基于半導(dǎo)體制冷片的太陽能電池溫度特性實(shí)驗(yàn)研究

穆瑞珍

摘要：在現(xiàn)有太陽能電池特性教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于半導(dǎo)體制冷片的太陽能電池溫度特性實(shí)驗(yàn)，拓展了太陽能電池的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相符，很好的驗(yàn)證了溫度對(duì)太陽池開路電壓、短路電流及其光照特性的影響。

關(guān)鍵詞：太陽能電池，開路電壓，短路電流，溫度特性

1、 引言

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是現(xiàn)階段最具前途的發(fā)電技術(shù)。太陽能電池作為光伏發(fā)電的電源裝置，其特性測試對(duì)提高其生產(chǎn)工藝水平和性能研究有重要的參考價(jià)值。然而太陽能電池發(fā)電的過程是個(gè)放熱過程，溫度的升高會(huì)降低硅半導(dǎo)體的禁帶寬度，使其伏安特性變差。隨著光伏電池溫度的升高，開路電壓明顯減小，而短路電流略有上升，太陽能電池轉(zhuǎn)換效率降低【1】。因此，溫度是影響太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一，要提高太陽能的發(fā)電效率，必然避不開對(duì)溫度特性的研究。

傳統(tǒng)太陽能電池特性測量的實(shí)驗(yàn)裝置，主要研究太陽能電池的光照特性、I-V特性和負(fù)載特性，無法對(duì)溫度特性進(jìn)行測量。本文研制了基于半導(dǎo)體制冷片的溫度控制裝置，并在此基礎(chǔ)上，測量不同溫度條件下太陽能電池光照特性、I-V特性等參數(shù)的變化情況。

2、 原理

2.1太陽能電池

太陽能電池的主要結(jié)構(gòu)是PN結(jié)，在沒有光照時(shí)其特性可視為一個(gè)二極管，由二極管特性，可得到二極管電流Id為：

（1）

式中：IS為反向飽和電流，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，q為電子電量，V為結(jié)電壓。

當(dāng)光照射在太陽能電池表面的PN結(jié)上時(shí)，只要入射光子的能量大于半導(dǎo)體材料的能隙，則光子被太陽能電池吸收而產(chǎn)生電子和空穴對(duì)。電子和空穴對(duì)會(huì)分別受到二極管之內(nèi)電場的影響而產(chǎn)生光電流。以恒定速率產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)提供了通過PN結(jié)的電流，如圖1所示，EC為半導(dǎo)體導(dǎo)電帶，EV為半導(dǎo)體價(jià)電帶。

太陽能電池輸出的凈電流I是其光生電流和二極管電流之差，如圖2所示，故光照條件下太陽能電池的伏安特性可表示為：

（2）

當(dāng)太陽能電池的輸出端短路時(shí)，即V=0，由（2）式可得到短路電流：ISC=Iph

當(dāng)太陽能電池的輸出端開路時(shí)，即I=0，意味著Iph=Id，由（2）式可得到開路電壓：

（3）

填充因子是太陽能電池的一個(gè)重要指標(biāo)，其定義為最大功率與開路電壓與短路電流

（4）

隨著溫度升高，太陽能電池的短路電流略微增加，而開路電壓和填充因子線性減小，導(dǎo)致輸出功率和轉(zhuǎn)換效率隨溫度升高而下降。

2.2半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法，它是利用“塞貝克”效應(yīng)的逆效應(yīng)-“帕爾帖”效應(yīng)的原理達(dá)到制冷目的。將兩種不同半導(dǎo)體材料組成兩個(gè)接點(diǎn)，形成閉合回路，如果兩接點(diǎn)的溫度不同時(shí)，就會(huì)在回路中產(chǎn)生一個(gè)電勢差，這種現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)，也稱為塞貝克效應(yīng)。反之，在兩種不同半導(dǎo)體組成的閉合回路中，若通以直流電，就會(huì)使一個(gè)接點(diǎn)變冷，一個(gè)接點(diǎn)變熱，從而形成溫差，這稱為“帕爾帖”效應(yīng)。因此，通過控制電流的方向和大小，可以實(shí)現(xiàn)制冷/加熱的目的。半導(dǎo)體制冷的優(yōu)點(diǎn)在于無制冷劑，無噪聲，不污染環(huán)境，體積小，重量輕，而且可電流反向加熱，非常方便地實(shí)現(xiàn)冷卻和加熱兩種目的。

