任务一　太阳能电池片的能量转换

一、太阳能电池能量转换知识

太阳能是一种辐射能，它必须借助能量转换器才能变换成电能，把太阳能转换成电能的能量转换器，叫做太阳能电池组件。

1.太阳能电池组件结构

图1-1-1所示是一个p型硅材料制成的n⁺/p型结构常规太阳能电池的示意图。

①p层为基体，基体材料称为基区层，简称基区。

②p层上面是n层，又称为顶区层，有时也称为发射区层，简称顶层。它是在同一块材料的表面层用高温掺杂扩散方法制得的，因而又称为扩散层。由于它通常是重掺杂的，故常标记为n⁺。扩散层处于电池的正面。所谓正面就是光照的表面，所以也称为光照面。

③p层和n层的交界面处是p-n结。

④扩散层上有与它形成欧姆接触的上电极。它由母线和若干条栅线组成。栅线是通过母线连接起来的。

⑤基体下面有与它形成欧姆接触的下电极。

⑥上、下电极均由金属材料制作，其功能是将由电池产生的电能引出。

⑦在电池的光照面有一层减反射膜，其功能是减少光的反射，使电池接受更多的光。

如果用n型硅材料做基体，即可制成p⁺/n型硅太阳能电池。其结构与上述的n⁺/p型硅太阳能电池相同，只不过基体的硅材料是n型，而扩散层材料是p型。

2.太阳能电池能量转换基础

太阳能电池工作原理的基础，是半导体p-n结的光生伏打效应。光生伏打效应就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

将半导体太阳能电池的发电过程概括成如下4点。

①先是收集太阳光和其他光，使之照射到太阳能电池表面上。

②太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子（光生载流子）——电子-空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。

③这些电性符号相反的光生载流子，在太阳能电池p-n结内建电场的作用下，电子-空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在p-n结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。

④在太阳能电池p-n结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能（或其他光能）直接转换成了电能，实训装置采用单晶硅材料太阳能电池。

将p型半导体和n型半导体结合在一起，在交界面处便会形成p-n结，并在结构的两边形成内建电场，又称势垒电场。当太阳光照射p-n结时，半导体内的电子获得了光能而成为自由电子，相应地便产生了电子-空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向n型区，空穴被驱向p型区，从而使n区有过剩的电子，p区有过剩的空穴，于是就在p-n结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使p型区带正电、n型区带负电，于是就使得n区与p区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。当接通外电路时，便有电能输出。

这就是p-n结型硅太阳能电池发电的基本过程，如图1-1-2所示。若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并联起来，封装成为太阳能电池组件，在太阳光的照射下，便可获得具有一定功率输出的电能。

二、实训系统介绍

1.认识实训设备

THEISP-1型太阳能电源技术及应用装置（图1-1-3）由电池板型材桌和主控制台两部分组成。

2.控制台技术参数

①输入电压　三相四线制，380V±10％，50Hz。

②工作环境　温度-5～40℃，相对湿度<85％（25℃），海拔<4000m。

③装置容量　≤2000W。

3.实训前准备

①实训开始前应详细熟悉台子的相关组成部分。

②实训开始前应先保证实训装置电源处于断开状态。

③实训开始前学习实训指导书中相关实训内容。

④实训组件各部分的连接要严格按照实训步骤进行。

4.注意事项

①严格按正确的操作方法给实训装置通电和断电。

②在对太阳能的各个部分进行连线时应按照实训步骤的要求连接，不能越步操作，否则将会影响装置的使用寿命。

③实训过程中，在操作太阳能智能控制器前应先详细阅读相关使用说明。

④在对太阳能电池组件进行相关操作时一定要注意，以免划伤表面。

⑤在用充电器对蓄电池进行充电时，注意必须将太阳能电池板充电回路断开，同时也必须将所有的负载开关断开，以避免充电器直接向负载供电，从而损坏负载。

5.实训的进行

（1）建立小组，合理分工

每次实训都以小组为单位进行，每组由3～5人组成，实训进行中的接线、负载、电压或电流调节、记录数据等工作，每人应有明确的分工，以保证实训操作的协调，使记录的数据准确可靠。

