任務一　太陽能電池片的能量轉換

一、太陽能電池能量轉換知識

太陽能是一種輻射能，它必須借助能量轉換器才能變換成電能，把太陽能轉換成電能的能量轉換器，叫做太陽能電池組件。

1.太陽能電池組件結構

圖1-1-1所示是一個p型硅材料制成的n⁺/p型結構常規太陽能電池的示意圖。

①p層為基體，基體材料稱為基區層，簡稱基區。

②p層上面是n層，又稱為頂區層，有時也稱為發射區層，簡稱頂層。它是在同一塊材料的表面層用高溫摻雜擴散方法制得的，因而又稱為擴散層。由于它通常是重摻雜的，故常標記為n⁺。擴散層處于電池的正面。所謂正面就是光照的表面，所以也稱為光照面。

③p層和n層的交界面處是p-n結。

④擴散層上有與它形成歐姆接觸的上電極。它由母線和若干條柵線組成。柵線是通過母線連接起來的。

⑤基體下面有與它形成歐姆接觸的下電極。

⑥上、下電極均由金屬材料制作，其功能是將由電池產生的電能引出。

⑦在電池的光照面有一層減反射膜，其功能是減少光的反射，使電池接受更多的光。

如果用n型硅材料做基體，即可制成p⁺/n型硅太陽能電池。其結構與上述的n⁺/p型硅太陽能電池相同，只不過基體的硅材料是n型，而擴散層材料是p型。

2.太陽能電池能量轉換基礎

太陽能電池工作原理的基礎，是半導體p-n結的光生伏打效應。光生伏打效應就是當物體受到光照時，其體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。

將半導體太陽能電池的發電過程概括成如下4點。

①先是收集太陽光和其他光，使之照射到太陽能電池表面上。

②太陽能電池吸收具有一定能量的光子，激發出非平衡載流子（光生載流子）——電子-空穴對。這些電子和空穴應有足夠的壽命，在它們被分離之前不會復合消失。

③這些電性符號相反的光生載流子，在太陽能電池p-n結內建電場的作用下，電子-空穴對被分離，電子集中在一邊，空穴集中在另一邊，在p-n結兩邊產生異性電荷的積累，從而產生光生電動勢，即光生電壓。

④在太陽能電池p-n結的兩側引出電極，并接上負載，則在外電路中即有光生電流通過，從而獲得功率輸出，這樣太陽能電池就把太陽能（或其他光能）直接轉換成了電能，實訓裝置采用單晶硅材料太陽能電池。

將p型半導體和n型半導體結合在一起，在交界面處便會形成p-n結，并在結構的兩邊形成內建電場，又稱勢壘電場。當太陽光照射p-n結時，半導體內的電子獲得了光能而成為自由電子，相應地便產生了電子-空穴對，并在勢壘電場的作用下，電子被驅向n型區，空穴被驅向p型區，從而使n區有過剩的電子，p區有過剩的空穴，于是就在p-n結的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場的一部分抵消勢壘電場，其余部分使p型區帶正電、n型區帶負電，于是就使得n區與p區之間的薄層產生了電動勢，即光生伏打電動勢。當接通外電路時，便有電能輸出。

這就是p-n結型硅太陽能電池發電的基本過程，如圖1-1-2所示。若把幾十個、數百個太陽能電池單體串聯、并聯起來，封裝成為太陽能電池組件，在太陽光的照射下，便可獲得具有一定功率輸出的電能。

二、實訓系統介紹

1.認識實訓設備

THEISP-1型太陽能電源技術及應用裝置（圖1-1-3）由電池板型材桌和主控制臺兩部分組成。

2.控制臺技術參數

①輸入電壓　三相四線制，380V±10％，50Hz。

②工作環境　溫度-5～40℃，相對濕度<85％（25℃），海拔<4000m。

③裝置容量　≤2000W。

3.實訓前準備

①實訓開始前應詳細熟悉臺子的相關組成部分。

②實訓開始前應先保證實訓裝置電源處于斷開狀態。

③實訓開始前學習實訓指導書中相關實訓內容。

④實訓組件各部分的連接要嚴格按照實訓步驟進行。

4.注意事項

①嚴格按正確的操作方法給實訓裝置通電和斷電。

②在對太陽能的各個部分進行連線時應按照實訓步驟的要求連接，不能越步操作，否則將會影響裝置的使用壽命。

③實訓過程中，在操作太陽能智能控制器前應先詳細閱讀相關使用說明。

④在對太陽能電池組件進行相關操作時一定要注意，以免劃傷表面。

⑤在用充電器對蓄電池進行充電時，注意必須將太陽能電池板充電回路斷開，同時也必須將所有的負載開關斷開，以避免充電器直接向負載供電，從而損壞負載。

5.實訓的進行

（1）建立小組，合理分工

每次實訓都以小組為單位進行，每組由3～5人組成，實訓進行中的接線、負載、電壓或電流調節、記錄數據等工作，每人應有明確的分工，以保證實訓操作的協調，使記錄的數據準確可靠。

