環境對光伏轉換影響實驗

 一、實驗目的：
1.了解外部環境對太陽能電池發電的影響。
2.理解光照強度和角度對太陽能電池發電的影響。
   二、實驗設備：

序號	名     稱	備     注
1	MY-PV39太陽能光伏發電綜合實訓系統
2	萬用表	自備
3	幾塊材料不同、透光度不同的遮擋板	自備

   三、實驗原理：
光伏電池的性能指標受環境多種因素如光照強度、環境溫度、粒子輻射的影響，而溫度和光照強度的影響往往是同時存在的。
1.  光譜響應
絕對光譜響應指當各種波長的單位輻射光能或對應的光子入射到光伏電池上，
將產生不同的短路電流，按波長的分布求出對應短路電流變化曲線。分析光伏電池的光譜響應，通常討論其相對光譜響應。定義為：當各種波長以一定先是的輻射光了束入射到光伏電池上，所產生的短路電流與其中最大短路電流相比較，按波長的分布求其變化曲線即為相對光譜響應。
    圖1為某一光伏電池的相對光譜響應曲線。從曲線可以看出能夠產生光生伏特效應的太陽能輻射波長范圍一般在0.4～1.2左右，最大靈敏度在0.8～0.9
之間。

                   圖1
2.溫度特性和光照特性
光伏電池的溫度特性指的是：光伏電池工作環境的溫度和電池吸收光子之后自身溫度升高對電池性能的影響；由于光伏電池材料內褲的很多都是溫度和光照強度的函數，如本征載流子濃度、載流子的擴散長度、光子吸收系數等，所以光照特性指的是硅型光伏電池的電氣性能和光照強度之間的關系，其特性曲線見圖2和圖3。

        圖2常溫下不同日照的伏安特性                  圖3 參考日照不同溫度下的伏安特性
 
在一定條件下，一串聯支路中被遮蔽的太陽能電池組件將被當作負載消耗其他被光照的太陽能電池組件所產生的能量，被遮擋的太陽能電池組件此時將會發熱， 就是“熱斑效應”。這種效應能嚴重地破壞太陽能電組件。有光照組件所產生的部分能量或所有能量，都可能被遮蔽的電池組件消耗。
在太陽能電池組件的串聯回路中，假定其中一塊被部分遮擋，調節負載電阻R，可使太陽能組件的工作狀態由開路到短路。
可以從d、c、b、a四種工作狀態進行分析：
（1）調整太陽能電池組件的輸出阻抗，使其工作在開路（d點），此時工作電流為0，開路電壓U_Gd等于電池組件1和電池組件2的開路電壓之和。
（2）當調整阻抗使電池組件工作在c點，電池組件1和電池組件2都有正的功率輸出。
（3）當電池組件工作點在b點，此時電池組件1仍然工作在正功率輸出，而受遮擋的電池組件2已經工作在短路狀態，沒有功率輸出，但也還沒有成為功率的接受體，還沒有成為電池組件1的負載。
（4）當電池組件工作在短路狀態（a點），此時電池組件1仍然有正的功率輸出，而電池組件2上的電壓已經反向，電池組件2成為電池組件1的負載，不考慮回路中串聯電阻的話，此時電池組件1的功率全部加到了電池組件2上，如果這種狀態持續時間很長或電池組件1的功率很大，就會在被遮擋的電池組件2上造成熱斑損傷。
（5）應當注意到，并不是僅在電池組件處于短路狀態才會發生“熱斑效應”，從b點到a點的工作區間，電池組件2都處于接受功率的狀態，這在實際工作會經常發生，如旁路型控制器在蓄電池充滿時將通過旁路開關將太陽能電池組件短路，此時就很容易形成熱斑。
圖7為并聯回路受遮擋電池組件的“熱斑效應”分析。受遮擋電池組件定義為2號，用I-U曲線2表示；其余電池組件合起來定義為1號，由I-U曲線1號表示；兩者的串聯方陣為組（G），用I-U曲線G表示。

                                   圖7
可以從a、b、c、d四種工作狀態進行分析：
（1）調整太陽能電流組的輸出阻抗，使其工作在短路（a點），此時電池組件的電壓為0，組短路電流Isc等于電池組件的輸出阻抗，使其電池1和電池組件2的短路電流之和。
（2）當調整阻抗使電池組工作在B點，電池組件1和電池組件2都有正的功率輸出。
（3）當電池組件工作在c點，此時電池組件1仍然有正的功率輸出，而受遮擋的電池組件2已經工作在開路狀態，沒有功率輸出，但也沒有成為功率的接受體，還沒有成為電池組件1的負載。
（4）當電池組工作在開路狀態（D點），此時電池組件1仍然有正的功率輸出，而電池組件2上的電流已經反向，電池組件2成為電池組件1的負載，不考慮回路中其他旁路電流的話，此時電池組件1的功率全部加到了電池組件2上，如果這種狀態持續時間很長或電池組件1的功率很大，也會在被遮擋的電池組件2上造成熱斑損傷。
（5）應當注意到，從c點到d點的工作區間，電池組件2都處于接受功率的狀態。并聯電池組件處于開路或接近開路狀態在實際工作中也有可能，對于脈寬調制控制器，要求只有一個輸入端，當系統功率較大，太陽能電池組件會采用多組并聯，在蓄電接近充滿時，脈沖寬度變窄，開關晶體管處于臨近截止狀態，太陽能電池組件的工作點向開路方向移動，如果沒有在各并聯支路上加裝阻斷二極管，發生熱斑效應的概率就會很大。
為防止太陽能電池組件由于熱斑效應而被破壞，需要在太陽能電池組件的正負極間并聯一個旁路二極管，以避免串聯回路中光照組件所產生的能量被遮蔽的組件所消耗。同樣，對于每一個并聯支路，需要串聯一只二極管，以避免并聯回路中光照組件所產生的能量被遮蔽的組件所吸收，串聯二極管在獨立光伏發電系統中可同時起到防止蓄電池在夜間反充電的功能。
   四、實驗步驟：
     1.在面板上的太陽能光伏實驗區按實驗需求把電壓表、電流表按實驗功能連接。
       連接過程中，注意“正”“負”極。
     2.接通“總開關”，此時指示燈亮，直流電壓表和直流電流表均通電工作，然后直流電壓表的示值就是太陽能電池板的開路電壓，記錄些電壓。
     3.選擇足夠大的幾種遮光度不同的材料，如白紙、布、塑料膜等，分別用所選擇的材料遮擋整塊太陽能電池板，記錄每一種情況下太陽能電池板輸出的電壓：

序號	材   料	太陽能電池板輸出電壓/V
1
2
3
4
5

4.用同一遮擋板遮擋太陽能電池板，按照遮擋部分的面積增加或減小的順序，測量并記錄太陽能電池板輸出的電壓值：

序號	遮擋面積/%	太陽能電池板輸出電壓/V
1
2
3
4
5

5.用同一遮擋板遮擋一部分太陽能電池板，同時在“控制器”部分的輸入接口接入可調電阻箱，增加或減小負載的阻值，并記錄太陽能電池板輸出的電壓值與電流：查看在阻值為多少時太陽能電池板發生了“熱斑效應”。
6.試驗完畢，應該關閉“總開關”，卸下電纜線插頭。
   五、注意事項
1.要使用足夠大的遮擋板，能夠完全覆蓋整個電池板。
2.使用同一塊遮擋板改變其遮擋面積的試驗中，要盡快～5組數據，不可長時間使某一部分處于遮擋狀態。