太陽(yáng)能電池板加DC-DC前后負(fù)載功率隨負(fù)載電阻變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

王玉清

(1.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院；2.陜西省能源大數(shù)據(jù)智能處理省市共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 延安 716000)

太陽(yáng)能作為綠色能源，具有無(wú)噪音、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。由于太陽(yáng)能電池的輸出功率受負(fù)載、光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度等諸多因素的影響，有時(shí)不能保證各種負(fù)載獲得足夠的能量。因此，如何進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，如何充分利用太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換的能量，一直是光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的主要方向[1-11]。文獻(xiàn)[2-3]在串聯(lián)、并聯(lián)以及混聯(lián)方式下，用實(shí)驗(yàn)方法研究了電池板的特性，實(shí)際使用時(shí)，可根據(jù)需要選擇滿足要求的電池板連接方式。本文用實(shí)驗(yàn)方法研究相同電池板不同個(gè)數(shù)、不同連接方式構(gòu)成的不同電源，加DC-DC直流電壓變換電路前后負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻變化的規(guī)律，為更好地利用太陽(yáng)能提供參考和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所用儀器為成都世紀(jì)中科儀器有限公司研制的太陽(yáng)能電池特性實(shí)驗(yàn)儀，實(shí)驗(yàn)線路如圖1、圖2所示。

圖2中DC-DC為直流電壓變換電路，相當(dāng)于交流電路中的變壓器，當(dāng)電源電壓與負(fù)載電壓不匹配時(shí)，通過(guò)DC-DC調(diào)節(jié)負(fù)載端電壓，就可使負(fù)載正常工作。

圖1 太陽(yáng)能電池加DC-DC前負(fù)載獲得功率接線

圖2 太陽(yáng)能電池加DC-DC后負(fù)載獲得功率接線

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繁多，負(fù)載電阻R>120 Ω時(shí)的數(shù)據(jù)沒有在文中給出，負(fù)載電阻R≤120 Ω的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、表2、表3和表4所示。太陽(yáng)能電池板加DC-DC前負(fù)載獲得功率用P前表示，太陽(yáng)能電池板加DC-DC后負(fù)載獲得功率用P后表示。所有曲線均利用Origin軟件進(jìn)行繪制。

2.1 1個(gè)太陽(yáng)能電池板加DC-DC前后負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻變化的研究

為了形象、直觀地反映1個(gè)太陽(yáng)能電池板加DC-DC前后負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻變化的規(guī)律，利用表1數(shù)據(jù)作負(fù)載獲得功率P隨負(fù)載電阻R變化的曲線如圖3A所示，選取負(fù)載在300～5 000 Ω之間的有代表性數(shù)據(jù)作負(fù)載獲得功率P隨負(fù)載電阻R變化的曲線如圖3B所示。

表1 1個(gè)太陽(yáng)能電池板加DC-DC前后負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻變化的數(shù)據(jù)

圖3 1個(gè)太陽(yáng)能電池板加DC-DC前后負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻變化曲線

由圖3A可以看出，當(dāng)負(fù)載電阻R<55 Ω時(shí)，1個(gè)太陽(yáng)能電池板加DC-DC后，負(fù)載獲得功率明顯增大；當(dāng)負(fù)載電阻R≥55 Ω時(shí)，負(fù)載獲得功率明顯減小。由圖3B可以看出，隨著負(fù)載電阻繼續(xù)增大，開始時(shí)不加DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率大于加上DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率，但是，當(dāng)繼續(xù)增大負(fù)載電阻時(shí)，則加上DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率大于不加DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率。

2.2 2個(gè)太陽(yáng)能電池板串聯(lián)加DC-DC前后負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻變化的研究

根據(jù)表2數(shù)據(jù)作負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻R變化的曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，2個(gè)太陽(yáng)能電池板串聯(lián)加DC-DC后，當(dāng)負(fù)載電阻R<50 Ω時(shí)，負(fù)載獲得功率明顯增大，當(dāng)負(fù)載電阻R≥50 Ω時(shí)，負(fù)載獲得功率明顯減小。

表2 2個(gè)太陽(yáng)能電池板串聯(lián)加DC-DC前后負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻變化的數(shù)據(jù)

圖4 2個(gè)太陽(yáng)能電池板串聯(lián)加DC-DC前后 負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻變化曲線

隨著負(fù)載的繼續(xù)增大，在實(shí)驗(yàn)室條件許可范圍內(nèi)，加上DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率都小于不加DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率。

2.3 2個(gè)太陽(yáng)能電池板并聯(lián)加DC-DC前后負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻變化的研究

根據(jù)表3數(shù)據(jù)作負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻R變化的曲線如圖5A所示。

表3 2個(gè)太陽(yáng)能電池板并聯(lián)加DC-DC前后負(fù)載 獲得功率隨負(fù)載電阻變化的數(shù)據(jù)

圖5 2個(gè)太陽(yáng)能電池板并聯(lián)加DC-DC前后負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻變化曲線

