专业综合设计性实验教学大纲

1、PAGE 8PAGE 9专业综合设计性实验实验教学大纲课程编码1302511 课程名称专业综合设计性实验 适用专业应用物理专业 学分2 考核形式考查 学时2周 先修课程近代物理实验,应用光伏学开课学期六 一、课程简介专业综合设计性实验是四年制本科应用物理学专业开设的综合性设计性实验课，它与光伏技术课程既有紧密联系，又相互独立，是一门独立设置的实验课。该课程采用自编教材。二、课程实验教学目的与要求1、实验教学目的：通过综合性设计性实验的整个教学过程，使学生巩固太阳电池的工作原理和太阳电池的性能，同时加深理解光伏发电和并网的基本原理及过程，为以后的专业课学习打好基础。综合性设计实验课程的目的和要求

2、如下：理解半导体材料导电类型、电阻率的概念。2、实验教学要求：理解半导体材料中非平衡少数载流子的概念。掌握非平衡少数载流子测量方法即表面光电压法；理解太阳电池表面减反射膜层概念及厚度测量；了解太阳电池光谱响应测量的意义，掌握其测试方法；理解P-N结的基本原理及其光电效应、太阳电池的电学特性，能够计算并测量太阳电池的I-V特性参数；光伏发电和并网的基本原理及过程。三、实验项目（绪论）利用多媒体实验软件演示光伏发电的基本原理和发电过程（一）光电效应的原理1、实验目的】加深对光的量子性的理解。验证爱因斯坦光电效应方程。【实验原理】图 5-25-1 光电效应原理图在一定频率的光的照射下，电子从金属表面

3、逸出的现象称为光电效应，从金属表面逸出的电子称为光电子。图图 5-25-1图中组成抽成真空的光电管，为阳极，为阴极。当一定频率的光射到金属材料作成的阴极上，就有光电子逸出金属。若在两端加上电压后，光电子将由定向地运动到，在回路中形成光电流。光电效应的基本实验规律如下： = 1 * GB2 、饱和光电流与入射光的光强成正比，如图5-25-2（a）所示。图中曲线称为光电管伏安特性曲线。图 5-25-2 伏安曲线 = 2 * GB2 、光电子的初动能（）与入射光的频率成正比，与光强无关。实验中反映初动能大小的是遏止电势差。在图5-25-1电路中，当阴极与阳极之间加反向电压（即接正极，接负极），则间的

4、电场将对阴极逸出的电子起减速作用。随着反向电压增加，光电流逐渐减小，当反向电压达到某一值时，光电流降为零（如图5-25-2（a）所示，此时静电场力对光电子所做的功等于光电子的初动能，即，为遏止电势差。以不同频率的光照射时， 关系曲线为一直线，如图5-25-2（b）所示。图 5-25-2 = 3 * GB2 、光电效应存在一个频率阈值称为截止频率。当入射光频率时，无论光强如何，均不能产生光电效应。 = 4 * GB2 、光电效应是瞬时效应，只要入射光频率，一经光线照射，立刻产生光电子。以上这些实验规律，用光的电磁波理论不能作出圆满的解释。1905年爱因斯坦提出了一个卓越的理论光量子理论，成功地解

5、释了光电效应。他认为一束频率的光是一束以光速C运动的，具有能量h的粒子流，这些粒子称为光量子，简称光子，为普朗克常量。按照光子论和能量守恒定律，爱因斯坦提出了著名的爱因斯坦光电效应方程 5-25-1金属中自由电子，从入射光中吸收一个光子的能量h，克服了电子从金属表面逸出时所需的逸出功后，逸出表面，具有初动能。用爱因斯坦方程可圆满地解释光电效应的实验规律。同时，由式（5-25-1）可知，要能够产生光电效应，需。即，而就是，实验时，测出不同频率的光入射时的遏止电势差后，作曲线，可得一直线 从直线斜率（）中可得普朗克常量h；从直线与横坐标轴的交点可求出阴极金属的截止频率0；从直线与纵坐标轴的交点（-

