太陽(yáng)能光伏組件伏安特性實(shí)驗(yàn)研究

鄧永和，張景森，閻 金，王志剛

（湖南工程學(xué)院 理學(xué)院，湘潭411104）

太陽(yáng)能做為清潔能源相對(duì)于常規(guī)能源的有限性，具有儲(chǔ)量的“無(wú)限性”，為常規(guī)能源缺乏的國(guó)家和地區(qū)解決能源問(wèn)題提供了美好前景.在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，太陽(yáng)能利用不僅可能而且可行［1－2］.

上世紀(jì)50年代的第一塊實(shí)用硅太陽(yáng)電池的問(wèn)世，揭開(kāi)了光電技術(shù)的序幕，也揭開(kāi)了人類利用太陽(yáng)能的新篇章［3］.1998年，世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量已超過(guò)150MW，是1994年產(chǎn)量的兩倍還多.單晶硅太陽(yáng)電池的平均效率為15%，最高效率已達(dá)24.7%；多晶硅太陽(yáng)電池效率也達(dá)14%，最大效率為19.8%；非晶硅太陽(yáng)電池的穩(wěn)定效率，單結(jié)為6%～9%，實(shí)驗(yàn)室最高效率為12%，多結(jié)電池為8%～10%，實(shí)驗(yàn)室最高效率為11.83%［4－5］.

我國(guó)的光伏發(fā)電應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代，在20世紀(jì)末，我國(guó)太陽(yáng)能電池的研究和生產(chǎn)還處于基礎(chǔ)和小規(guī)模階段.在當(dāng)前國(guó)際國(guó)內(nèi)能源日趨緊張的形勢(shì)下，受西方發(fā)達(dá)國(guó)家大力推廣太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用并取得顯著成效的鼓舞［6－7］.我國(guó)在2005年3月正式頒布了《中華人民共和國(guó)可再生能源法》，并于2006年開(kāi)始實(shí)施.該政策的出臺(tái)，將促進(jìn)我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，使太陽(yáng)能光伏發(fā)電量上升到一個(gè)新的水平.當(dāng)前影響光電池大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙是制造成本太高［8］.因此，發(fā)展太陽(yáng)能電池的主要目標(biāo)是通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有的制造工藝，設(shè)計(jì)新的電池結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)新穎電池材料等降低制造成本，提高光電轉(zhuǎn)換效率.

1 試驗(yàn)方法

單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟.在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率可達(dá)到15%.在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位［9］，實(shí)驗(yàn)用太陽(yáng)能電池組件由深圳索陽(yáng)太陽(yáng)能電池有限公司生產(chǎn)提供的單晶硅太陽(yáng)能組件.實(shí)驗(yàn)測(cè)試電壓與電流輸出的測(cè)試儀器采用的是深圳市費(fèi)思泰克科技公司生產(chǎn)的FT8三位半的數(shù)字萬(wàn)用表，測(cè)試用匹配電阻箱是上海電表廠的ZX90，其它的連接導(dǎo)線是自制的銅質(zhì)導(dǎo)線.

在一定的光照和溫度條件下，改變太陽(yáng)能電池負(fù)載電阻的大小，測(cè)量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性.負(fù)載電阻為零時(shí)測(cè)得的最大電流ISC稱為短路電流，負(fù)載斷開(kāi)時(shí)測(cè)得的最大電壓VOC稱為開(kāi)路電壓，太陽(yáng)能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能組件的串聯(lián)與并聯(lián)，達(dá)到對(duì)電流、電壓的擴(kuò)展，研究不同組合太陽(yáng)能電池的性能.實(shí)驗(yàn)中采用伏安法測(cè)電壓電流，在一定的光照強(qiáng)度和溫度條件通過(guò)調(diào)節(jié)外聯(lián)負(fù)載的電阻大小，測(cè)試組件的電壓、電流數(shù)據(jù)，研究太陽(yáng)能電池的主要性能.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中綜合考慮了包括環(huán)境溫度、光照條件在內(nèi)的多個(gè)因素，通過(guò)多次測(cè)量并記錄各不同條件下太陽(yáng)能電池的輸出特性.每次測(cè)量前都在暗室內(nèi)進(jìn)行暗電流的測(cè)試，掌握一切微小因素，力求更精確地測(cè)出太陽(yáng)能電池組件伏安特性曲線.客觀地反映了實(shí)驗(yàn)測(cè)試的必要性和可行性.

