量而与单体电池电性能产生量的变化。
串联时电流相等，电压叠加，串联后的伏安特性如图2-1所示，要提升电压需要串联，缺点是电流值趋向于最小电流的电池板。
图2-1太阳能电池串联特性
并联时电流叠加，电压相等并联后的伏安特性如图2-2所示。
提高功率一般需要并联，缺点是电压趋向于最小电压的电池板。
图2-2太阳能电池并联特性
电池板的连接方式不是优缺点来决定的，它是根据负载的电压决定串联个数，根据负载功率决定并联个数。
三、实验仪器设备及材料
表2-1实验仪器设备及材料
序号
设备名称
型号与规格
数量
1
太阳能光伏发电系统实训平台
V-Ets-solar-IV
1
2
导线
红线、黑线
若干
四、实验内容和步骤
1.太阳能电池板的串联开路电压测试
（1）在实验台上按照图2-3连接好实验导线。
图2-3太阳能电池板的串联开路电压测试示意图
（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”、“午日”、“夕日”中的任意一个开关。
（3）仔细观察实验台上的“充电电压表”的值，记录下其中的最大值即为四块太阳能电池板串联的最大“开路电压”。
2.太阳能电池板的串联短路电流测试
（1）在实验台上按照图2-4连接好实验导线。
图2-4太阳能电池板的串联短路电流测试示意图
（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”、“午日”、“夕日”中的任意一个开关。
（3）仔细观察实验台上的“充电电流表”的值，记录下其中的最大值即为四块太阳能电池板串联的最大“短路电流”。
3.太阳能电池板的串联I-V特性测试
（1）将四块太阳能电池板串联后按照以下步骤测试数据。
（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”、“午日”、“夕日”中的任意一个开关。
（3）将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于表2-2中。
表2-2太阳能电池板的串联I-V特性测试数据记录表
电阻值（欧）
0
10
50
100
500
1K
5K
10K
电流（mA）
电压（V）
（4）根据表格电压电流值画出太阳能电池串联的伏安特性曲线图，为了更好的描述太阳能电池输出伏安特性曲线，可以再适当增加测试几组数据。
4.太阳能电池板的并联开路电压测试
（1）在实验台上按照图2-5连接好实验导线。
图2-5太阳能电池板的并联开路电压测试示意图
（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”、“午日”、“夕日”中的任意一个开关。
（3）仔细观察实验台上的“充电电压表”的值，记录下其中的最大值即为四块太阳能电池板并联的最大“开路电压”。
5.太阳能电池板的并联短路电流测试
（1）在实验台上按照图2-6连接好实验导线。
图2-6太阳能电池板的并联短路电流测试示意图
（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”、“午日”、“夕日”中的任意一个开关。
（3）仔细观察实验台上的“充电电流表”的值，记录下其中的最大值即为四块太阳能电池板并联的最大“短路电流”。
6.太阳能电池板的并联I-V特性测试
（1）将四块太阳能电池板并联后按照以下步骤测试数据。
（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”、“午日”、“夕日”中的任意一个开关。
（3）将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于表2-3中。
表2-3太阳能电池板的并联I-V特性测试数据记录表
电阻值（欧）
0
10
50
100
500
1K
5K
10K
电流（mA）
电压（V）
（4）根据表格电压电流值画出太阳能电池并联后的伏安特性曲线图，为了更好的描述太阳能电池输出伏安特性曲线，可以再适当增加测试几组数据。
五、注意事项
1.光照方向对光电池输出影响较大，实验时应给予注意。
2.电压表、电流表的量程必须分别大于太阳能电池板的开路电压和短路电流。
3.实验结束后必须拆散电路，整理好仪器。
六、思考题
