第4节 半导体与光伏发电（导学案）物理教科版2024九年级上册

第4节 半导体与光伏发电（导学案） 【学习目标】 1. 理解半导体的基本特性及其在光伏发电中的应用原理 2. 理解太阳能电池板将光能转化为电能的工作原理，以及影响其输出功率的因素。 3.结合物理、地理等学科知识，设计简单的光伏发电应用方案。激发对科学应用的兴趣，培养创新思维。 。 4. 通过实验探究光伏电池的输出功率，提高项目设计及解决问题的能力。 【学习重点】①半导体材料的特性与光伏效应原理。 ②太阳能电池的能量转换效率及其影响因素。 【学习难点】跨学科设计光伏发电系统(如结合地理光照资源分布优化方案)。 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1.半导体：半导体是导电性能介于 和 之间的一些材料，如锗、硅、砷化镓等。 特性：发光二极管具有 ，二极管正向接入电路，正常发光；反向接入电路，不发光 2. 光伏发电 （1）原理：通过半导体材料将 直接转换为 的技术，其核心器件为太阳能电池。 （2）影响太阳能电池的输出功率的因素： 、 、 。 【课堂探究】 学习新课 一、认识半导体 1.半导体 ①定义：半导体是导电性能介于 和 之间的一些材料，如锗、硅、砷化镓等。 ②特性：温度、光照、杂质等外界因素对半导体的导电性能有很大影响。 纯度很高的半导体材料，具有耐高温、稳定性好等特点，但电阻很大。半导体材料中掺入微量的其他元素，其导电能力会显著提高。科学家通过控制掺入元素的种类，研制出了N型半导体和P型半导体。 2. 常见半导体 ①二极管和三极管 将N型半导体和P型半导体，两种类型的半导体以不同的方式结合，能制成二极管、三极管等各种半导体元器件。 发光二极管较常用，正负极易区分：长引脚为 ，短引脚为 。 负极 正极 【实验】探究二极管的导电性 ①先把一个发光二极管、两节干电池和开关串联，闭合开关观察二极管是否发光，断开开关； ②再把发光二极管反向接入电路，观察有什么变化？ ②二极管的导电性：单向导电性 学习新课 二、半导体的应用 某些半导体材料的导电性能受温度、光照、压力等影响而显著变化，某些半导体有特殊的光电特性，能在一定条件下释放 。 人们利用半导体的这些特性，制成了热敏电阻、光敏电阻、力敏电阻等传感元件，以及二极管、三极管、整流器等电子元件，还发明了半导体激光器、LED 光源、太阳能电池、芯片等器件。 学习新课 三、设计校园光伏发电项目方案 【活动背景】 1. 认识光伏发电 ①光伏发电的基本原理 通过半导体材料将 直接转换为 的技术，其核心器件为太阳能电池。 ②光伏发电系统的构成 由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等组成。 2.光伏发电的前景 在我国的电源结构中，火电依然占据主导地位；而水电，作为常规能源中唯一的清洁能源，稳居第二位。风电发电量为9940.4亿千瓦时，占比9.88%;太阳能(光伏)发电则贡献了8390.4亿千瓦时，同比增长率高达43.6%占比达到8.32%。这一系列数据表明，在清洁能源日益受到重视的今天，光伏发电作为绿色、环保的能源选择，正逐渐成为我们生活中不可或缺的一部分，其应用领域也在不断扩展，为社会发展带来深远的变革。 【活动方案】 设计校园光伏发电项目方案，我们需要通过探究解决三个问题： ①影响太阳能电池输出功率的因素有哪些？ ②校园的地理、环境特征是怎样的？ ③学校的用电需求是多少？ 【实验】探究影响太阳能电池的输出功率的因素 　实验器材：太阳能电池板2片、卤素光源1个、 滑动变阻器1只、电压表1只、电流表1只、开关1只、挡光板1片、导线若干。 实验方案：我们可以在不同条件下，测量太阳能电池的电压和电流，计算太阳能电池的 ，进一步确定影响太阳能电池的输出功率的因素。V A 太阳能电池 光照 RP 实验过程： ①改变 ，测量太阳能电池的电压和电流； ②改变光源 ，测量太阳能电池的电压和电流； ③改变2片太阳能电池板的 ，测量太阳能电池的电压和电流。 