实 验 名 称：太阳能电池对储能装置两种方式充电实验
学 院： 材料科学与工程学院
专 业： 应用物理
指 导 教 师：
报告人：学号：1班级：
实 验 时 间： 2015/1/5
实验报告提交时间： 2014/12/
一、实验目的
1. 了解超级电容放电的实验；
2. 了解太阳能组件直接对超级电容充电的实验； 3. 了解太阳能组件加DC-DC模块后对超级电容充电实验； 4. 熟悉恒压和恒定功率计算充电效率的方法；
5. 通过对两组实验结果进行比较，找出实现最佳充电效率的方法。
二、实验原理 1．DC-DC模块
DC-DC为直流电压变换电路，能将直流电压转换为直流电压，相当于交流电路中的变压器，就是相当于我们平常使用的电源充电器，最基本的DC-DC变换电路如图1所示。
图1中，Ui为电源，T为晶体闸流管，uC为晶闸管驱动脉冲，L为滤波电感，C为电容，D为续流二极管，RL为负载，uo为负载电压。调节晶闸管驱动脉冲的占空比，即驱动脉冲高电平持续时间与脉冲周期的比值，即可调节负载端电压。
DC-DC的作用：
当电源电压与负载电压不匹配时，通过
DC-DC调节负载端电压，使负载能正常工作。本实验的太阳能组件输出电压可以超过10V，而超级电容器的额定电压为3V左右，因此需要用到DC-DC模块进行电压的转换。
通过改变负载端电压，改变了折算到电源端的等效负载电阻，当等效负载电阻与电源内阻相等时，电源能最大限度输出能量。
在本实验中，DC-DC模块用于控制太阳能电池，使其始终以最大限度输出能量，保证以恒定功率输出。
2.超级电容
超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形
成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大当超级电容所加电压低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态。如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。超级电容充电时不应超过其额定电压。
超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此性能是稳定的。与利用化学反应的蓄电池不同，超级电容器可以反复充放电数十万次。它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。
3.充电效率计算
电池充电效率：电池放电时取出的电量与充电时流进去电池的电量之比，称之为充电效率。计算公式：
放电电流×放电至截止电压所
需时间 电池充电效率 =
× 100%
充电电流×充电时间
电容充电效率：充电效率主要取决于超级电容能够将光伏电池产生的多少能量储存进超级电容中。计算公式：
Wc为充电功率
Wi 可以近似为电池输出功率 Rs 为等效串联电阻 Vc是超级电容两段电压 Ec是超级电容吸收的能量 Ei是充电电路注入的能量
但是，由于实验仪器和操作的误差，可能使得实验的结果跟理论的数值有一定的差距，下面给出的是理论上的两种充电方式的充电效率计算方法：
Ec1???(1?e恒压充电：
Ei2Ec恒定功率充电：??Ei
?TRsC)
12C(VcT?Vc20)?2PTi
三、实验仪器
实验装置如图2所示，由太阳能电池组件、实验仪和测试仪3部分组成。图3为测试仪面板图。测试仪是为太阳能电池实验的基本型配套的，能测量电压、电流和光强这些参数，但是由于只要测试功率P,所以只用测试仪的电压，电流表。
本次实验所用组件及其参数如下：
太阳能电池：单晶硅太阳能电池，标称电压12V，标称功率3W
光源：150W碘钨灯，为保证太阳能电池因过热损坏，使用时调节至离太阳
能电池最远
负载组件：0～1KΩ，2W
DC-DC：升降压DC-DC，输入5～35V，输出～17V，1A 超级电容：，12V
电压表：0～20V，0～2V 电流表：0～2mA，0～200mA
图2 太阳能电池应用实验装置
图3 太阳能测试仪面板图
四、实验内容、步骤及注意事项
实验前准备
1.对超级电容放电
按照图4，将负载组件（可调电阻）接入超级电容放电，控制放电电流小于150mA，使电容电压放至低于1V。 注意事项：
超级电图4 V A （1）连接电路前，先把电流表和电压表的量程分别置 于200mA和20V档。
（2）连接电路前，负载组件电阻要调至最大。
（3）放电过程中，缓慢降低负载电阻，控制放电电流小于150mA。直到电容电压放制低于1V。（实验过程中，可使电阻为0，电流将至以下。）
（4）由于超级电容器放电需要一定的 A 时间，所以大家不能太过着急，电阻不 太 阳能降低太快，防止电流表爆表，损坏电
能 V 流表。 电2、测量太阳能电池的输出伏安特性
池图7 测量太阳能电池输出伏安特性接线图 5 测量太阳能电池输出伏安特性接线图
按图5接线，以负载组件作为太
阳能电池的负载。实验时先将负载组件逆时针旋转到底，然后顺时针旋转负载组件旋钮，记录太阳能电池的输出电压U和电流I,并计算输出功率P0=U×I，填于表1中。
表1 太阳能电池输出伏安特性