由表3數(shù)據(jù)及圖5A可以看出，2個(gè)太陽(yáng)能電池板并聯(lián)加DC-DC后，當(dāng)負(fù)載電阻R<35 Ω時(shí)，負(fù)載獲得功率明顯增大，當(dāng)負(fù)載電阻R≥35 Ω時(shí)，負(fù)載獲得功率明顯減小。

選取負(fù)載在300～5000 Ω之間的有代表性的數(shù)據(jù)作負(fù)載獲得功率P隨負(fù)載電阻R變化的曲線如圖5B所示。由圖5B可以看出，隨著負(fù)載繼續(xù)增大，不加DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率大于加上DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率，可再繼續(xù)增大負(fù)載，則加上DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率大于不加DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率。

2.4 4個(gè)太陽(yáng)能電池板兩兩串聯(lián)再并聯(lián)加DC-DC前后負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻變化的研究

根據(jù)表4數(shù)據(jù)作負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻R變化的曲線如圖6所示。

表4 4個(gè)太陽(yáng)能電池板兩兩串聯(lián)再并聯(lián)加DC-DC前后負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻變化的數(shù)據(jù)

圖6 4個(gè)太陽(yáng)能電池板兩兩串聯(lián)再并聯(lián)加DC-DC前后負(fù)載獲得功率隨負(fù)載電阻變化曲線

由圖6可以看出，4個(gè)太陽(yáng)能電池板兩兩串聯(lián)再并聯(lián)加DC-DC后，當(dāng)負(fù)載電阻R<35 Ω時(shí)，負(fù)載獲得功率明顯增大，當(dāng)負(fù)載電阻R≥35 Ω時(shí)，負(fù)載獲得功率明顯減小。隨著負(fù)載的繼續(xù)增大，在我們實(shí)驗(yàn)室條件范圍內(nèi)，加上DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率都小于不加DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由以上4種情況的太陽(yáng)能電池板構(gòu)成的不同電源加DC-DC前后負(fù)載獲得功率的對(duì)比研究可知，負(fù)載獲得的功率不僅與太陽(yáng)能電池板的連接方式有關(guān)，而且與加不加DC-DC直流變換電路也有關(guān)。不論哪種電源情況，加DC-DC后，基本按照恒定功率輸出，負(fù)載電阻較小時(shí)(如2個(gè)太陽(yáng)能電池并聯(lián)時(shí)，R<35 Ω)獲得功率明顯增大。負(fù)載電阻較大時(shí)，對(duì)于2個(gè)電池板串聯(lián)、4個(gè)電池板兩兩串聯(lián)再并聯(lián)構(gòu)成的電源來(lái)說(shuō)，在我們實(shí)驗(yàn)室條件范圍內(nèi)，加上DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率都小于不加DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率；對(duì)于1個(gè)電池板、2個(gè)電池板并聯(lián)構(gòu)成的電源來(lái)說(shuō)，小電阻加上DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率大于不加DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率，隨著負(fù)載電阻的繼續(xù)增大，加上DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率小于不加DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率，可再繼續(xù)增大負(fù)載，則加上DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率大于不加DC-DC時(shí)負(fù)載獲得功率。這就要求我們?cè)趯?shí)際需求中，不僅要考慮太陽(yáng)能電池板不同連接方式時(shí)的輸出特性[2]，還需要根據(jù)負(fù)載電阻大小來(lái)選擇滿足要求的DC-DC連接方式，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，從而更好地利用太陽(yáng)能。

4 應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)以上所得結(jié)論，本文解決了文獻(xiàn)[3]中強(qiáng)調(diào)的一個(gè)問題，即由于小燈泡的內(nèi)阻較小(幾歐)，用1個(gè)太陽(yáng)能電池板或?qū)讉€(gè)電池板串聯(lián)，不管太陽(yáng)光怎樣照射，不可能使小燈泡亮起來(lái)。當(dāng)光照強(qiáng)度適中的情況下，僅用1個(gè)太陽(yáng)能電池板加DC-DC直流變換電路給小燈泡供電，小燈泡很容易亮起來(lái)。

根據(jù)圖1線路圖連接好線路，小燈泡為負(fù)載，測(cè)量小燈泡獲得功率；根據(jù)圖2線路圖連接好線路，測(cè)量小燈泡獲得功率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 加DC-DC前后測(cè)量小燈泡獲得功率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

未加DC-DC時(shí)，負(fù)載獲得的功率很小，為0.012 W，小燈泡不能正常工作，表現(xiàn)為燈不亮。加上DC-DC，并調(diào)節(jié)DC-DC旋鈕使輸出最大(即電壓、電流表讀數(shù)達(dá)到最大)，負(fù)載獲得的功率大大增加，為0.23 W，說(shuō)明太陽(yáng)能電池的輸出功率增加了，接近小燈泡正常工作狀態(tài)，表現(xiàn)為小燈泡變亮了。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用的實(shí)驗(yàn)方法得出的有關(guān)結(jié)論，可以應(yīng)用在某些場(chǎng)景中，同時(shí)為更好地利用太陽(yáng)能提供參考和借鑒。太陽(yáng)能電池板加DC-DC直流電壓變換電路前后負(fù)載功率隨負(fù)載電阻變化新的規(guī)律及物理機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。