星空体育太阳能电池业论文doc太阳能电池毕业论文 毕业设计论文 题 目 太阳能电池性能测试 学 院 专业班级 学生姓名 指导教师 成 绩 毕业设计论文 I 摘 要 21世纪能源危机日益严重积极寻找替代能源开发节能技术尤为重要作为新能源之一的太阳能其电池的性能测试问题尤为受到关注。近年来各大高校、实验室也纷纷开设关于太阳能性能测试实验的课程学生在实验中了解太阳能电池发电的过程及太阳能电池性能方面的知识。然而传统的太阳能电池测试实验多由学生自己连接测试电路测试过程中不但经常发生短路、断路等现象导致太阳能电池、光强计等设备的损坏而且由于测试环境开放测试时受到外界光源影响导致最终测试结果不理想。 为了解决传统实验中的弊端本设计采用集成的方式将传统的太阳能电池测试实验的电路进行焊接并连出电路关键的测试点方便实验时数据的测量同时本设计还将整个实验设置在一个密闭的暗室中从而减少外界环境对实验的影响。 本设计利用钨镍灯模拟太阳光通过调光模块对钨镍灯发出的光的光强进行调节。实现了光强的连续变化测量在测量过程中通过集成的测量电路将太阳能电池的各种电气特性表现出来提高了测量数据的可靠性尤其适用于实验教学。 关键词能源危机太阳能电池测试系统太阳能电池钨镍灯 毕业设计论文 II Abstract The 21st century the increasingly serious energy crisis actively looking for alternative sources of energy develop energy-saving technologies is particularly important as one of the new energy solar energy its battery performance testing is of particular concern. In recent years major universities laboratories have also set up courses on solar energy performance test the students understand the knowledge of the solar cell power generation process and solar cell performance in the experiment. However most traditional solar cell testing laboratory test circuit connected by the students themselves not only the frequent occurrence of phenomena such as short circuit open circuit testing process resulting in solar cells light intensity meter and other equipment damage and because the test environment and opening up testing by outside The light effects leading to the final test results are not satisfactory. In order to solve the drawbacks of traditional experimental design using an integrated manner with traditional solar cell testing experiment circuit welding and even circuit key test points to facilitate the experimental data measurement the entire experiment of this design will set in a closed dark room thereby reducing the influence of the external environment of the experiment. This design uses tungsten nickel lights simulate sunlight adjust the intensity of the light emitted by the dimming module tungsten nickel light. The intensity of the continuous changes in measurement integrated measuring circuit in the process of measuring a variety of electrical characteristics of solar cells shown to improve the reliability of the measurement data especially for experimental teaching. Key wordsEnergy crisis solar cell test system solar cells tungsten nickel lamp 毕业设计论文 III 目录 摘 要 .................................................................... I Abstract ................................................................. II 绪 论 .................................................................... 