1.太阳能电池串联时，如果其中一个太阳能电池的光照强度较低，那么输出的电压和电流将如何变化。
2.太阳能电池并联时，如果其中一个太阳能电池的光照强度较低，那么输出的电压和电流将如何变化。
七、实验报告要求
完成相关实验数据的测量，并注意标注实验数据测定的条件。
实验三负载特性测试实验
一、实验目的
了解太阳能电池板的直接负载特性
二、实验原理
在没有光照时太阳能电池可视为一个理想二极管，在一定的光照下太阳能电池的输出电压与输出电流的关系图3-1所示。
图3-1太阳能电池输出电压与输出电流的关系图
当输出端接负载电阻时，则有对应的端电压、负载电流和输出功率；负载电阻不同，对应的端电压、负载电流和输出功率也不同。
只有当R为某一定值时，输出功率最大，这就是最佳负载电阻，此时能量转换效率最高。
在一些应用中，必须考虑最佳负载电阻的选取。
最佳负载电阻取决于光电池的内阻，用测定最大输出功率所对应的最佳负载电阻可得到光电池的内阻值，此值一般只有几十欧姆。
最佳负载电阻的大小和光照面积及入射光强有关。
输出电压、输出电流、输出功率与负载电阻的关系如图3-2所示。
图3-2输出电压、输出电流、输出功率与负载电阻的关系图
一定光照条件下光电池的伏安特性曲线如图3-3所示。
图3-3一定光照条件下光电池的伏安特性曲线
三、实验仪器设备及材料
表3-1实验仪器设备及材料
序号
设备名称
型号与规格
数量
1
太阳能光伏发电系统实训平台
V-Ets-solar-IV
1
2
导线
红线、黑线
若干
四、实验内容和步骤
1.载特性测试实验
（1）在实验台上按照图3-4连接好实验导线。
图3-4载特性测试示意图
（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”、“午日”、“夕日”中的任意一个开关。
（3）仔细观察“充电电流表”和“充电电压表”的数值记录于下表中，并计算出每种直流负载的功率。
（4）断开DC12V风扇的两根电源线，分别接入蜂鸣器、电机、交通灯、LED灯等不同的负载，观察“充电电流表”和“充电电压表”的数值记录于下表中，并计算出每种直流负载的功率。
表3-2载特性测试记录表
12V直流负载
风扇
蜂鸣器
电机
交通灯
LED灯
电流（mA）
电压（V）
功率W
2.太阳能电池板最大输出功率计算
熟练掌握最大输出功率公式如下：
Pmax=Vmax×Imax
（2）将实验表格中的电压数据乘以电流数据再除以1000，得出最大数据即为太阳能电池板的最大输出功率。
（3）根据表格电压电流值画出太阳能电池的最大输出功率曲线图。
3.太阳能电池组件输出特性测试实验
（1）在实验台上按照图3-5连接好实验导线。
图3-5太阳能电池组件输出特性测试示意图
（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”、“午日”、“夕日”中的任意一个开关。
（3）将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于表3-3中。
表3-3太阳能电池组件输出特性测试记录表
电阻值（欧）
0
50
100
200
500
1K
5K
10K
电流（mA）
电压（V）
功率mW
（4）根据表格电压电流值计算出电池板的输出功率。
4.太阳能可变阻抗负载实验
（1）了解太阳能电池的电流－电压特性。
（2）了解太阳能电池板的伏安特性曲线概念
（1）实验台上按照图3-6连接好实验导线。
图3-6太阳能可变阻抗负载测试示意图
（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”、“午日”、“夕日”中的任意一个开关。
（3）将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于表3-4中。
表3-4太阳能可变阻抗负载测试记录表
电阻值（欧）
50
100
200
500
1K
5K
10K
电流（mA）
电压（V）
功率（W）
（4）表格中的功率最大值即为太阳能电池板的最大输出功率。
五、注意事项
1.光照方向对光电池输出影响较大，实验时应给予注意。
2.电压表、电流表的量程必须分别大于太阳能电池板的开路电压和短路电流。
3.实验结束后必须拆散电路，整理好仪器。
六、思考题
1.负载电阻对太阳能电池的输出特性有何影响？