（2）接線要求

根據實訓線路圖選擇組件、儀表，按圖接線，接線要簡單明了。

（3）運行

接線結束后，打開模擬光源，太陽能組件因接收到光而產生電能，電能通過航空電纜線送到主控制臺，經過太陽能智能控制器對蓄電池進行充電，同時也給相應的負載供電。

（4）讀取數據

相應的電流表和電壓表接入回路，測量相應的電流值和電壓值，記錄并繪制相關曲線。

這是實訓的最后階段，應對實訓數據進行整理，繪制波形和圖表，分析實訓現象并撰寫實訓習題。每位實訓參與者要獨立完成一份實訓習題。實訓習題的編寫應持嚴肅認真、實事求是的態度。如實訓結果與理論有較大出入時，不得隨意修改實訓數據和結果，而應用理論知識來分析實訓數據和結果，解釋實訓現象，找出引起較大誤差的原因。

6.實訓習題

實訓習題是根據實測數據和在實訓中觀察發現的問題，經過自己分析研究或分析討論后寫出的實訓總結和心得體會，應簡明扼要、圖表整潔、結論明確。

實驗報告應包括以下實訓內容：

①實訓名稱、實訓班級、實訓同組者姓名、實訓室名稱等；

②實訓目的、實訓線路、實訓內容；

③實訓儀器，儀表的型號、規格、銘牌數據及實驗裝置編號；

④實訓數據整理、列表、計算，并列出計算所用的計算公式；

⑤實訓實驗數據相對應的特性曲線及記錄的波形；

⑥根據實訓理論知識對實訓結果進行分析總結，得出正確的結論；

⑦對實訓中出現的現象、遇到的問題進行分析，寫出心得體會，并對實驗提出自己的建議和改進措施；

⑧實訓習題應寫在規定的實訓習題紙上，保持整潔；

⑨每次實訓，每人獨立完成一份報告，按時送交實訓指導教師批閱。

7.安全操作規程

為了按時完成實訓，確保實訓與設備的安全，必須嚴格遵守如下規定的安全操作規程。

①實驗時，人體不可接觸帶電線路。

②接線或拆線都必須在切斷電源的情況下進行。

③學生獨立完成接線或改接線路后，必須由實訓指導教師檢查和允許，并使組內其他同學引起注意后方可接通電源。實訓中如發生裝置故障，應立即切斷電源，經查清問題和妥善處理故障后，才能繼續進行實訓。

④接通實訓裝置前應先檢查實訓回路是否存在短路，以免損壞實訓儀表或電源。

⑤實驗室總電源或實驗臺控制屏上的電源應由實訓指導教師來控制，其他人員只能經指導教師允許后方可操作，不得自行合閘。

三、太陽能電池板特性應用實訓步驟

①合上主控制屏空氣開關，啟動控制屏。

②在主控制屏上“模擬光源控制部分”合上開關“SD1、SD2、SD3”，將3盞模擬光源燈打開，之前應閉合開關“SF1、SF2、SF3”，將所有的冷卻風扇打開。

③由以上分析可知此時太陽能電池板由于接收到“光”而將產生“電”。

④斷開K1、K2，在V1端口接入直流電壓表，測量此時太陽能電池板產生的電壓，記錄數值。

⑤斷開K1、K2，將V1端口用實驗導線短接，用電流測量導線將直流電流表接入A1，測量電流，記錄數值。

⑥移動太陽能電池板，改變光源與太陽能電池板的距離，重復步驟④、⑤，記錄電壓值和電流值。

【練習題】

（1）試描述p-n結的產生過程。產生過程中起著主要作用的運動是哪一種運動？為什么？

（2）光伏組件測量標準條件是什么？如果光源與組件之間的距離增大或減少，對于測量結果會產生什么影響？

（3）按照實訓要求寫出實訓習題，填寫附錄表1-1-1到附錄表1-1-6（見附錄一）。

（4）畫出7條測試曲線圖，分析每條曲線變化的規律。