1 第1章 概述 .............................................................. 2 1.1 太阳能能源背景 .................................................... 2 1.2 太阳能电池的国内外发展状况 ......................................... 2 1.2.1 国内太阳能电池的发展状况 ....................................... 2 1.2.2 国外太阳能电池的发展状况 ....................................... 3 1.3 太阳能电池的发展前景 ............................................... 3 第2章 太阳能电池原理 .................................................... 4 2.1 太阳能电池等效电路 ................................................. 4 2.2 太阳能电池发电原理 ................................................ 5 第3章 太阳能电池测试实验 ................................................ 7 3.1 太阳能电池测试实验原理 ............................................ 7 3.2 太阳能电池测试系统结构 ............................................. 9 3.2.1 电源模块 ...................................................... 9 3.2.2 执行模块 ..................................................... 10 3.2.3 测试反馈模块 ................................................. 12 3.3 硬件抗干扰措施 ................................................... 12 第4章 测量数据处理 ..................................................... 14 4.1 测量数据处理 ..................................................... 14 4.2 硬件电路焊接及包装 ............................................... 18 结 论 ................................................................... 19 参考文献 ................................................................. 20 致 谢 ................................................................... 21 毕业设计论文 1 绪 论 太阳能的利用和太阳能电池特性的研究是21世纪新型能源开发的重点课题。目前太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外已应用于许多民用领域如太阳能汽车、太阳能路灯、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等太阳能是一种清洁的“绿色”能源因此世界各国都十分重视太阳能电池的研究和利用。近年来各大高校、实验室也纷纷开设关于太阳能性能测试实验的课程学生在实验中了解太阳能电池发电的过程及太阳能电池性能方面的知识。然而传统的太阳能电池测试实验多由学生自己连接测试电路测试过程中不但经常发生短路、断路等现象导致太阳能电池、光强计等设备的损坏而且由于测试环境开放测试时受到外界光源影响导致最终测试结果不理想。 为了解决传统实验中的弊端本设计采用集成的方式将传统的太阳能电池测试实验的电路进行焊接并连出电路关键的测试点方便实验时数据的测量同时本设计还将整个实验设置在一个密闭的暗室中从而减少外界环境对实验的影响。 本设计方案新颖内容先进着重从实际应用的角度出发在比较传统太阳能电池性能测试实验的基础上力求创新兼容市场上使用较为广泛的非晶硅太阳能电池具有很强的实用性。 本设计共分4章第1、2章主要太阳能及太阳能电池的基本知识第3章为系统硬件设计第4章则给出了测试的结果。 毕业设计论文 2 第1章 概述 1.1 太阳能能源背景 21世纪新能 源和清 洁的可再 生能 源的开发将成为影响世界经济发展的技术领域其中太阳能能否在未来被充分的开发和利用已成为世界各国政府及科研机构必须面临的挑战作为其中之一的太阳能发电技术更是受到人们的普遍关注。