2.什么是最佳负载电阻？
七、实验报告要求
完成相关实验数据的测量和计算，并注意标注实验数据测定的条件。
实验四环境对太阳能电池光伏转换的影响实验
一、实验目的
1.了解影响太阳能电池发电的环境因素
2.掌握光强对能量转换的影响
3.掌握温度对能量转换的影响
二、实验原理
温度因素也影响着太阳能电池的性能。
当温度升高时其开路电压下降呈线性关系。
不同的材料的太阳能电池，都有着自己的工作温度范围。
而对于某一个太阳能电池来讲，在不同的温度时，为得到最大的输出功率所需的最佳负载也不同。
阳能电池并不能把任何一种光都同样地转换成电。
例如：
通常红光转变为电的比例与蓝光转变为电的比例是不同的。
由于光的颜色（波长）不同，转变为电的比例也不同，这种特性称为光谱特性。
光谱特性通常用收集效率来表示;所谓收集效率就是用百分数（%）来表示一单位的光（一个光子）入射到太阳能电池上，产生多少电子（和空穴）。
一般而言，一个光子产生的电子（和空穴）数目是小于1的。
光谱特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳能电池，测量此时电池的短路电流，然后依次改变单色光的波长，再重复测量以得到在各个波长下的短路电流，即反映了电池的光谱特性。
对于太阳能电池而言在相同的温度下，更高的光照强度增强产生的电流也就越大，但不同的光照强度对电压的变化影响很小。
相同日照强度下，温度变化对I-V曲线的影响非常有限。
太阳能电池在日照下能把太阳能转化为电能，但是具体能转化多少电能不仅取决于其自身的材料并且受跟于客观条件。
三、实验仪器设备及材料
表4-1实验仪器设备及材料
序号
设备名称
型号与规格
数量
1
太阳能光伏发电系统实训平台
V-Ets-solar-IV
1
2
遮光板
白、黄、红、紫
每种各1块
3
照度计
1
4
导线
红线、黑线
若干
四、实验内容和步骤
1.太阳能电池板开路电压与相对光强的函数关系
（1）在实验台上按照图4-1连接好实验导线。
图4-1太阳能电池板开路电压与相对光强的函数关系测试示意图
（2）在暗箱中（用遮光罩挡光），打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”开关，取水平距离光强作为标准光照强度，开启触摸屏的电源开关，从实验台中的触摸屏的右下角读出电池板的光照强度J和“充电电压表”的电压值记录于下表；
（3）打开“模拟光源控制单元”里面“午日”开关，关闭“跟踪系统电源开关”，从实验台中的触摸屏的右下角读出电池板的光照强度J0和“充电电压表”的电压值记录于下表；
（4）打开“模拟光源控制单元”里面“夕日”开关，关闭“跟踪系统电源开关”，从实验台中的触摸屏的右下角读出电池板的光照强度J1和“充电电压表”的电压值记录表4-2中；
表4-2太阳能电池板开路电压与相对光强的函数关系测试数据记录表
模拟光源
晨日
午日
夕日
光功率（W）
光照度（LUX）
短路电流（Isc）
（5）比较太阳能电池接收到相对光强度
不同值时，求出开路电压（Voc）与相对光强度J/J0之间近似函数关系。
2.太阳能电池板短路电流与相对光强的函数关系
（1）在实验台上按照图4-2连接好实验导线。
图4-2太阳能电池板短路电流与相对光强的函数关系测试示意图
（2）在暗箱中（用遮光罩挡光），打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”开关，取水平距离光强作为标准光照强度，开启触摸屏的电源开关，从实验台中的触摸屏右下角读出电池板的光照强度J和“充电电流表”的电流值记录于下表；
（3）打开“模拟光源控制单元”里面“午日”开关，关闭“跟踪系统电源开关”，从实验台中的触摸屏右下角读出电池板的光照强度J0和“充电电流表”的电流值记录于下表；
（4）打开“模拟光源控制单元”里面“夕日”开关，关闭“跟踪系统电源开关”，从实验台中的触摸屏右下角读出电池板的光照强度J1和“充电电流表”的电流值记录表4-3中；
（5）比较太阳能电池接收到相对光强度
不同值时，求出开路电压（Isc）与相对光强度J/J0之间近似函数关系。
模拟光源
晨日
午日
夕日
光功率（W）
光照度（LUX）
短路电流mA（Isc）
表4-3太阳能电池板短路电流与相对光强的函数关系测试记录表
