太阳能电池光伏特性研究概要

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太阳能光伏电池特性实验研究

太阳能光伏电池的输出具有非线性,这种非线性受到外部环境(包括日照强度、温度等)以及本身技术指标(如输出阻抗)的影响,从而使得太阳能电池的输出功率发生变化,其实际转换效率受到一定限制。因此,对太阳能光伏电池输出特性的研究成为了一个重要课题[1]。与跟踪式太阳能光伏系统相比,固定式太阳能光伏系统有着结构简单、成本低廉等优点。太阳能光伏电池表面温度将随辐射能的增强而升高,在一定程度上影响了太阳能电板的输出功率。本文主要对固定式单晶硅太阳能电池输出功率等进行了实验研究。

1、理论分析

理想的太阳能电池可以看做是一个产生光生电流Iph的恒流源与一个处于正向偏置的二极管并联,如图1所示。如果负载RL短路了,电路只有光生电流Iph,光强越强,电子-空穴对的产生率越高,光生电流Iph越大,即短路电流Isc为:(1)

II

图1 理想太阳能电池等效电路[2]

如果负载RL不短路,那么P-N结内流过的电流Id方向与光生电流方向相反,会抵消部分光生电流,使少数载流子注入和扩散。太阳能电池输出的净电流I是光生电流Iph和二极管电流Id之差,故太阳能电池的光伏I-V特性可表示为:

(2)式中:Io——反向饱和电流;n——理想因子,由半导体材料和制造技术决定,n=1~2;V——二极管电压;k——波尔兹曼常数;q——电子电量;T——二极管绝对温度。

当电流I=0时,这意味着产生的光生电流Iph正好等于光电压Voc产生的二极管电流Id,即Iph=Id。从式(2)可得出Voc为:

(3)

I-V特性曲线是测量太阳能电池参数的常用曲线。电池的开路电压Voc由I-V曲线与V轴的交点(I=0)给出。对于给定的光强、工作温度和受光面积,太阳能电池的输出特性受短路电流Isc和开路电压Voc两个主要参数的限制。

光伏电池输出功率受多个因素的影响,尤其取决于照射到其表面的太阳辐射量。硅材料只能最大限度地吸收一定波长的太阳光辐射,太阳光中波长小于1.1μm的光才具有足够的能量产生电子-空穴对,大于1.1μm的长波则转变为热量。由式(1)和式(3)可知:在温度恒定的情况下,短路电流随光强线性增加,开路电压随光强呈对数增加,电池的理想效率随光强的增加而增加[3]。

2、实验结果及分析 2.1伏安特性实验

实验1在太阳辐射强度变化不大的条件下,选择合适的倾角,从0Ω到100Ω逐渐改变负载电阻值,记录负载两端电压及流过负载的电流。当太阳辐射为

-2,环境温度为39.5℃时,实验结果如图2至图5所示。

电压 / V

电流 /A

图3 电压随负载变化关系图负载/ Ω

图2 电流随负载变化关系图负载/ Ω

图5 太阳能电池伏安特性曲线电压 / V

图4功率随负载变化关系图负载/ Ω

从图2、图3中可以看出,通过负载的电流随着负载的增大而减小,负载两端的电压随负载的增大而增大。负载在0~15Ω之间变化时,随着负载的增大,

功率 / W

功率 / W

电流急剧减小,电压急剧增大,负载在11Ω~45Ω之间变化,电流和电压变化比较缓慢,当负载大于45Ω时,电流逐渐趋近于0,电压逐渐趋近开路电压。

从图4中可以看出,太阳能电池的输出功率随负载的增大先增大再减小。负载在0~6Ω之间变化时,输出功率随负载增大急剧升高,在负载为6Ω左右时功率达到最大值39.76W,负载从6Ω增大到40Ω过程中,功率下降明显,40Ω时输出功率为8.16W,已经降至最大输出功率的20%。

图5为太阳能电池的伏安特性曲线及功率随电压变化曲线,从图中可以看出,当电压在0-14V之间变化时,电流变化不大,输出功率随着电压的增大缓慢增大,电压大于14V后继续增大负载,电流迅速减小,且功率随着电流的减小而减小,即电压约为14V时输出功率达到最大值,该点即为最大输出功率点。

2.2照度特性实验

实验2测试不同环境温度下太阳能电池的开路电压Voc、短路电流Isc随太阳辐射强度变化规律,分析不同环境温度下太阳辐射对太阳能电池输出功率的影响。实验结果如图6、图7所示。

短路电流 / A2 图6短路电流随太阳辐射变化关系太阳辐射 / W/m2

图7 开路电压随太阳辐射变化关系太阳辐射 / W/m

在图6中将散点的实验值进行拟合,即可得到电流与太阳辐射强度的拟合曲线。从图中可以看出:①不同环境温度下短路电流都随着太阳辐射的增大而增大,且呈现出线性关系。②太阳辐射强度相同时,不同环境温度下短路电流不同。从拟合的直线可以看出不同环境温度对应不同的斜率。③在太阳辐射强度相同的条件下,环境温度越高短路电流越大,太阳辐射越大这种差异越明显。

图7为开路电压随太阳辐射变化关系,从图中可以看出:①太阳辐射强度在-2--2之间变化时开路电压在18V上下波动;太阳辐射强度小于-2时开路电压略有下降。②相同太阳辐射强度下,与短路电流相反,环境温度越高则开路电压越低。理论上,开路电压随光强呈对数增加,弱光时开路电压随光照强度增加很快,但是强光时趋于饱和[4]。由于实验条件限制,对于太阳辐射强度低于-2的开路电压没有做测量。

3、结论

本文以太阳能光伏发电为研究背景,采用理论分析和实验测试相结合的研究方法,借助现代先进的测试技术,对太阳能单晶硅电池性能进行了分析与探讨。本文的工作结论总结如下:

1、太阳能电池的输出功率随负载的增大先增大再减小。负载在0~6Ω之间变化时,输出功率随负载增大急剧升高,在负载约为6Ω时功率达到最大值39.76W,负载从6Ω增大到40Ω过程中,功率下降明显,40Ω时输出功率为8.16W,已经降至最大输出功率的20%。根据实验绘制的伏安特性曲线可以得到太阳能电池的最大功率点。

2、太阳能光伏电池的输出功率与太阳辐射强度有关。短路电流Isc随太阳辐射强度的增大而线性增加,开路电压Voc随太阳辐射强度的增大呈对数增加,且弱光时开路电压随光照强度增加很快,强光(-2)时趋于饱和。

3、太阳能光伏电池的输出功率与温度有关。在太阳辐射强度一定的条件下,短路电流Isc随着太阳能电池温度的升高而增加,开路电压Voc则随温度的升高而减小。因此,太阳能电池的安装位置应当在没有阴影遮蔽日照最多的地方,并且应尽量保证电池上、下两面的空气流通以保持尽可能低的温度。 [1] 张利, 光伏电池特性研究[D]. 华北电力大学. 2008,5.

[2] 杨金换,于化丛,葛亮. 太阳能光伏发电应用技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.

[3] 刘荣.自然能供电技术[M]. 北京: 科学出版社,2000:56-61.

[4] 陈维, 户用光伏建筑一体化发电系统及太阳能半导体照明技术研究[D]. 中国科学技术

大学. 2006,4.

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