6、），可求出阴极金属的逸出电势式（5-25-2）中e为电子电量（公认值）。【实验内容】1仪器的调整按仪器说明书和仪器使用规定调整好仪器。2测量光电管的暗电流连接好光电管暗盒与测量放大器之间的屏蔽电缆、地线和阳极电源线。适当选取电压与电流的量程。在无光照的条件下，测出-3V+3V间不同电压下的相应暗电流值。3测量光电管反向电压伏安特性（曲线） = 1 * GB2 、让光源对准光电管暗盒入射窗，并使两者间距约3050cm，取下入射窗的遮光罩换上波长=365.0nm的近紫外滤色片。 = 2 * GB2 、选择合适的电流和电压的量程，测出-30V间不同电压下的光电流，测量时，用先定性粗测，后定量精测的测

7、量技术，在反向电流开始有明显变化附近多测几组数据。 = 3 * GB2 、相继换上波长为404.7nm（紫色）、435.8nm（蓝色）、546.1nm(黄色)滤色片，按上述步骤测出-30V间不同电压下的光电流。列表记录所有测量数据。 = 4 * GB2 、改变光源与光电管暗盒间的距离或入射窗进光孔的大小，重做上述测量。图 5-25-3 实验曲线与理论曲线3、不同光照频率下的遏止电压的测量(图 5-25-3由不同频率的遏止电势差与频率作关系曲线，按爱因斯坦方程曲线应为一直线。其斜率 应等于，由此求出普朗克常量h，并与公认值比较，算出百分误差。（二） PN结的特点及应用【实验目的】1.针对二极管的

8、非线性特点，要求同学们根据实验任务要求，确定实验方案，选择实验仪器，设计实验线路，做好测试工作，画出二极管的伏安特性曲线。2.学习从实验曲线中获取有关信息的方法，认真分析试验结果，写出实验报告。【实验要求】1.测出二极管的伏安特性曲线、动态阻值，并研究它们随电流等参数变化的规律，得出拟合曲线方程。2.在粗测的基础上，根据电阻特性，选择适当的试验检测电路，确定测量仪表的量程、等级。实验时尽量减少系统误差影响或对系统误差进行修正，完成测试任务。3.学习用示波器观测非线性元件的特性。【实验提示】图 6-34-1 硅二极管的伏安特性曲线在一电阻两端加一定的电压，就有电流流过它，如果用电压表测出它的电压

9、，用电流表测出电流，根据欧姆定律，能算出磁电阻数值，若改变电压大小，电流也随之变化。如果改变电压多次，测出几对数据，以为横坐标，为纵坐标作图，可得到一条直线。它的斜率即为，采用作图法可以求得较正确的结果，上述测量电阻的方法称为伏安法。伏安特性曲线呈直线状的电阻，称为线性电阻。此外，还有一类电阻，例如热敏电阻、光敏电阻以及半导体二极管的正反向电阻等，在他们两端所加的电压与流过它们的电流之间呈非线性关系，这种电阻称为非线性电阻。图 6-34-1 硅二极管的伏安特性曲线图6-34-1的曲线为半导体硅二极管伏安特性曲线。由图可见，对不同的电压（或电流），其呈现的电阻值是不相同的，即电阻值不是一个常数。

10、二极管在电子线路中应用广泛，主要特点是具有单向导电的特性（即正向电阻与反向电阻相差几个数量级），测出二极管的电压与电流关系，对于我们去了解和应用它是具有实际意义的。在二极管两端加反向电压，当反向电压小于某一数值时，其反向电流始终很小，仅微安数量级，它与温度和材料有关，对于硅管一般为，而锗管的反向电流较大，约几十微安（而锗管在反向电压情况下，其对电流的关断作用比硅管要差）。温度升高，此电流也随之增大，当反向电压增加到超过某一数值时，反向电流急剧增加，此时二极管失去了单向导电性，并将因发热而烧毁，此电压称为二极管的最大反向电压（即击穿电压）。使用时绝不能超过此数值。除了最大的反向电压，二级管还有一