（2）接线要求

根据实训线路图选择组件、仪表，按图接线，接线要简单明了。

（3）运行

接线结束后，打开模拟光源，太阳能组件因接收到光而产生电能，电能通过航空电缆线送到主控制台，经过太阳能智能控制器对蓄电池进行充电，同时也给相应的负载供电。

（4）读取数据

相应的电流表和电压表接入回路，测量相应的电流值和电压值，记录并绘制相关曲线。

这是实训的最后阶段，应对实训数据进行整理，绘制波形和图表，分析实训现象并撰写实训习题。每位实训参与者要独立完成一份实训习题。实训习题的编写应持严肃认真、实事求是的态度。如实训结果与理论有较大出入时，不得随意修改实训数据和结果，而应用理论知识来分析实训数据和结果，解释实训现象，找出引起较大误差的原因。

6.实训习题

实训习题是根据实测数据和在实训中观察发现的问题，经过自己分析研究或分析讨论后写出的实训总结和心得体会，应简明扼要、图表整洁、结论明确。

实验报告应包括以下实训内容：

①实训名称、实训班级、实训同组者姓名、实训室名称等；

②实训目的、实训线路、实训内容；

③实训仪器，仪表的型号、规格、铭牌数据及实验装置编号；

④实训数据整理、列表、计算，并列出计算所用的计算公式；

⑤实训实验数据相对应的特性曲线及记录的波形；

⑥根据实训理论知识对实训结果进行分析总结，得出正确的结论；

⑦对实训中出现的现象、遇到的问题进行分析，写出心得体会，并对实验提出自己的建议和改进措施；

⑧实训习题应写在规定的实训习题纸上，保持整洁；

⑨每次实训，每人独立完成一份报告，按时送交实训指导教师批阅。

7.安全操作规程

为了按时完成实训，确保实训与设备的安全，必须严格遵守如下规定的安全操作规程。

①实验时，人体不可接触带电线路。

②接线或拆线都必须在切断电源的情况下进行。

③学生独立完成接线或改接线路后，必须由实训指导教师检查和允许，并使组内其他同学引起注意后方可接通电源。实训中如发生装置故障，应立即切断电源，经查清问题和妥善处理故障后，才能继续进行实训。

④接通实训装置前应先检查实训回路是否存在短路，以免损坏实训仪表或电源。

⑤实验室总电源或实验台控制屏上的电源应由实训指导教师来控制，其他人员只能经指导教师允许后方可操作，不得自行合闸。

三、太阳能电池板特性应用实训步骤

①合上主控制屏空气开关，启动控制屏。

②在主控制屏上“模拟光源控制部分”合上开关“SD1、SD2、SD3”，将3盏模拟光源灯打开，之前应闭合开关“SF1、SF2、SF3”，将所有的冷却风扇打开。

③由以上分析可知此时太阳能电池板由于接收到“光”而将产生“电”。

④断开K1、K2，在V1端口接入直流电压表，测量此时太阳能电池板产生的电压，记录数值。

⑤断开K1、K2，将V1端口用实验导线短接，用电流测量导线将直流电流表接入A1，测量电流，记录数值。

⑥移动太阳能电池板，改变光源与太阳能电池板的距离，重复步骤④、⑤，记录电压值和电流值。

【练习题】

（1）试描述p-n结的产生过程。产生过程中起着主要作用的运动是哪一种运动？为什么？

（2）光伏组件测量标准条件是什么？如果光源与组件之间的距离增大或减少，对于测量结果会产生什么影响？

（3）按照实训要求写出实训习题，填写附录表1-1-1到附录表1-1-6（见附录一）。

（4）画出7条测试曲线图，分析每条曲线变化的规律。