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新能源实验

2019年 参与实验人员: 范灵杰、王向杲

实验室新购太阳能发电、风能发电和氢燃料电池等实验设备,欢迎有兴趣的同学参与实验项目建设。

一、系统控温测试

A.系统缺陷及其检测

装置控温系统缺陷:

如图1所示为本实验所使用的仪器装置。该控温室以及温度传感器主要存在以下三个缺陷: 1.控温室前方被氙气能光源照射,会对控温室进行加热; 2.控温室后方为散热风扇,前方加热后方散热会使得控温室产生温度梯度场; 3. 在温度梯度场中,温度传感器和太阳能电池并不在同一位置,(鉴于温度传感器相对于太阳能电池靠前),无法反应太阳能电池处的真实温度情况。

检测方法:

利用胶带固定温度传感器到太阳能电池所在位置,使用蓝牙通讯传输数据,进行实时温度监测。

B.控温系统测试及其分析

控温系统测试

控温系统测试时使用5档光源,进行3次控温,分别将温度设置为25℃、 15℃、 5℃。测量到温度随时间的变化如图3所示,后面将详细进行分析。

控温系统分析—共性

在连续3次控温过程中存在一些共同的特性: 1.仪器显示已达目标温度时,均为控温过程中的最低温度,此时与目标温度差别较大; 2.仪器显示已达目标温度后,会逐渐升温并最后保持不变; 3.停止控温后,控温室内的温度会马上增加。

控温系统分析—25度控温

对于25度控温 温度随时间的变化 存在这样一些特点: 1.当仪器显示已达目标温度时,4分钟后,太阳能电池实际温度趋于稳定; 2.对于25度控温 太阳能电池处趋于稳定的温度为25℃。

控温系统分析—15度控温

对于15度控温 温度随时间的变化 存在这样一些特点: 1.当仪器显示已达目标温度时,16分钟后,太阳能电池实际温度趋于稳定(波动小于0.1度); 2.对于15度控温 太阳能电池处趋于稳定的温度为13.5度

控温系统分析—5度控温

对于5度控温 温度随时间的变化 存在这样一些特点: 1.当仪器显示已达目标温度时,26分钟后,太阳能电池实际温度趋于稳定(波动小于0.1度); 2.对于5度控温 太阳能电池处趋于稳定的温度为2.6度。

控温系统分析—异性

基于三次控温时太阳能电池处的温度随时间的变化,可得到以下合乎常识的推断: 1.当控温室设定的目标温度与环境温度相差越大时,仪器显示达目标温度后缓慢升温到稳定平衡温度所需的时间越长; 2.当控温室设定的目标温度与环境温度相差越大时,平衡温度与目标温度差异也就越大。25度控温时基本没有差异,15度控温时平衡温度低于目标温度1.5度,5度控温时平衡温度低于目标温度2.5度。

C.控温系统操作改进意见

实验操作改进意见

1.对于25度控温(5档光源),当仪器显示已达目标温度后等待约5分钟再进行数据测量,此时太阳能电池处温度稳定在25度; 2.对于15度控温(5档光源),当仪器显示已达目标温度后等待约15分钟再进行数据测量,此时太阳能电池处温度稳定在13.5度; 3.对于5度控温(5档光源),当仪器显示已达目标温度后等待约30分钟再进行数据测量,此时太阳能电池处温度稳定在2.5度。

仪器设计改进

1.仪器工程师应当充分考虑这些问题,从仪器的控制软件程序上解决这些问题,或在仪器操作说明中对此情况进行说明; 2.并给出不同光照和温度下,当仪器显示已达控温目标后,用户应等待多长时间之后才能进行测量,以及平衡时温度与目标温度之间的差别。

二、伏安特性曲线

A.单晶硅伏安特性测量

测量条件选择

由前面“太阳能电池——控温测试”:我们得到当光源为5挡、控温设置为25度(和环境温度相差不大时),控温室内太阳能电池处的温度恒定在25度附近。故在单晶硅的伏安特性测量中,我们选择25度控温、5挡光源的实验条件进行测试。

单晶硅伏安特性

在所选择的测量条件下,所测得的单晶硅伏安特性曲线如下图8所示:

B.理想伏安特性曲线工程计算

由于理想太阳能电池方程

I=I_{SC}-I_{0}(exp({qV}/{AKT})-1)

中的许多参数AI_{0}I_{SC}q与温度、光强以及制作工艺有关比较难确定。故将上式转化为便于工程计算的形式

I=I_{SC}(1-C_{1}(exp({V}/{C_{2}V_{OC}})-1))

利用下式确定C_{1}C_{2}

C_{1}=(1-I_{m}/I_{SC})exp({-V_{m}}/{C_{2}V_{OC}})

C_{2}=(V_{m}/V_{OC}-1)(ln(1-I_{m}/I_{SC}))^-1

由此利用开路电压V_{OC}、短路电流I_{SC}、最大功率处的电流和电压 I_{m}U_{m}即可得到理想伏安特性曲线

四个工程参数获取: 四个工程参数开路电压V_{OC}、短路电流I_{SC}、最大功率处的电流和电压I_{m}U_{m}可以分别由I-V图的截距(或软件自带开路电压和短路电流测量)获取以及P-V(P-I)图的峰值来得到。

由此可以得到:

开路电压V_{OC}=2898mV

短路电流I_{SC}=42130uA

最大功率点处电流I_{m}=38760uA

最大功率点处电压V_{m}=2262mV

由此可以计算出:

C_{1}=1.0036 * 10^{-5}

C_{2}=0.086887

C.太阳能电池串联并联电阻修正

串联并联电阻计算:

由于太阳能电池串联和并联电阻无法直接解析求解,本实验采用斜率法近似计算太阳能电池并联和串联电阻。

在短路电流附近,并联电阻和I-V曲线斜率存在如下关系:

同样在开路电压附近,串联电阻和斜率存在如下关系:

得串联和并联电阻修正后的I-V表达式为:

R_{sh}=delim{|}{({dI}/{dV})^{-1}}{|}

R_{s}=delim{|}{({dI}/{dV})^{-1}}{|}

I=I_{SC}(1-C_{1}(exp({V+R_{s}I}/{C_{2}V_{OC}})-1))-{V+R_{s}I}/{R_{sh}}

利用斜率法计算串并联电阻:

串联电阻:R_{s}=8.2m Omega

并联电阻:R_{sh}=4921m Omega

实验表明对于这种小型太阳能电池,串联并联电阻修正结果的确会使得结果更精确,但鉴于计算过于复杂且修正结果不明显,修正意义不大。但对于实际使用的大型太阳电池来说这种修正十分必要。

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  • 最后更改: 2019/12/06 11:00
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