未来太阳能发电技术将被大规模的应用于各个行 业和领域这都是因为太阳能发电具有许多其他能源无法具有的优点其中就包括没有噪声没有污染不消耗燃料不需要复杂的机械结构不需要专门的看守人员建造方便维护方便故障率低规模可大可小不需要远程传输可方便地与各种器械设施或建筑相结合等。近年来太阳能电池发电技术在国际上飞速发展例如美 国、欧洲及日本制定了庞大的光伏发电发展计划世界光伏市场开始由边远的农村和特殊应用向家用发电和大规模使用的方向发展光伏发电已经由补充能源向替代能源转变1。 我国的能源资源储量也面临着各种各样的危机。现已估算我国的能源总量仅相当于为八千多亿吨标准煤其中已探明的可开发能源总储量仅相当于一千三百余亿吨标准煤约占世界能源总储量的百分之十左右我国已探明的可开发能源总储量的结构为原煤占58.8原油占3.4天然气占1.3水能占36.5。这些能源储备仅能保证我国未来129年的使用这其中原煤仅够114.5年的使用原油仅够20.1年的使用天然气仅够49.3年的使用2。 由上面的能源数据来看我国的新能源开发问题已迫在眉睫如何找到一种可源源不断又没有污染的能源已成为必须考虑的问题。太阳能作为满足条件的能源之一已备受人们的关注以太阳能为动力的太阳能电池将是未来世界的主要能源之一3。 单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池以及非晶硅薄膜太阳能电池。 1.2 太阳能电池的国内外发展状况 我国做为一个能源利用率不高但能源消耗巨大的国家对太阳能技术能够带来的能源利益更加迫切从1995年以来我国分别从美国、德国等发达国家引进光伏技术并通过10年的研究创新如今在光伏发电技术领域已取得相当好的成绩。 1.2.1 国内太阳能电池的发展状况 1958年我国开始对光伏技术的研究主要的研究对象是p/n型单晶硅太阳能电池1963年我国的单 晶硅太阳 能电 池的光伏 转换 效率已达12.9当时的n/p型硅太阳能 电池光电转换效率比p/n型低它主要的 目标是空 间应用。1969年半导体所停止了硅 太阳电池研发随后天 津18所为东方红二号、三号、四号系列地 球同步轨道卫星研毕业设计论文 3 制生产太阳电池阵。1971年我国制造的第一颗科学实验卫星使用的就是n/p型电池。在重点研究空间太阳能电池的同时也开展了地面使用太阳能电池的开发。1998年中国政府开始关注太阳能发电拟建第一套3MW多晶硅电池及应用系统示范项目4。 近些年来我 国在“973”和“863”等重 大 项目中也将太 阳能 电池的研究和发展放到了 非常关键的位置。在我国的国家“十 五”科 技攻 关计划中 重 点 提出对光伏技术项目的研究都有重大安排。从 2003 年起我国太阳能电池产业增长加快估计在近期还会有新的研究成果出现我国太阳能电池工业正进入了一个快速发展阶段。 目前我国重点研究目标是对薄膜硅基太阳能电池的研究与应用正大力发展太阳能电池发电计划所以未来我国的主要能源将由化石燃料逐步转变成清洁的太阳能。 1.2.2 国外太阳能电池的发展状况 自从1876年Amdas和Damty通过对光伏效应的研究成功制造出世界上的首块太阳能电池以来各国政 府都对太阳能这一无污染寿命长的广泛能源的利用非常重视尤其是美国、日本星空体育全站app、英国等能源消耗 量巨大的发 达国家它们对新能源的开发更加迫切。1961年Ch erp公司成 功生产光伏 电池及其组件19 76年世界的光伏电池超512 KWE.Carlson和C.R.Wronski在W.E.SQear的1973年控制p-n结的工作基础上制成世界上第一个非晶硅a-Si太阳能电池1980年ARCO太阳能公司是世界上第一个年产量达到1MW光伏电池生产厂家三洋电气公司利用非晶硅电池率先制成手持式袖珍计算器接着完成了非晶硅组件批量生产并进行了户外测试1987年哥斯达黎加南土新尔威大学MtirnGareen研制了一种超级新型多 晶硅太阳能电池其光电转换效率已经成功的达到20。到2005年世界太阳 能电池年发电总量超过1300MW占世界能源总量百分之一。 1.3 太阳能电池的发展前景 时至今日太阳能电池的发展仍存在很多局限性例如生产成本高、运行效率低以及耐用性问题。但在未来随着技术和材料的创新这些太阳能电池发电的不足都将被消除。最近美国W.E.Spear公司开发了一种新型薄膜太阳能电池材料其生产成本仅为传统单晶硅电池的百分之一且发电能力稳定近日夏普公司宣布他们已研发了一种太阳能电池转换效率达到43.5其刷新了太阳能电池转换效率为36.9的最高纪录被称“展示了绿色能源的光明未来”5。 毕业设计论文 4 第2章 太阳能电池原理 2.1 太阳能电池等效电路 图2-1 理想太阳能电池等效电路 理想的太阳能电池等效电路主要是由一个恒流源、一个二极管并联在一起组成的。恒流源在受到光照的情况下会产 生光电 流LI其中一部分电流通过二极管P-N结这一部分电流就是结电流jI另 一部分电流通过 负载这一部分电流也就是负载电流I。负载电阻R与负载两端的端电压V、通过 二极管的结电流jI以及通过负载的负载电流有关这样I的大小为 jLIII 2-1 由Shockloy的扩散理论可以知道二极管P-N结之间的结电流jI可以表示为 10kTqVjjeII 2-2 式中 q——电子电荷C19106.1 T——绝对温度 jV——结电压 0I——反向饱和电流 k——波尔兹曼常数 将上两式合并得 10kTqVLjeIII 2-3 光电流密度LJ可表示为 gcLENqJ 2-4 式中 c——收集效率 毕业设计论文 5 gEN——能量超过gE的光子流与入射总光强成正比即光生电流与入射总 光强成正比。 