3.太阳能电池功率与相对光强的函数关系
（1）连接好模型和实验箱之间的三根电缆线。
（2）在实验台上按照图4-3连接好实验导线。
图4-3太阳能电池功率与相对光强的函数关系测试示意图
（3）将“充电电压表”调节至“DC200mA”档，将“充电电压表”调节至“DC20V”档。
（4）打开实验箱左下角的“总电源”开关，顺时针扭动开启“光源”里面右边的旋钮开关。
（5）将太阳能电池板固定在某一刻度，记录下此时的电流、电压值。
用手挡住灯光，再记录下此时的电流、电压值与之前对比。
这就证明光照度对光伏转换的影响。
（6）用照度计测量每个距离下的光强值和实验箱中的温度表的温度值记录在表4-4中。
表4-4用照度计测量的数据记录表
距离（cm）
80
70
60
50
40
30
20
10
光照度（LUX）
温度（℃）
电流（mA）
电压（V）
4.太阳能电池光谱特性测试实验
（1）在实验台上按照图4-4连接好实验导线。
图4-4太阳能电池光谱特性测试示意图
（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”、“午日”、“夕日”中的任意一个开关。
（3）用自备的不同颜色遮光板挡住其中一块电池板或遮住投光灯，更换不同颜色的遮光板，观察电流、电压表的数值并记录于表4-5中。
（4）计算出每种遮光板挡住光源后的功率，并与不用遮光板的功率进行对比。
表4-5太阳能电池光谱特性测试数据记录表
遮光板
无遮光板
白板
红板
黄板
紫板
电流（mA）
电压（V）
功率mW
五、注意事项
1.光照方向对光电池输出影响较大，实验时应给予注意。
2.电压表、电流表的量程必须分别大于太阳能电池板的开路电压和短路电流。
3.实验结束后必须拆散电路，整理好仪器。
六、思考题
1.什么温度条件下有利于太阳能发电？
2.哪种单色光太阳能电池板的输出功率最大？
七、实验报告要求
（1）设计不同环境，改变太阳能电池板的光强和温度，在变化的环境下测量其电流、电压和输出功率。
（2）找出影响太阳能板光伏转换的环境因素，并定性说明和定量测量。
（3）在不同光强和温度下，绘制电流－电压曲线。
实验五太阳能电池板转换效率测量实验
一、实验目的
1.了解太阳能电池板的转换效率特性。
2.了解电池板的转换效率ηs（%）概念。
3.了解太阳能电池板的转换效率。
二、实验原理
1.太阳能电池板的转换效率
太阳能电池的转换效率（
）指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。
采用一定功率密度的太阳光照射电池，电池吸收光子以后会激发材料产生载流子，对电池性能有贡献的载流子最终要被电极收集，自然在收集的同时会伴有电流、电压特性，也就是对应一个输出功率，那么，用产生的这个功率除以入射光的功率就是转换效率。
效率用
表示。
2.填充因子（
）
太阳能电池的另一个重要参数是填充因子
，
是衡量太阳能电池输出特性的重要指标，是代表太阳能电池在带最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表示太阳能电池的输出功率越大，
的值始终小于l，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比，即
三、实验仪器设备及材料
表5-1实验仪器设备及材料
序号
设备名称
型号与规格
数量
1
太阳能光伏发电系统实训平台
V-Ets-solar-IV
1
2
导线
红线、黑线
若干
四、实验内容和步骤
1.太阳能电池板填充因子计算
（1）熟练掌握太阳能电池板的填充因子公式如下：
F·F=
（2）将实验数据代入上公式中，计算出电池板的填充因子。
（3）填充因子是表征太阳能电池板的性能优劣的重要参数。
其值越大，电池的光电转换效率越高，一般的硅光电池F·F值在0.75-0.8之间。
2.串联电阻对填充因子的影响测试
（1）在实验台上按照图5-1连接好实验导线。
图5-1串联电阻对填充因子的影响测试示意图
（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”、“午日”、“夕日”中的任意一个开关。
（
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