太陽能電池光伏特性研究

1、太陽能光伏電池特性實驗研究太陽能光伏電池的輸出具有非線性，這種非線性受到外部環(huán)境（包括日照強度、溫度等）以及本身技術(shù)指標(biāo)（如輸出阻抗）的影響，從而使得太陽能電池的輸出功率發(fā)生變化，其實際轉(zhuǎn)換效率受到一定限制。因此，對太陽能光伏電池輸出特性的研究成為了一個重要課題1。與跟蹤式太陽能光伏系統(tǒng)相比，固定式太陽能光伏系統(tǒng)有著結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點。太陽能光伏電池表面溫度將隨輻射能的增強而升高，在一定程度上影響了太陽能電板的輸出功率。本文主要對固定式單晶硅太陽能電池輸出功率等進行了實驗研究。1、理論分析理想的太陽能電池可以看做是一個產(chǎn)生光生電流Iph的恒流源與一個處于正向偏置的二極管并聯(lián)，如圖1所示。

2、如果負載RL短路了，電路只有光生電流Iph，光強越強，電子-空穴對的產(chǎn)生率越高，光生電流Iph越大，即短路電流Isc為： Isc=-Iph （1）II圖1 理想太陽能電池等效電路2如果負載RL不短路，那么P-N結(jié)內(nèi)流過的電流Id方向與光生電流方向相反，會抵消部分光生電流，使少數(shù)載流子注入和擴散。太陽能電池輸出的凈電流I是光生電流Iph和二極管電流Id之差，故太陽能電池的光伏I-V特性可表示為： éæqVöùI=Iph-Id=Iph-IOêexpç÷-1ú nkTèøûë（2）

3、 式中：Io反向飽和電流；n理想因子，由半導(dǎo)體材料和制造技術(shù)決定，n=12；V二極管電壓；k波爾茲曼常數(shù)；q電子電量；T二極管絕對溫度。當(dāng)電流I=0時，這意味著產(chǎn)生的光生電流Iph正好等于光電壓Voc產(chǎn)生的二極管電流Id，即Iph=Id。從式（2）可得出Voc為：VOCnkTéIphù=Inê+1ú qëI0û（3）I-V特性曲線是測量太陽能電池參數(shù)的常用曲線。電池的開路電壓Voc由I-V曲線與V軸的交點（I=0）給出。對于給定的光強、工作溫度和受光面積，太陽能電池的輸出特性受短路電流Isc和開路電壓Voc兩個主要參數(shù)的限制。光伏電池

4、輸出功率受多個因素的影響，尤其取決于照射到其表面的太陽輻射量。硅材料只能最大限度地吸收一定波長的太陽光輻射，太陽光中波長小于1.1m的光才具有足夠的能量產(chǎn)生電子-空穴對，大于1.1m的長波則轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊Ｓ墒剑?）和式（3）可知：在溫度恒定的情況下，短路電流隨光強線性增加，開路電壓隨光強呈對數(shù)增加，電池的理想效率隨光強的增加而增加3。2、實驗結(jié)果及分析 2.1伏安特性實驗實驗1在太陽輻射強度變化不大的條件下，選擇合適的傾角，從0到100逐漸改變負載電阻值，記錄負載兩端電壓及流過負載的電流。當(dāng)太陽輻射為938.8W×m-2，環(huán)境溫度為39.5時，實驗結(jié)果如圖2至圖5所示。電壓 / V電流

5、 /A圖3 電壓隨負載變化關(guān)系圖 負載 / 圖2 電流隨負載變化關(guān)系圖負載 / 圖5 太陽能電池伏安特性曲線 電壓 / V圖4功率隨負載變化關(guān)系圖負載 / 從圖2、圖3中可以看出，通過負載的電流隨著負載的增大而減小，負載兩端的電壓隨負載的增大而增大。負載在015之間變化時，隨著負載的增大，功率 / W功率 / W電流急劇減小，電壓急劇增大，負載在1145之間變化，電流和電壓變化比較緩慢，當(dāng)負載大于45時，電流逐漸趨近于0，電壓逐漸趨近開路電壓。從圖4中可以看出，太陽能電池的輸出功率隨負載的增大先增大再減小。負載在06之間變化時，輸出功率隨負載增大急劇升高，在負載為6左右時功率達到最大值39.7