在研究之前對(duì)5W單片光伏組件的電壓電流進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試的開(kāi)路電壓為20V，短路電流為0.25A，與廠家提供的數(shù)據(jù)一致.

圖1（a）測(cè)試了10片5W的太陽(yáng)能電池組件的伏安特性，在電流很小的開(kāi)路情況下，輸出電壓為20V，在輸出電流為2.4A時(shí)，輸出電壓呈直線下降到零.測(cè)試反映了實(shí)驗(yàn)用太陽(yáng)能組件具有優(yōu)異的性能.測(cè)試組件的功率與輸出電流的關(guān)系見(jiàn)圖1（b），分析發(fā)現(xiàn)輸出功率隨著輸出電流的的增大近似線性增大.圖1（b）測(cè)試在電流2.5A處功率接近最大，但沒(méi)有達(dá)到最大功率，可能與當(dāng)時(shí)太陽(yáng)的強(qiáng)度等實(shí)驗(yàn)因素有關(guān)系.

圖1 10片5W的太陽(yáng)能組件并聯(lián)的伏安特性曲線（a）及輸出功率與輸出電流的關(guān)系（b）

圖1的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中綜合考慮了包括環(huán)境溫度、光照條件在內(nèi)的多個(gè)因素，通過(guò)多次測(cè)量并記錄各不同條件下太陽(yáng)能電池的輸出特性.每次測(cè)量前都在暗室內(nèi)進(jìn)行暗電流的測(cè)試，力求更精確地測(cè)出太陽(yáng)能電池組件伏安特性曲線.

6片5W的太陽(yáng)能組件串聯(lián)的電壓電流特性的關(guān)系如圖2所示，經(jīng)分析特性曲線與理論值基本接近，總體伏安特性走勢(shì)與理論也相一致.隨著電壓的減小，不同規(guī)格的太陽(yáng)能電池組合中的電流都是增大到一定程度后，基本保持不變.隨著電流的增大，與圖1中6片5W串聯(lián)組合的電壓走勢(shì)稍微平緩些，不同規(guī)格的太陽(yáng)能電池組合與單片的太陽(yáng)能伏安特性曲線是一致的，可以認(rèn)為太陽(yáng)能電池組合對(duì)伏安特性曲線的影響很小.

圖2 6片8W太陽(yáng)能組件串聯(lián)的伏安特性曲線

從圖2可以看出，6片8W太陽(yáng)能組件串聯(lián)的伏安特性曲線達(dá)到電流飽和時(shí)的電壓為98.6V，小于理論的120V，可以認(rèn)為多片串聯(lián)后的輸出電壓有一定的降低，而輸出電流的變化并不明顯.并且內(nèi)阻大的達(dá)到飽和時(shí)電壓較小.在電壓一定的情況下，根據(jù)太陽(yáng)能電池組合的電流走勢(shì)關(guān)系，隨著外電路輸出電流不斷增大，電壓在一定范圍內(nèi)是保持不變的，之后才開(kāi)始減小的，最終達(dá)到零.當(dāng)飽和電流為0.20A，輸出電壓迅速降為零，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)10片5W串聯(lián)的短路電流減小了.分析得到在輸出電流不大的情況下，輸出電壓與所加負(fù)載無(wú)關(guān)，主要取決于光照強(qiáng)度.

不同規(guī)格的太陽(yáng)能電池組合飽和電流也是不一樣的.圖3中曲線A為5片5W的光伏組件并聯(lián)的伏安特性曲線，輸出最大電流為1.27A，曲線B為3片5W光伏組件并聯(lián)的伏安特性曲線，輸出最大電流為0.80A，曲線C為單片5W光伏組件的伏安特性曲線，輸出最大電流為0.25A，曲線B為10片5W光伏組件并聯(lián)的伏安特性曲線，輸出最大電流為2.5A.