如图2-2所示为实际的太阳能电 池等效电路图。在电路中考虑了太阳能电池本身性质而产生的电阻对这种电阻对 整个太阳能电池的影响作如下分析 图2-2 实际的太阳能电池等效电路 1串联电阻sR 4321sssssRRRRR 式中 1sR——电池 栅线sR——二极管扩散 层横 向的电 阻值 3sR——基体本身的电阻值 4sR——上、下电极与基体接触时产生的接触电阻。 在这四个电阻值中2sR是串 联电阻的主要形式其大小直接影响sR的大小。 2并联电阻shR 并 联 电阻包括p-n结内漏电阻、电池边缘 漏电阻以及p型区和n型区各种导电膜或脏污的电阻等。并 联 电阻也有称为旁路电阻的6。 sR和shR相比sR为低阻值小于1而shR是高阻值约为几千欧姆。 考虑了电池本身的sR和shR以后工作电流I可表示为 shsAkTIRVqLRIRVeIIIs10 2-5 式中 I——工作电流 A——曲线拟合常数 V——端电压。 2.2 太阳能电池发电原理 毕业设计论文 6 太阳能电池是由半导 体硅材料中沉入一 定的 微 量杂 质后 而制成的 单结光 电池如图2-3所示在P型和N型半导体的接 触处由于电子和空穴的扩散使P型的一边堆积负电荷设为P区N型的一边堆 积正 电荷设为N区在PN的交 界处形 成一个厚度约为m710的 电偶 极层即PN结而结内具有一定的电场E同时又形成了一个稳定的电势差0U即为势垒7。 图2-3 太阳能电池发电原理图 当光入 射到 PN结上在能量 足够大的光 子作用下光子激发半导 体硅 材料内的电子 与空穴并将其分 别向P 区 和 N区集结从而使PN结两 端附 加了一个与内电场相反的光生电场 E如果入 射光强 度保持不变光生电场稳定产生的电势差称为光 生电 动势保持不变入射光强 度越大光生电 动势 会越高。 若将硅光电池 看 做是一个理想的光生电流源因光生电场E产生的N区域向P区域流动的光 生电流用pI表示由于phI与pI的方向相反故实际得到的电流I为 1exp0nkTqUIIIIIphpph 2-6 式中0I为反向饱和电流q为电子电荷U为结电压n为表示PN结特性参数的理想系数k为波 尔 兹 曼常数T为绝对温度。 当外电路 连接最 合适负 载电阻R时可以得到 最大的能量 转换 效率把此时的转换 效率称为太 阳能电 池 的光电转换效率它是衡 量太阳能电池的一个重要指标它可以用最大 输 出功率maxP比 上 输 出 光功率inP得出。即 inPPmax 2-7 P N 入射光 毕业设计论文 7 第3章 太阳能电池测试实验 3.1 太阳能电池测试实验原理 太阳能电池在实际 应用中由于受到不同的入射光波长和光能 量以及太阳能电池所接的负载电阻不同会产生不同的输出特性为了了解太阳能电池的特性则需要对一些测量及电路等相关方面的知识 做些介绍。 1.太阳能电池被短路U0时令短路电流为scI由式1-1可得到 phsIUII0 3-1 太阳能电池在 光谱辐射通量的相对分布关系不变时其工作范围处于线性响应区域短路电流与入射光强 度呈线 短路电流与入射光强度理想关系 实验中入射光强通常以 光功率计测出图中的横坐标可用其相对光强0/II来表示。 2.太阳能电池开路I0时令开路电压为ocU由2-6式和3-1式可得到 1ln00IIqnkTIUUscoc 3-2 即太阳能电池的负载 电阻足够大时入射光的相对光强度与太阳能电池输出的电压间呈现出非 线 开路电压与入射光强度理想关系 mAIsh/ mAIsh/0/II 0 毕业设计论文 8 3.太阳能电池工作在无偏压状 态下其两端接上可变的负载电阻LR当入射光强度不变时用图3-3所示的电路可测出太阳能电池的伏安特性曲线 无偏压时太阳能电池伏安特性测量电路 图3-4 无偏压时太阳能电池伏安特性理论曲线 为了能够描述太阳能电池的输出功率的能力定义FF填充因子曲线因子为 ocscmmUIUIFF 3-3 它是用来描述太 阳能电池输 出特性曲线 的“方形”的程度实用太阳能电池的填充因子一般 在0.60.75。显然输出功率越大填充因子越 高即太阳能电池的性能越好。此外太阳能电池在实际使用中光电转换后的输出能量还受到外界入射光的波长及环境的温度等影响。 4.太阳能电池在没 有外界入射光照射的情况下可视为一个二极管若外界一个正向偏压电路如图3-5所示当开关2S与触点1接通时电压表测量太阳能电池的电压ocU当开关2S与触点2接通时电压表测量流过太阳能电池的电流22RUIsc改变电位器1R的输出电压8则可得到在有偏压的情况下太阳能电池的伏安特性曲线 有偏压时太阳能电池伏安特性测量电路 图3-6 有偏压时太阳能电池伏安特性理论曲线 AI/ maxP mI 0 mU VUoc/ mAIsc/ 0 VUoc/ 毕业设计论文 9 根据曲线得到其电流与电压的关系式 10ocUsceII 3-4 交 式中0I和都是常量在短路时0scI在非短路时的端电压为 1ln10IIUscoc 3-5 3.2 太阳能电池测试系统结构 本设计通过对传统太阳能电 池测试实验 设备 进行分析整 合并在其基础上进行创新设计得到 的集成太 阳能电池 测试系统本系统主要由电源 模块执行模块测试反馈模块三部分组成其系统结构框图如图3-7所示 图3-7 太阳能电池测量系统结构框图 图中左侧虚线 框内表示电源模块主要用于对整个系统进行供电由于执行模块的两部分所使用的电源的电压不同所 以就需要本系统的电源模块能同时产生两种电压的电能为.

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