3、 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由光源、太陽能電池板、制冷模塊和溫顯模塊等部分組成，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)采用3個(gè)制冷模塊，并分別在單個(gè)模塊工作、兩個(gè)模塊工作和三個(gè)模塊全部工作的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池板工作環(huán)境溫度的改變，并用溫度顯示模塊記錄高、中、低三個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)溫度。

3.1光源

為較好的模擬太陽光，白光光源選用碘鎢燈，其發(fā)光光譜跟太陽光的光譜較為接近；基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，太陽能電池板選用普通單晶硅太陽能電池，其受光面積為150*150mm。這里光源和電池板采用FB736A型太陽能電池特性研究實(shí)驗(yàn)儀里的配件，可直接使用。

3.2制冷模塊

半導(dǎo)體制冷器的基本元件是熱電偶對(duì)，在帕爾貼效應(yīng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)驗(yàn)選用半導(dǎo)體制冷片TEC1-12706作為制冷元件，該制冷片最大產(chǎn)冷功率為58W，最大工作電壓為15V，最大工作電流為5.8A，最大溫差為67℃。要達(dá)到較好的制冷效果，除選用合適的電壓電流外，熱端要有良好的散熱條件，冷端也要有良好的導(dǎo)冷條件。如圖4所示，這里散熱器采用純銅導(dǎo)熱管中加入制冷凝液，配合鋁合金散熱陣列，可更快傳遞熱量，提高制冷效率。

3.3溫度顯示模塊

溫度顯示模塊由數(shù)顯溫度控制器與溫度傳感器探頭組成，采用深圳興達(dá)恒業(yè)科技的XD-W2308數(shù)顯溫控器和NTC熱敏電阻溫度傳感器。該溫控器測量精度為±0.1℃，測溫范圍可達(dá)-55℃～120℃，刷新頻率0.2S，環(huán)境要求為-10℃～60℃，濕度要求20%～85%，可以滿足本實(shí)驗(yàn)使用。選擇熱敏電阻作為本實(shí)驗(yàn)的溫度傳感器是因?yàn)闊崦綦娮杈哂懈叻€(wěn)定性、小尺寸、靈敏和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，每攝氏度可以改變幾百歐姆，靈敏度比熱電偶來得高。

4、 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

4.1測量不同溫度下太陽能電池的光照特性：

把太陽能電池放在距離白光光源X0=20cm的水平距離接收到的光照強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度J0，然后改變太陽能電池到光源的距離Xi，根據(jù)光照強(qiáng)度和距離成反比的原理，計(jì)算出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相對(duì)光照強(qiáng)度J/J0=X0/Xi的數(shù)值，分別在單個(gè)制冷模塊工作、兩個(gè)制冷模塊工作和三個(gè)制冷模塊工作的情況下，測量不同溫度下太陽能電池的短路電流ISC和開路電壓UOC與相對(duì)光強(qiáng)的函數(shù)關(guān)系。

測量結(jié)果如圖5和圖6所示：隨著溫度升高，太陽能電池的短路電流增加，開路電壓減小。這是因?yàn)闇囟鹊纳呓档土瞬牧系慕麕挾?，使更多的光子激發(fā)電子躍遷，進(jìn)而產(chǎn)生更大的光生電流；另一方面，溫度的上升使太陽能電池的暗電流呈指數(shù)增大，而開路電壓隨著暗電流的增加而降低，所以開路電壓隨著溫度升高而減小，且開路電壓減小的程度要大于短路電流增加的程度。

4.2測量不同溫度下太陽能電池的I-V特性：

將太陽能電池作為電源與負(fù)載連成一個(gè)回路，在白光光源照射下，測量太陽能電池在不同負(fù)載電阻下，太陽能電池的輸出電流I對(duì)輸出電壓U的變化關(guān)系曲線。分別在單個(gè)制冷模塊工作、兩個(gè)制冷模塊工作和三個(gè)制冷模塊工作的情況下，三次測量太陽能電池的I-V特性，測量結(jié)果如圖7所示。同時(shí)可得到太陽能電池的最大輸出功率值及其對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻，如圖8所示。

5、結(jié)束語

溫度是影響太陽能電池效率的一個(gè)重要因素。本文設(shè)計(jì)了基于半導(dǎo)體制冷片的太陽能電池溫度特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的驗(yàn)證了溫度對(duì)太陽能電池光照特性的影響：溫度升高使得太陽能電池短路電流小幅升高，開路電壓明顯降低，光電轉(zhuǎn)換效率明顯下降。該實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生在完成傳統(tǒng)太陽能電池基本特性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，能更好的理解太陽能電池的溫度特性。

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