圖3 不同規(guī)格太陽(yáng)能組件并聯(lián)組合的伏安特性曲線

分析圖3可以得到并聯(lián)之后的最大電流較單片的電流基本一致，但是稍微有些增大，測(cè)試發(fā)現(xiàn)輸出電流在輸出電壓小于10V以后幾乎沒(méi)有變化，這與圖2測(cè)試得到的結(jié)果一致.當(dāng)輸出電壓大于17.8V以后，輸出電流迅速減小，這和廠家提供的光伏組件的充電電壓為17.8V是一致的，能達(dá)到很好的充電性能.

研究發(fā)現(xiàn)在光照強(qiáng)度與溫度一定的情況下，太陽(yáng)能電池的飽和電流與其半導(dǎo)體材料的性質(zhì)有關(guān)，因此研究不同的半導(dǎo)體材料的太陽(yáng)能電池，提高飽和電流值，是能夠提高太陽(yáng)能電池匹配負(fù)載的能力，從而提高光伏板的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率.

研究了光伏組件組合后的輸出功率隨著輸出電壓的不斷增加，電池的輸出功率逐漸增大，達(dá)到最大輸出功率Pmax后急劇減小直到為0，根據(jù)輸出電壓與功率特性，光伏組件能再一定的程度上體現(xiàn)自保和對(duì)被充電電池的保護(hù).其變化情況與理論基本相一致，說(shuō)明輸出功率變化受到外界所加負(fù)載的影響，并且在負(fù)載一定的情況下，太陽(yáng)能電池能夠達(dá)到最大輸出功率.組合后在輸出電壓小于17.8V的情況下，輸出功率與輸出電壓成線性關(guān)系，最主要是因?yàn)樵谳敵鲭妷盒∮?7.8V的輸出電流幾乎不變保持為恒電流輸出.與圖1中10片串聯(lián)光伏太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線相符合.

在連接負(fù)載不同的情況下光伏電池的輸出電壓基本上能恒定不變，維持在12V左右，隨著電流的增大，輸出的功率導(dǎo)線性增加，當(dāng)電流達(dá)到最大值的時(shí)候，此時(shí)功率值最大，然而隨著電流繼續(xù)增加，在負(fù)載一定的情況下，功率卻逐漸減小.光伏太陽(yáng)能電池的輸出功率隨負(fù)載電阻的增加而變化.顯然當(dāng)光照強(qiáng)度與周圍環(huán)境溫度一定的情況下，太陽(yáng)能電池的輸出功率在負(fù)載電阻一定范圍內(nèi)增大而增大，但負(fù)載電阻超出一定值，輸出功率隨著負(fù)載電阻的繼續(xù)增大，輸出功率減小，反映了光伏組件具有一定的內(nèi)阻，當(dāng)負(fù)載與內(nèi)阻匹配時(shí)，輸出功率最大.在光伏組件工作時(shí)要合理的選擇負(fù)載，提高太陽(yáng)能電池的利用率.

3 結(jié) 論

通過(guò)研究光伏組件組合的伏安特性曲線，得到單片光伏組件的開(kāi)路電壓為20V，短路電流0.25A.實(shí)驗(yàn)測(cè)試了10片5W光伏組件的輸出伏安特性電壓和功率電流特性以及幾種規(guī)格光伏組件串聯(lián)與并聯(lián)的伏安特性以及輸出功率的性能，總結(jié)如下：

（1）電池組件并聯(lián)能提高輸出電流，輸出電流的提高基本與理論設(shè)計(jì)相同，輸出的伏安特性與單片的伏安特性基本一致，但是等效輸出電流較單片輸出電流要小，輸出功率在輸出電流較小的情況下與電流成線性關(guān)系.

（2）電池組件串聯(lián)后輸出的電壓提高，提高的電壓與理論相一致，輸出電流相對(duì)比較理想，輸出功率變化和并聯(lián)情況基本相同.

（3）光伏太陽(yáng)能組件的功率輸出特性反映了光伏組件很好的電源特性，并且具有保護(hù)性能.

研究結(jié)果顯示了光伏組件的為了達(dá)到一定的輸出電壓、電流及功率要求，可以對(duì)光伏組件進(jìn)行組合，組合對(duì)光伏組件的輸出性能幾乎沒(méi)有影響.

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