风光互补部分实验

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1、1光伏电池方阵的安装1.1 实训的目的和要求1 .实训的目的了解单 晶硅光 伏电池 单体的工 作原理。掌握光 伏电池 方阵的 安装方法。2 .实训的要求在室外自然光照的情况下，用万用表测量光伏电池组件的开路电压， 了解光伏电池的输出电压值。在室外自然光照条件下和在室内灯光的情况下，用万用表测量光伏 电池方阵的开路电压，分析光伏电池方阵在室内、外光照条件下开路电压 区别的原因。1.2 基本原理（1）本征半导体纯净半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质。纯净 的半 导体称为 本征半 导体。制造半导 体器件 的常用半导体材 有硅（Si）、错（Ge） 和神化钱 （GaAs）等。 本征硅半 导体

2、中 的硅原 子核最外 层有四 个价电子， 硅晶体为共价键结构，硅原子最外层的价电子被共价键束缚。在低温下， 这些共价键完好，本征硅半导体显示出绝缘体特性。 当温度升高或受到光 照等外界激发时，共价键中的某些价电子获得能量，摆脱共价键束缚，成 为可以自由运动的电子，在原来的共价键中留出空穴，这些空穴又会被邻 近的 共价 键中的价 电子 填补，并在邻 近的共价 键中产生 新的空穴。空穴运 动是带负 电荷的 价电 子运动造 成的，其效 果是带正电 荷的粒 子在运 动。可 以认为，自 由电子 是带负电荷的 载 流子，空 穴是带正电 荷的载 流子。本征 半导体中有两种载流子，即电子和空穴，它们是成对出现

3、的，称为电子- 空穴对，两种载流子都可以传导电流。通常本征半导体中的载流子浓度很 低，导电能力差。当温度升高或受到光照时，本征半导体中的载流子浓度 按指数规律增加，其导电能力显著增加。（2） P 型半导体和 N型半导体纯净半导体中加入了微量三价元素或五价元素，其导电能力会明显增 强。三价元素的原子核的最外层有三个价电子，在形成共价键时，产生了 一个空穴。五价元素的原子核的最外层有五个价电子，在形成共价键时， 产生了一个自由电子。在本征硅 半导体中掺入微量三价元素（例如硼元素）后，本征硅 半导体 中的空穴浓度 大大增力口，半 导体的导 电能力明显提 高， 主要依靠 空穴导 电的半 导体称为 P型

4、半导 体。在P型半导 体中，空穴浓度 高于电子， 空穴称为 多数载流子，电子称 为少数载流子。在本征 硅半导体 中掺 入微量五 价元素(例如 磷元素)后，本征 硅半导体 中的电子浓度 大大 增加，半 导体的 导电能 力明显提 高，主 要依靠 电子导电 的半导 体称为N型 半导体。在N型半导体中，电子的浓度高于空穴，电子称为多数载流子， 空穴称为少数载流子。无论是 P型半导体还是N型半导体，整个硅晶体中 的正负电荷数量是相等的，是电中性的。（3） PN结采用特殊制造工艺使硅半导体的一边为P型半导体，另一边为N型半 导体。由 于在P型半导体中的空 穴浓度 高于电 子浓度， 而在N型半导体中 电子浓

5、度高于空穴浓度，因此， 在P型半导体和N型半导体的交界面存在 空穴和电子的浓度差。多数载流 子会从高浓度处向低浓度处运动，这种由 浓度差引起的多数载流子运动称为扩散运动。扩散运动的结果是在 交界面 P区一侧失去 空穴留 下不能移动 的负离 子，在 N区一侧失去 电子留 下不能 移动的正 离子，在P型硅半导体和 N型硅半导 体交界面 的两侧 出现了由不 能移动的 正负离 子形成 的 空间电荷 区，称 之为PN结。空间 电荷区 中产生 了一个从 N区指向P区的电场， 该电场 由多数 载流子扩 散而形 成，称 为内 电场。空间电荷区中没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽层。图2-1 所示是半导体PN

