不同遮蓋物下太陽電池的輸出特性研究

王 楨 王海祥

(金陵科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 江蘇 南京 211169)

現(xiàn)全球的能源短缺和環(huán)境污染已成為制約可持續(xù)發(fā)展的重要因素，發(fā)展清潔高效的可再生能源已成為燃眉之急.太陽能發(fā)電作為一種重要的能源轉(zhuǎn)換形式，以無污染、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)越來越被各國重視.而效率卻是制約其發(fā)展的重要問題之一.

有別于使用傳統(tǒng)燃料的發(fā)電，太陽電池的發(fā)電效率非常容易受到外界環(huán)境的干擾.近年來，有學(xué)者對太陽電池發(fā)電效率的影響因素進(jìn)行研究.文獻(xiàn)[1]提出蚌埠地區(qū)20 d的表面積塵會使光伏組件發(fā)電功率減少24%[1].文獻(xiàn)[2]提出廣州地區(qū)積塵會降低太陽電池表層玻璃對一定波長的光的透過率.文獻(xiàn)[3]提出灰塵對不同類型的太陽電池影響不同.文獻(xiàn)[4]提出霧霾天氣會在積灰的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低太陽電池的輸出.文獻(xiàn)[5]研究了不同波長的光對柔性太陽電池輸出的影響.文獻(xiàn)[6]研究了不同面積陰影的遮擋下光伏組件的功率損失.

為進(jìn)一步研究塵土、落葉、積雪這三者的遮蓋對太陽電池輸出的影響,筆者在南京地區(qū)分別進(jìn)行了多次戶外實(shí)驗(yàn)，記錄太陽電池開路電壓和短路電流的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)3種遮蓋物對太陽電池的短路電流輸出均有不同程度的削弱，對開路電壓的影響則不是很顯著.

1 研究所用設(shè)備

1.1 太陽電池

太陽電池的理想等效電路如圖1所示.

圖1 太陽電池理想等效電路

圖中，Rs為串聯(lián)電阻，Rsh為并聯(lián)電阻，兩者是太陽電池的內(nèi)阻，其存在消耗了電池能量，降低發(fā)電效率.

太陽電池的伏安曲線方程為

(1)

式(1)中，IL為光生電流，I0為二極管反向飽和電流，q為單位電荷量，n為二極管的理想系數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度.

令I(lǐng)=0，可以得到太陽電池的開路電壓方程為

(2)

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備由兩塊相同參數(shù)的多晶硅太陽電池、支架和測量設(shè)備組成.在進(jìn)行每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，確保各塊太陽電池處于同一位置并保持相同朝向和傾角，測量其開路電壓與短路電流.

圖2 多晶硅太陽電池

研究用太陽電池理論數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 研究用太陽電池理論數(shù)據(jù)(STC)

1.2 同型號太陽電池輸出差異度

即使是相同參數(shù)的太陽電池，由于生產(chǎn)工藝等多方面不可控因素，在同一環(huán)境下的輸出也不盡相同.因此為了確保后續(xù)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)和精確，實(shí)驗(yàn)前測量其同一環(huán)境下輸出的差異是必要的.測量數(shù)據(jù)如表2和表3所示.

表2 晴天下兩塊太陽電池的輸出差異度

表3 陰雨天兩塊太陽電池的輸出差異度

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)計(jì)算出，在輻照充足的晴天下，兩塊太陽電池的開路電壓輸出差異在0.535 V左右，差異較大.短路電流輸出差異在0.032 5 A左右，差異較小.開路電壓和短路電流的差異均比較穩(wěn)定.

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)計(jì)算出，在輻照低的陰雨天氣，兩塊太陽電池的開路電壓差異在0.341 25 V左右，短路電流差異在0.002 15 A左右，開路電壓存在一定的差異，短路電流差異較小.

2 研究過程及分析

筆者根據(jù)塵土、落葉、積雪這3種不同的遮蓋物分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.

2.1 塵土遮蓋下太陽電池輸出特性研究

實(shí)驗(yàn)研究前收集些許塵土，充分搗碎研磨，然后在一塊太陽電池上噴灑清水，將塵土隨機(jī)撒在電池表面，放置戶外曬干，收回后，充分抖動(dòng)該太陽電池，將結(jié)塊的塵土抖落.另一塊太陽電池保持表面潔凈.實(shí)驗(yàn)時(shí)，確保兩塊太陽電池處于同一位置，同一傾角和朝向，如圖3所示.