6、6W，負載從6增大到40過程中，功率下降明顯，40時輸出功率為8.16W，已經(jīng)降至最大輸出功率的20%。圖5為太陽能電池的伏安特性曲線及功率隨電壓變化曲線，從圖中可以看出，當(dāng)電壓在0-14V之間變化時，電流變化不大，輸出功率隨著電壓的增大緩慢增大，電壓大于14V后繼續(xù)增大負載，電流迅速減小，且功率隨著電流的減小而減小，即電壓約為14V時輸出功率達到最大值，該點即為最大輸出功率點。2.2照度特性實驗實驗2測試不同環(huán)境溫度下太陽能電池的開路電壓Voc、短路電流Isc隨太陽輻射強度變化規(guī)律，分析不同環(huán)境溫度下太陽輻射對太陽能電池輸出功率的影響。實驗結(jié)果如圖6、圖7所示。短路電流 / A2 圖6短路電

7、流隨太陽輻射變化關(guān)系 太陽輻射 / W/m2圖7 開路電壓隨太陽輻射變化關(guān)系 太陽輻射 / W/m在圖6中將散點的實驗值進行擬合，即可得到電流與太陽輻射強度的擬合曲線。從圖中可以看出：不同環(huán)境溫度下短路電流都隨著太陽輻射的增大而增大，且呈現(xiàn)出線性關(guān)系。太陽輻射強度相同時，不同環(huán)境溫度下短路電流不同。從擬合的直線可以看出不同環(huán)境溫度對應(yīng)不同的斜率。在太陽輻射強度相同的條件下，環(huán)境溫度越高短路電流越大，太陽輻射越大這種差異越明顯。圖7為開路電壓隨太陽輻射變化關(guān)系，從圖中可以看出：太陽輻射強度在300W×m-2-900W×m-2之間變化時開路電壓在18V上下波動；太陽輻射強度小于

8、300W×m-2時開路電壓略有下降。相同太陽輻射強度下，與短路電流相反，環(huán)境溫度越高則開路電壓越低。理論上，開路電壓隨光強呈對數(shù)增加，弱光時開路電壓隨光照強度增加很快，但是強光時趨于飽和4。由于實驗條件限制，對于太陽輻射強度低于200W×m-2的開路電壓沒有做測量。3、結(jié)論本文以太陽能光伏發(fā)電為研究背景，采用理論分析和實驗測試相結(jié)合的研究方法，借助現(xiàn)代先進的測試技術(shù)，對太陽能單晶硅電池性能進行了分析與探討。本文的工作結(jié)論總結(jié)如下：1、太陽能電池的輸出功率隨負載的增大先增大再減小。負載在06之間變化時，輸出功率隨負載增大急劇升高，在負載約為6時功率達到最大值39.76W，負載

9、從6增大到40過程中，功率下降明顯，40時輸出功率為8.16W，已經(jīng)降至最大輸出功率的20%。根據(jù)實驗繪制的伏安特性曲線可以得到太陽能電池的最大功率點。2、太陽能光伏電池的輸出功率與太陽輻射強度有關(guān)。短路電流Isc隨太陽輻射強度的增大而線性增加，開路電壓Voc隨太陽輻射強度的增大呈對數(shù)增加，且弱光時開路電壓隨光照強度增加很快，強光（>300W×m-2）時趨于飽和。3、太陽能光伏電池的輸出功率與溫度有關(guān)。在太陽輻射強度一定的條件下，短路電流Isc隨著太陽能電池溫度的升高而增加，開路電壓Voc則隨溫度的升高而減小。因此，太陽能電池的安裝位置應(yīng)當(dāng)在沒有陰影遮蔽日照最多的地方，并且應(yīng)盡量保證電池上、下兩面的空氣流通以保持盡可能低的溫度。 1 張利, 光伏電池特性研究D. 華北電力大