6、结的结构示意图。 卫叫电同I上0,词图2-1半导体PN结的结构示意图*内建电场方向 一寸广散运动方向PN结中的内 电场力 会使P区的电子即 少数载 流子向N区运动，同时 使 N区的空穴即 少数载流 子向P区运动。少 数载流子在内 电场力 的作用 下的 运动称为漂移运动。扩散运动和漂移运动的方向是相反的。起初，空间电荷区较小，内电场较弱，扩散 运动 占优势。随后，空间电荷区不断扩 大，内电场 增强，对多数载流 子扩散 的阻力 不断增大，多 数载流子 扩散运动 逐渐减 弱，而少数 载流 子的漂移 运动 不断增强。最后，扩散 运动 和漂 移运 动达 到动 态平 衡， 空间电荷区的宽度相对稳定，流过P

7、N结的扩散电流和漂移电流大小相 等、 方向相反，总电流保持为零。(4)光伏电池光伏电池 是半导体 PN结接受太 阳光照 产生光 生电势效 应，将光能 变换 为电能的 变换 器。当太阳光照 射到具有 PN结的半导 体表面，P区和N区 中的价电 子受到 太阳光 子的冲 击，获 得能量，摆脱共价 键的束 缚，产生电 子和空穴，被太阳光 子激发产生 的电子 和空穴 在 半导体中 复合，不呈 现导 电作用。在 PN结附近 P区被太阳光 子激发产生的电子 少数载流子 受漂移 作用到达 N区，同样，PN结附近 N区被太阳 光子激发产 生的空 穴少数 载流 子受漂 移作用到达 P区。少数 载流子 漂移对 外形

8、成与 PN结电场方 向相反 的光生电 场，如果 接入负 载，N区的电子 通过外电路负 载流向P区形成电 子流，进入 P区后 与空 穴复合。我 们知道， 电子流动方 向与电 流流动 方向 是相反的，光伏电 池接 入负载后，电流是 从电池的P区流出， 经过 负载流 入N区，回到电池。光伏电池 单体是 光电转 换最小的 单元， 尺寸为4? 100cm2不等。光伏 电池单体 的工作电压约为0.5V ,工作电流约为 20? 25mA/cm2。光伏电池单 体不能单 独作为 光伏电 源使用，将光伏电池 单体进行串、并联封 装后，构成光伏电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是单独作为光伏电源使用 的最小单 元

9、。光伏电 池组件的光 伏电池 的标准 数量是 36片(lOcmX 10cm), 大约能产生 17V左右的 电压，能为额 定电压为 12V的蓄电池 进行有 效充 电。 图2-2 是标准的 光伏电 池组件。光 伏电池 组件 经过串、并 联组合 安装 在支 架上，构成了光伏电 池方 阵，可以满足 光伏发 电系统负 载所要 求的输 出功 率。图2-2光伏电池组件目前主要 有三种 商品化 的硅光伏 电池；单晶硅 光伏电池、多晶硅光 伏电 池和 非晶硅光 伏电池。单晶硅光伏电池所使用 的单晶硅 材料 与半导体 行业 所使用的 材料有 相同的 品质，成本 比较贵，光 电转换效 率为13%? 15%。多 晶硅

10、光伏 电池的 制造成 本比单晶 硅光伏 电池低，光电转换 效率比 单晶硅太 阳能电池 要低，一 般为10%? 12%。非晶硅 光伏 电池属于 薄膜电 池，造 价低 廉，光电 转换率 比较低，一般为 5%? 8%光伏电池组件正面采用高透光率的钢化玻璃，背面是聚乙烯氟化物膜 光伏电池两边用 EVA或PVB胶热压封装.四周用轻质铝型材边框固定，由接 线盒引出电极。由于玻璃、密封胶的透光率的影响以及光伏电池之间性能 失配等因素，组件的光电转换效率一般要比光伏电池单体的光电转换效率 低 5%? 10%。1.3实训内容在室外 自然光照的情况下，用万用表测量1块单晶硅光伏电池组件 的开路电压，计算光伏电池单

11、体的工作电压。将4块单晶硅光伏电池组件安装在铝型材支架上，光伏电池组件并 联连接。在室内、外光照的情况下，用万用表测量光伏电池方阵的开路电 压。将4块单晶硅 光伏电 池组件2串联2并联连 接，在室 内、外 光照的 情况下， 用万用 表测量 光伏电池 方阵的 开路电 压。1.4操作步骤(1)使用的器材和工具单晶硅 光伏电 池组件，数量：4块。铝型材，型号：XC-6-2020 ,数量：4根，长度：860mmo铝型材，型号：XC-6-2020 ,数量：2根，长度：760mmo万用表，数量：1块。内六角扳手，数量：1套。十字型 螺丝刀和一字型螺丝刀，数量：各1把。螺丝、螺母若干。(2)操作步骤用万用