11、个重要的参数，那就是额定的正向电流。当流过二极管的正向电流超过此值时，二级管会因过分发热而损坏。二级管的额定正向电流和最大反向电等参数均可根据二极管的型号在晶体管手册中查到。 = 1 * GB2 、要同时测量流经二极管的电流和二极管两端的电压U有两种接线方法。一种是电流表内接，另一种是电流表外接。如果待测对象阻值高，则电流表应该内接还是外接？此外，由于电表内具有内阻，它的接入将引起实验误差，应该如何修正。 = 2 * GB2 、为了防止过大电流损坏结和电表，测正反向特性时，线路中应分别加上保护电阻。测正向特性时，电流决不能超过二级管额定正向电流（测量过程中，电流最大值测到为止）。测反向特性时，

12、电压不能超过最大反向电压（测量过程中，最大反向电流控制在以下）。、为了测绘好实验曲线，需要合理地选择实验数据点，在电流随电压变化缓慢的部分，数据点可少取一些，在电流随电压变化较大的部分应多取一些。、实验曲线以电流为纵坐标，电压为横坐标，绘制时，注意坐标轴比例的选取，因为正反向的电压和电流变化的幅度不同，可考虑正反向电压和电流取不同的比例，以使图线能反映出测量的准确度。2.用示波器显示二极管正向伏安特性曲线。提示：为了把特性曲线显示在荧光屏上，需要将二极管的电压输入到示波器的轴，流过二极管的电流转换为电压信号输入到示波器的轴。后者只需将一个已知阻值的电阻与二极管串联，于是此电阻两端的电压与流过二

13、极管的电流成正比。设计电路时还需要考虑采用什么样的电源以及电路的公共接地如何选定。所代表的极性，切勿错接。4.实验线路连接好后要经指导教师检查，确认无误后方可通电。【问题讨论】1. 利用二极管特性曲线说明，为什么用万用表不同电阻档测同一只二极管时，正反向电阻读数会不同？2.根据电阻定义，可以从伏安特性曲线上求出某一电压下的电阻，方法是求出该点斜率的倒数，根据测出的二极管伏安特性曲线求出当时的电阻值。（三）减反射膜厚度的测量1、实验目的太阳电池表面减反射厚度和折射率是影响太阳电池转换效率的一个重要的参数。利用椭圆偏置仪法测量电池表面减反射膜厚度和折射率，使学生能够加深对这个概念的理解。2、实验主

14、要内容1）讲授太阳电池表面减反射膜厚度和折射率对转换效率影响的概念。2）介绍当今常用的测量方法与测量设备的原理。3）利用椭圆偏置仪法测量电池表面减反射膜厚度和折射率（四）太阳电池电特性的测量1、实验目的1）熟悉太阳能电池的工作原理；2）太阳能电池光电特性测量，太阳电池电特性时太阳电池的一个重要参数。由开路电压、短路电流、光电转换效率、填充因子、最大功率点处电压和电流这六个参数组成。利用太阳电池光电特性测量仪来进行测量，使学生能够具体掌握这几个概念。3)讲授太阳电池电特性各个参量的概念，讲授标准光强的概念。4）介绍太阳电池电特性测量仪的测量原理与测量方法2、实验仪器THQTN-1型 太阳能电池特

15、性测试实验仪。3、实验原理（1）太阳能电池板结构图1 太阳能电池板结构示意图以硅太阳能电池为例：结构示意图如图1。硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积PN结经串联、并联构成，在N型材料层面上制作金属栅线为面接触电极，背面也制作金属膜作为接触电极，这样就形成了太阳能电池板。为了减小光的反射损失，一般在表面覆盖一层减反射膜。 （2）光伏效应都用光照射到半导体PN结上时，半导体PN结吸收光能后，两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。由于P-N结耗尽区存在着较强的内建静电场，因而产生在耗尽区中的电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开耗尽区，结果使P区电势升高，N区电势降低，P-