输出电压V(V) 输出电流I(mA) 输出功率P0(mW) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 以输出电压为横坐标，输出功率为纵坐标，作太阳能电池输出功率与输出电压关系曲线。记录最大输出功率对应电
压值。太阳能电池具有图6所示的输出伏安特性。负载电阻为零时的电流称为短路电流，即伏安特性曲线与纵轴的交点。负载电阻断开时的电压称
为开路电压，即伏安特性曲线与横轴的交点。
图6 太阳能电池输出伏安特性
太阳能电池的输出功率为电压与电流的积，在伏安特性曲线的不同点，输
A 出的功率差异大。在实际应用中，应使负载功率与太阳能电池匹配，以便输出最大功率，充分发挥太阳能电池功效。 实验内容
V 图10a 超级电容放电 太 A 阳 能 V 电 池1.太阳能电池直接对超级电容充电
（1）先如图7连接好电路。
（2）由读秒的同学负责打开碘钨灯并开始计
时。
超级电容 A V V
图10b 太阳电池直接充电 图7 图10c 加DC－DC充电 A V
A V 图10b 太阳电池直接充电 （3）将数据记录至表2中，充电至11V时停止充电。
2.加DC-DC后对超级电容充电
（1）先如图9连接好电路。
（2）由读秒的同学负责打开碘钨灯并开始计时。
（3）将数据记录至表2中，充电至11V时停止充电。
注意事项：
图 10a 太 DC A 阳超级电容放电 V 能 V 电 A DC 池 V 图图10c 8 加DC－DC充电 图10b 太阳电池直接充电 太 DC A 阳 V 能 V 电DC 池超级电容 1.在经过DC-DC组件调整太阳能电池输出电压后，实验过程中不再调整DC-DC模块。
2.实验前必须对电容进行放电。
3.在加DC-DC后对超级电容充电实验中，实验过程中不能用遮挡太阳能电池，中途不能关闭碘钨灯，或者将太阳能电池与DC-DC组件的连线断开。
图10c 加DC－DC充电 图9 加DC-DC充电
数据处理
太阳能电池组件的输出伏安特性：
1 51 51 2 3 51 153 4 5 6 7 8 9 10 485 11 12 498 两种充电情况下超级电容的充电特性： 时间（min） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 直接充电 加DC-DC充电 电压（V） 电流（mA） 功率（mW） 电压（V） 电流(mA) 功率（mW） 490 198
9 10 11 12 21 根据表2数据绘制两种充电情况下超级电容的U-t、I-t、P-t曲线，了解两种方式的充电特性，并加以讨论总结。
根据充电效率公式：
?EcWcTWc???EiWiTWi
恒压充电效率（直接充电效率）：
恒定功率充电效率（加DC-DC模块后）：
从上面两幅图中可以看出：
恒压充电时，充电的效率随时间从零开始一直在慢慢的增大，原因可能是：在充电开始的时候，由于是一打开碘钨灯就开始计时，这时碘钨灯的功率还没有完全达到最大，再加上太阳能电池板没有经过预热，产生的电压比较低，因此造成转换效率比较低。随着充电时间的延长，碘钨灯和太阳能电池组件也都达到正常工作的状态，充电功率聚会有所提升。理论上恒定功率充电功率可以达到95%。
恒定功率充电时，太阳能产生的能量，经过DC-DC模块的降压稳压后，使得输入超级电容器的功率是稳定的，所以充电的效率维持在一定的水平阶段内，不会有太大的波动。根据理论的计算，恒定功率的情况下，转换效率可以达到50%，但是从上面的图中可以看出，只能维持在35%左右，这可能是因为所用太阳能电池组件功率不大，DC-DC模块也损耗一定的功率，电容在充电的同时也在放电。所以充电效率不高。
分别比较两种充电方式的U-t、I-t、P-t曲线：
1、电压： 恒压充电的电压增长速度较快，恒定功率充电的充电电压增长较缓慢，变化不大。并且，恒压充电时，电压很快就达到11V。
2、电流：两中充电方式的电流都呈下降趋势，恒压充电的电流变化比较缓慢，恒定功率的电流变化比较大。
3、功率：恒压充电的充电功率随着时间的升高而升高，恒定功率充电的功率随着时间的变化率不大。
4、在实际的生产应用中，出于保护太阳能电池组件和电容。往往使用电压变化率较小，充电效率稳定的充电方式。所以一般采用恒定功率充电
思考题
1、能不能用电阻替代DC-DC组件为什么 答：不能。
（1） DC-DC组件是并联在电路中，用电阻替代组件后，电阻只能起到调节电流大小的作用，不能实现升压和降压，不能使太阳电池实现恒定功率输出； （2）电阻不能实现连续的电压变化，不能满足实验的需要； （3）DC-DC组件与电阻相比有更好的稳压效果。 2、电流与充电效率有什么关系
答：充电效率和放电电流成正比，与充电电流成反比。 3、怎样提高太阳能电池的充电效率
答：（1）在充电电路中加入DC-DC组件；
（2）调节DC-DC组件使太阳能电池有最佳输出电压，即有最佳输出功率； （3）使用恒定功率的充电方法对负载进行充电。
实验小结：实验是比较简单，但是也比较繁琐，特别应该注意一些细节，比如：对超级电容器充电之前一定要记得先放电，加DC-DC模块后，要调节到输出电压为最大功率所对应的电压，调节好输出电压后旋钮不能再旋动等等，总的来说，这个实验需要我们以细心严谨的科学态度对待，成员之间要分工明确、配合默契，不然实验就很有可能失败。
太阳能电池对储能装置两种方式充电实验(实验报告)