实验结论： ①光照强度 ，太阳能电池的输出功率 ； ②当光源 时，太阳能电池的输出功率 ； ③串联连接时电流是并联连接时的一半，电压是并联连接时的2倍，两种连接方式的输出功率 。 【活动实施】 ①测算学校屋顶光伏理论发电量及学校用电量 请各小组通过实地调查、网络查询和图书查阅，估算学校日常用电量，研究测算学校屋顶太阳能电池板的理论日发电量。 实际发电量估算方法可通过公式计算： 日发电量=组件标称功率×峰值日照小时数×系统效率（通常0.7-0.8） ②确定太阳能电池板安装方式 查阅电子地图，记录学校所在位置及当日太阳高度角，模拟并测算出太阳能电池板最佳方位角及当日太阳能电池板倾角度数。 位置选择：a. 屋顶（混凝土或彩钢瓦）是常见选择，需确保承重能力（如100平方米屋顶可安装15-20千瓦系统），并检查防水性。 b. 地面安装适用于大型系统，但需更多空间；墙面安装效率较低，不推荐。 c. 避免树木、建筑物遮挡，确保光照充足。 角度与方向设计：a.北半球朝南安装，南半球朝北，以最大化接收阳光。 b. 倾斜角度根据当地纬度调整:纬度0°-25°设为25°，纬度26°-40°增加5°-10°(如北纬30°地区建议40°-45°)。 ③撰写学校屋顶光伏发电项目方案 搜集本地区自然环境特征资料，分析实际发电量少于理论发电量的原因，分析影响学校发电量的有利条件和不利条件，思考如何提高太阳能电池板的发电量，撰写项目方案。 ④交流展示 举办报告会，尝试从能源结构、环境保护角度讨论能源利用对环境的影响，并与其他同学分享和交流自己设计的校园光伏发电项目方案。 【课堂练习】 1. （2012•仁寿县校级模拟）下列关于半导体的说法，正确的是（　　） A．常温下半导体的电阻为零 B．半导体广泛应用于各种电子设备 C．半导体就是超导体 D．任何情况下半导体都是不导电的 2．（2023秋•城厢区期末）库布其沙漠鄂尔多斯中北部新能源基地项目是在沙漠、戈壁、荒漠地区开发建设的全球大规模风电光伏基地项目，太阳电池组件是光伏发电系统的核心部分，它负责将_____能转化为电能，若要长距离输送电能，则需要较高的输出电压，太阳能光伏电池板要以_____（选填“串联”或“并联”）的方式连接。 3. （2024秋•市北区校级期中）如图所示的一种太阳能背包，包的前面有一个太阳能电池板，它可以给包里的蓄电池充电，蓄电池又可以给手机、小风扇等充电。下列说法错误的是（　　） A．太阳能电池板可以将太阳能转化为电能 B．太阳能电池板给蓄电池充电时，将电能转化为化学能 C．蓄电池给手机充电时，将内能转化为电能 D．小风扇工作时，将电能转化为机械能 4．我国天宫空间站使用4对柔性三结砷化镓太阳能电池板来发电，它的技术非常先进，光电转换效率超30%。下列说法正确的是（　　） A．太阳能电池板所用材料三结砷化镓是超导体 B．太阳能电池板面积越大，发电效率越高 C．太阳能电池板工作的效率超30%，表明太阳能电池板把至少30%的太阳能转化为化学能 D．太阳能电池板工作的效率超30%，表明太阳能电池板把至少30%的太阳能转化为电能 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 学科网（北京）股份有限公司 $ 第4节 半导体与光伏发电（导学案） 【学习目标】 1. 理解半导体的基本特性及其在光伏发电中的应用原理 2. 理解太阳能电池板将光能转化为电能的工作原理，以及影响其输出功率的因素。 3.结合物理、地理等学科知识，设计简单的光伏发电应用方案。激发对科学应用的兴趣，培养创新思维。 。 4. 通过实验探究光伏电池的输出功率，提高项目设计及解决问题的能力。 【学习重点】①半导体材料的特性与光伏效应原理。 ②太阳能电池的能量转换效率及其影响因素。 【学习难点】跨学科设计光伏发电系统(如结合地理光照资源分布优化方案)。 