16、N结两端形成光生电动势，这就是P-N结的光生伏特效应。（3）太阳能电池的特性参数太阳能电池工作原理基于光伏效应。当光照射到太阳能电池板时，太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时, 可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压与通过的电流的关系为 ( 1 )是二极管的反向饱和电流，称为理想系数，是表示PN结特性的参数，通常为1。是波尔兹曼常数，为电子的电荷量，为热力学温度。（可令）当太阳能电池短路时，我们可以得到短路电流为ISC，当太阳能电池开路时，我们可以得到开路电压为UOC。当太阳能电池接上负载R时，所得到的负载U-I特性曲线如（图四）所示，负载R可从零至无穷

17、大，当负载为Rm时，太阳能电池的输出功率最大，它对应的最大功率为Pm：Pm=ImUm ( 2 )上式中Im和Um分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将Voc与Isc的乘积与最大输出功率Pm之比定义为填充因子FF： ( 3 )FF为太阳能电池的重要特性参数，FF越大则输出功率越高。FF取决于入射光强、材料禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。太阳能电池的转换效率定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能Pin之比，即 ( 4 ) 图2 太阳能电池的伏安特性曲线4、实验内容与步骤（1）测量太阳能电池无光照时的伏安特性（直流偏压从02V）连接测量电路如图3所示：图3利用测得的正向偏

18、压时IU关系数据，画出IU曲线。（2）在不加偏压时，用白炽灯光照射，测量太阳能电池特性(4片串联负载特性更明显)。连接测量电路如图3所示：注意：此时光源到太阳能电池距离不能太近，可选择为35cm之后。图4（a）测量短路电流、开路电压和入射光强J。（b）测量电池在不同负载电阻下，对变化关系，画出曲线图。（c）求太阳能电池的最大输出功率，最佳工作电压和最佳工作电流。（d）计算填充因子：（e）计算转换效率：（3）电池的串联和并联电池串联输出电流不变，电压相加。电池并联输出电压不变，电流相加。5、数据处理光功率Pin为单位面积的入射光强J太阳能电池有效面积；本实验仪所用太阳能电池单片有效面积为2060

19、mm2；表格自拟。6、注意事项1实验时，避免太阳光照射太阳能电池。2连接电路时，保持电源开关断开。3做实验时，电压、电流及入射光强会跳动几个字（因电网电压不稳定导致光源不稳定造成），属正常现象，对实验结果无太大影响。（五）太阳能光伏并网发电教学实验1、实验目的学习太阳能光伏并网发电的原理和过程2、实验原理光伏并网发电，是当前全球最大规模利用太阳能资源发电的一种重要方式。并网发电，是将太阳能电池所发出的直流电通过逆变器转换成波形良好的交流电，直接向电网供电，无储能装置，运行可靠性和转换效率比较高，系统的建设和维护成本较低。3、实验内容（1）不同太阳能电池组件通过跳线，相互结合后能量转换的综合比较

20、和实验，如何提高品质和信价比。（2）不同并网逆变器电路拓扑和调制方式的比较和实验，确定优化产品设计方案。（3）不同并网逆变器防孤岛保护方式的比较和实验，探讨新技术。（4）不同并网逆变器的最大功率跟踪控制方法的比较实验，探讨新方法。（5）方阵电子跟踪器与MPPT的有效结合和分离控制方法的比较实验，探讨新技术。（6）在不同天气和日照强度下并网逆变器电流的波形，谐波含有率实验。3、注意事项（单相输出/三相输出）：光伏阵列输出电压180450VDC；2、并网输出电压180456VAC；并网频率范围47.851.2Hz；9、工作环境：温度-2050，相对湿度90（六）太阳能光伏发电系统实训1、实验目的学习太阳能光伏并网发电的原理和过程2、实验原理采用串联式PWM充电控制方式，使充电回路的电压损失较原二极管充电方式降低一半，充电效率较非PWM高36%;过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式有利于提高蓄电池寿命。多种保护功能，包括蓄电池反接、蓄电池过、欠压保护、太阳能电池组件短路保护，具有自动恢的输出过流保护功能，输出短路保护功能。3、实验内容：一 太阳能电池光伏系统直接负载特性实验二 接反保护实验三 太阳能控制器对蓄电池的过充、过放保护实验四 夜间防反充实验四、实验项目学时分配表序 号实 验 项 目实验类别学 时1（绪论）光伏发电的工作原理及过程演示