12、表测 量光 伏电池组件上 的光伏电池的连接线，了解光伏 电池 实现组件的封装。将1块光 伏电池 组件 移至室外，让光 伏电池 组件正对 着自然光线。 用万用表直流电压挡的合适量程测量单晶硅光伏电池组件的开路电压，记 录开路电压数值。统计光伏电池组件上光伏电池单体的数量，计算光伏电池单体的工作电压。将光伏电池组件的开路电压和光伏电池单体的工作电压填入表2-1中。表2-1光伏电池组件的开路电压和光伏电池单体的工作电压光伏电池组件开路电压U/V光伏电池单体数量/块光伏电池单体工作电压将4块光伏 电池组 件安装在铝 型材支 架上，形成光伏 电池方 阵，如 图2-3所示要求 光伏电池方阵 排列整 齐，紧

13、固件不松 动，4块光伏电池组 件引出线进行并联连接。将安装好的光伏电池方阵移至室外，让光伏电池方阵正对着自然光线 用万用表 直流电 压挡的合适量 程测量 光伏电 池方阵的 开路电 压，记录开路 电压数值。将安装好的光伏电池方阵移至室内，让光伏电池方阵正对着室内灯光 用万用表 直流电 压挡的合适量 程测量 光伏电 池方阵的 开路电 压，记录开路 电压数值。4块光伏电 池组件 引出线进行 2串2并连接，移至室 外。让 光伏电 池方阵正 对着自 然光线。用万用表直 流电压 挡的合适 量程测 量光伏 电池方 阵的开路 电压， 记录开 路电压数 值。图2-3光伏电池组件安装成光伏电池方阵示意图将2串2并

14、连接的 光伏 电池方阵 移至室 内，正 对着室内 灯光。用万用 表直流电压挡的合适量程测量光伏电池方阵的开路电压，记录开路电压数 值。将上述的开路电压数值填入表 2-2内。表2-2光伏电池方阵的开路电压条件光伏电池组件并联开路电压U/V光伏电池 组件2串2并开路电压U/V室外室内1.5 小结2光伏供电装置组装2.1 实训的目的和要求(1)实训的目的1.1 光伏供电装置的组成。1.2 水平和俯仰方向运动机构的结构，1.3 实训I的要求1.4 光伏供电装置。根据光伏供电系统主电路电气原理图和接插座图，将电源线、信号 线和控制 线接在 相应的 接插座中。2.2 基本原理光伏供电装置主要 由光伏电池组

15、件、投射灯、光线传感器、光线传感 器控 制盒、摆 杆支 架、摆杆 减速箱、单相交流 电动 机、电容 器、水平方向 和俯仰方向运动机构、水平运动和俯仰运动直流电动机、接近开关、微动 开关、底座支架等设备与器件组成。(1)水平方向和俯仰方向运动机构水平方向 和俯仰 方向运 动机构如 图2-4所示。水平方向 和俯仰 方向运 动机构中有两个减速箱，一个称为水平方向运动减速箱，另一.个称为俯 仰方向运动减速箱，这两个减速箱的减 速比为1:80 ,分别由水平运动和 俯仰运动 直流电 动机通 过传动链 条驱动。光伏电池方阵 安 装在水 平方向和 俯仰方向 运动机 构的上 方，如 图2-5所示，当水平方向 和俯仰 方向运 动机 构运动时，带动光伏电池方阵作水平方向偏转移动和俯仰方向偏转移动。图2-4 水平方向和俯仰方向运动机构图2-5光伏电池方阵与水平方向和俯仰方向运动机构(2)光源移动机构摆杆支架安装在摆杆减速箱的输出轴上，摆杆减速箱的减速比为1 : 3000。摆杆减速箱由单相交流电动机驱动，摆杆支架上方安装2盏300W 的投射灯，组成如图2-6所示的光源移动机构。当交流电 动机旋 转时，投射灯随摆 杆支架 作圆周 移动，实 现投射 灯光源 的连续运 动。(3)光线传感器光线传感器安装在光伏电池方阵中央，用于获取不同位置的投射灯的 光