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1.半导体：半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的一些材料，如锗、硅、砷化镓等。 特性：发光二极管具有单向导电性，二极管正向接入电路，正常发光；反向接入电路，不发光 2. 光伏发电 （1）原理：通过半导体材料将太阳能直接转换为电能的技术，其核心器件为太阳能电池。 （2）影响太阳能电池的输出功率的因素：光照强度、入射角度、连接方式。 【课堂探究】 学习新课 一、认识半导体 1.半导体 ①定义：半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的一些材料，如锗、硅、砷化镓等。 ②特性：温度、光照、杂质等外界因素对半导体的导电性能有很大影响。 纯度很高的半导体材料，具有耐高温、稳定性好等特点，但电阻很大。半导体材料中掺入微量的其他元素，其导电能力会显著提高。科学家通过控制掺入元素的种类，研制出了N型半导体和P型半导体。 2. 常见半导体 ①二极管和三极管 将N型半导体和P型半导体，两种类型的半导体以不同的方式结合，能制成二极管、三极管等各种半导体元器件。 发光二极管较常用，正负极易区分：长引脚为正极，短引脚为负极。 负极 正极 【实验】探究二极管的导电性 ①先把一个发光二极管、两节干电池和开关串联，闭合开关观察二极管是否发光，断开开关； ②再把发光二极管反向接入电路，观察有什么变化？ ②二极管的导电性：单向导电性 学习新课 二、半导体的应用 某些半导体材料的导电性能受温度、光照、压力等影响而显著变化，某些半导体有特殊的光电特性，能在一定条件下释放光能。 人们利用半导体的这些特性，制成了热敏电阻、光敏电阻、力敏电阻等传感元件，以及二极管、三极管、整流器等电子元件，还发明了半导体激光器、LED 光源、太阳能电池、芯片等器件。 学习新课 三、设计校园光伏发电项目方案 【活动背景】 1. 认识光伏发电 ①光伏发电的基本原理 通过半导体材料将太阳能直接转换为电能的技术，其核心器件为太阳能电池。 ②光伏发电系统的构成 由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等组成。 2.光伏发电的前景 在我国的电源结构中，火电依然占据主导地位；而水电，作为常规能源中唯一的清洁能源，稳居第二位。风电发电量为9940.4亿千瓦时，占比9.88%;太阳能(光伏)发电则贡献了8390.4亿千瓦时，同比增长率高达43.6%占比达到8.32%。这一系列数据表明，在清洁能源日益受到重视的今天，光伏发电作为绿色、环保的能源选择，正逐渐成为我们生活中不可或缺的一部分，其应用领域也在不断扩展，为社会发展带来深远的变革。 【活动方案】 设计校园光伏发电项目方案，我们需要通过探究解决三个问题： ①影响太阳能电池输出功率的因素有哪些？ ②校园的地理、环境特征是怎样的？ ③学校的用电需求是多少？ 【实验】探究影响太阳能电池的输出功率的因素 　实验器材：太阳能电池板2片、卤素光源1个、 滑动变阻器1只、电压表1只、电流表1只、开关1只、挡光板1片、导线若干。 实验方案：我们可以在不同条件下，测量太阳能电池的电压和电流，计算太阳能电池的输出功率，进一步确定影响太阳能电池的输出功率的因素。V A 太阳能电池 光照 RP 实验过程： ①改变光照强度，测量太阳能电池的电压和电流； ②改变光源入射角度，测量太阳能电池的电压和电流； ③改变2片太阳能电池板的连接方式，测量太阳能电池的电压和电流。 实验结论： ①光照强度越大，太阳能电池的输出功率越大； ②当光源垂直入射时，太阳能电池的输出功率最大； ③串联连接时电流是并联连接时的一半，电压是并联连接时的2倍，两种连接方式的输出功率相同。 【活动实施】 ①测算学校屋顶光伏理论发电量及学校用电量 请各小组通过实地调查、网络查询和图书查阅，估算学校日常用电量，研究测算学校屋顶太阳能电池板的理论日发电量。 