圖3 塵土遮蓋

研究記錄的數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 塵土遮蓋下太陽電池的輸出數(shù)據(jù)

塵土遮蓋在太陽電池表面，部分太陽光被塵土漫反射回空氣，同時(shí)在電池表面的塵土顆粒之間會存在一定的間隙，部分太陽光以不同角度從間隙進(jìn)入被太陽電池吸收.塵土的遮蓋減弱了太陽電池總體接收的太陽輻照能量.

經(jīng)計(jì)算，塵土遮蓋的太陽電池的輸出在開路電壓上比表面潔凈的太陽電池平均減少0.31%，在短路電流上平均減少9.7%，實(shí)驗(yàn)曲線對比結(jié)果如圖4所示，圖中實(shí)線對應(yīng)表面潔凈的太陽電池，虛線曲線對應(yīng)表面塵土覆蓋的太陽電池.

(a)開路電壓Uoc

可見，塵土遮蓋對太陽電池開路電壓輸出的影響并不明顯.對短路電流的影響很大，短路電流輸出降低了9.7%.

2.2 落葉遮蓋下太陽電池輸出特性研究

該研究探究不同數(shù)量的落葉遮蓋下太陽電池的輸出特性.

在一塊太陽電池上逐片增加樹葉，另一塊太陽電池保持表面潔凈，如圖5所示.

圖5 落葉遮蓋

每一次增加樹葉均測量多組數(shù)據(jù)，求均值后填入表中，數(shù)據(jù)如表5所示.

表5 落葉遮蓋下太陽電池的輸出數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)過程中，落葉受當(dāng)?shù)仫L(fēng)速的影響較大.

經(jīng)計(jì)算，隨著落葉數(shù)量的增加，被遮蓋的太陽電池的開路電壓輸出減少了0.1%～0.4%，短路電流輸出減少17.2%～27.6%.落葉遮蓋對太陽電池的開路電壓輸出影響甚微，對短路電流輸出能力的削弱程度會隨著電池表面落葉數(shù)增加而有一定程度的增加.

2.3 積雪遮蓋下太陽電池輸出特性研究

該研究探究積雪遮蓋對太陽電池輸出的影響.

如圖6所示,在下雪天氣將一塊太陽電池置于戶外，待其表面積累一定的積雪后，將另一塊表面潔凈的太陽電池放在同一位置，保持相同傾角和朝向，記錄數(shù)據(jù).

圖6 積雪遮蓋

研究記錄的數(shù)據(jù)如表6和表7所示.

表6 少量積雪覆蓋下太陽電池的輸出數(shù)據(jù)

表7 多量積雪覆蓋下太陽電池的輸出數(shù)據(jù)

根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，繪出少量積雪和多量積雪覆蓋下的輸出曲線圖，如圖7所示.

(a)開路電壓Uoc

隨著積雪的增多，太陽電池表層積雪的透光度逐漸降低，穿透太陽電池表層玻璃的光越來越少，加上表層積雪的反射和低輻照度環(huán)境，太陽電池的輸出大打折扣，短路電流輸出的削弱極為明顯.

經(jīng)計(jì)算，在少量積雪覆蓋下的太陽電池開路電壓輸出平均減少了0.38%，短路電流輸出平均減少13.92%.多量積雪覆蓋下的太陽電池開路電壓輸出平均減少了3.32%，短路電流輸出平均減少54.76%.

3 研究結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1)太陽電池在塵土、落葉、積雪的遮蓋下，開路電壓的變化不明顯.短路電流的變化很明顯，易于觀察，在不同遮蓋物下有不同程度的削弱.

(2)對于研究中所使用的太陽電池，塵土遮蓋使其開路電壓輸出減少0.31%，使其短路電流輸出減少9.7%.不同數(shù)量的落葉遮蓋使其開路電壓輸出減少0.1%～0.4%，使短路電流輸出減少17.2%～27.6%.不同量的積雪覆蓋使其開路電壓輸出減少0.38%～3.32%，使短路電流輸出減少13.92%～54.76%.

(3)鑒于不同遮蓋物下太陽電池開路電壓的變化均不明顯，可以得出在被遮蓋的情況下太陽電池輸出功率的變化主要來自于輸出電流的變化.

4 結(jié)束語

太陽電池作為一種清潔可再生能源，可利用自然資源，幾乎不受地域限制，具有無噪聲，無污染等諸多優(yōu)勢，然而也有他較其他發(fā)電形式的劣勢.通過研究和實(shí)驗(yàn)觀測，探討影響發(fā)電的因素和規(guī)律，從而在太陽能電站建設(shè)和維護(hù)中，采取必要可行的措施，以獲取更高的效率.