实际发电量估算方法可通过公式计算： 日发电量=组件标称功率×峰值日照小时数×系统效率（通常0.7-0.8） ②确定太阳能电池板安装方式 查阅电子地图，记录学校所在位置及当日太阳高度角，模拟并测算出太阳能电池板最佳方位角及当日太阳能电池板倾角度数。 位置选择：a. 屋顶（混凝土或彩钢瓦）是常见选择，需确保承重能力（如100平方米屋顶可安装15-20千瓦系统），并检查防水性。 b. 地面安装适用于大型系统，但需更多空间；墙面安装效率较低，不推荐。 c. 避免树木、建筑物遮挡，确保光照充足。 角度与方向设计：a.北半球朝南安装，南半球朝北，以最大化接收阳光。 b. 倾斜角度根据当地纬度调整:纬度0°-25°设为25°，纬度26°-40°增加5°-10°(如北纬30°地区建议40°-45°)。 ③撰写学校屋顶光伏发电项目方案 搜集本地区自然环境特征资料，分析实际发电量少于理论发电量的原因，分析影响学校发电量的有利条件和不利条件，思考如何提高太阳能电池板的发电量，撰写项目方案。 ④交流展示 举办报告会，尝试从能源结构、环境保护角度讨论能源利用对环境的影响，并与其他同学分享和交流自己设计的校园光伏发电项目方案。 【课堂练习】 1. （2012•仁寿县校级模拟）下列关于半导体的说法，正确的是（　　） A．常温下半导体的电阻为零 B．半导体广泛应用于各种电子设备 C．半导体就是超导体 D．任何情况下半导体都是不导电的 【答案】B 【详解】解：导电性能介于导体和绝缘体二者之间的是半导体，在特定条件下物体的电阻几乎为零的物体是超导体。半导体不是超导体。半导体主要应用于各种电子设备中。故A、C、D错误。 故选：B。 2．（2023秋•城厢区期末）库布其沙漠鄂尔多斯中北部新能源基地项目是在沙漠、戈壁、荒漠地区开发建设的全球大规模风电光伏基地项目，太阳电池组件是光伏发电系统的核心部分，它负责将_____能转化为电能，若要长距离输送电能，则需要较高的输出电压，太阳能光伏电池板要以_____（选填“串联”或“并联”）的方式连接。 【答案】太阳；串联 【详解】光伏发电使用的太阳能电池板是工作时将光能直接转化为电能； 需要较高的输出电压，太阳能光伏电池板要以串联的方式连接。 故答案为：太阳；串联。 3. （2024秋•市北区校级期中）如图所示的一种太阳能背包，包的前面有一个太阳能电池板，它可以给包里的蓄电池充电，蓄电池又可以给手机、小风扇等充电。下列说法错误的是（　　） A．太阳能电池板可以将太阳能转化为电能 B．太阳能电池板给蓄电池充电时，将电能转化为化学能 C．蓄电池给手机充电时，将内能转化为电能 D．小风扇工作时，将电能转化为机械能 【答案】C 【详解】解：A．太阳能电池板可以发电，将太阳能转化为电能，故A正确； B．太阳能电池板给蓄电池充电时，电能转化为电池的化学能储存起来，故B正确； C．蓄电池给手机充电时，将化学能转化为电能，故C错误； D．小风扇工作时，电机带动扇叶旋转，将电能转化为机械能，故D正确。 故选：C。 4．我国天宫空间站使用4对柔性三结砷化镓太阳能电池板来发电，它的技术非常先进，光电转换效率超30%。下列说法正确的是（　　） A．太阳能电池板所用材料三结砷化镓是超导体 B．太阳能电池板面积越大，发电效率越高 C．太阳能电池板工作的效率超30%，表明太阳能电池板把至少30%的太阳能转化为化学能 D．太阳能电池板工作的效率超30%，表明太阳能电池板把至少30%的太阳能转化为电能 【答案】 D 【详解】解：A、太阳能电池板所用材料三结砷化镓是半导体，故A错误； B、太阳能电池板面积越大，发电功率越大，故B错误； CD、太阳能电池板工作的效率超30%，表明太阳能电池板把至少30%的太阳能转化为电能，故C错误，D正确。 故选：D。 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 学科网（北京）股份有限公司 $