光照強度變化環(huán)境下太陽能電池特性研究①

於 平

(滁州城市職業(yè)學院,安徽 滁州 239000)

0 引 言

多年來,傳統(tǒng)化石能源消耗量較大,可用能源有限,且受環(huán)境保護發(fā)展形勢影響,太陽能電池成為世界關(guān)注焦點[1]。由于太陽能電池特性容易受多種因素影響,包括溫度、光照強度等。其中,造成影響較大的是光照強度,在此因素影響下,太陽能電池的性能發(fā)生改變,輸出功率、填充因子等參數(shù)數(shù)值發(fā)生變化,對應(yīng)用效果造成一定影響[2-3]。目前,國內(nèi)對太陽能電池性能影響的研究取得的成果較少,為了深入挖掘太陽能電池在光照強度因素影響下性能變化特征,本文采用實驗分析法進行探究[4]。

1 太陽能電池特性研究

1)太陽能電池工作原理

太陽能內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,N 型半導體和P 型半導體的連接處,電子沿著NP 方向轉(zhuǎn)移,空穴逐漸擴大,P型半導體一端負電荷越來越多,N 端正電荷較多,所以電池內(nèi)部形成電場。PN 結(jié)容易受光照影響,如果光子作用足夠強大,則電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)電子移動,受內(nèi)部電場影響,電子和空穴的形成與上述情況相反,此時N 區(qū)聚集大量負電子,形成相反光電場。當入射光強度逐漸增加時,隨之產(chǎn)生的電動勢就會變大,將負載與電池連接,此時線路中就會形成電流[5-6]。如圖1所示為太陽能電池工作原理。

圖1 太陽能電池工作原理

2)入射光強度與電池作業(yè)參數(shù)之間的關(guān)系

(1)與電池開路電壓參數(shù)的關(guān)系

電池連接電路中,如果斷開裝置兩端的電壓,則這個電壓就是開路電壓,記為U∞,也可以稱作電池電動勢。當電池處于無光照環(huán)境時,U∞=0。大量研究表明,除了裝置制備材料會影響電池的性能以外,入射光強度也會對其性能造成較大影響,兩者之間存在非線性正相關(guān)關(guān)系[7]。

(2)與電池短路電流參數(shù)的關(guān)系

電池負載回路中的電流為短路電流,記為ISC。在不更換電池的情況下,入射強度發(fā)生改變時,負載回路電流會隨之發(fā)生改變,兩者之間存在一定線性關(guān)系。之所以會出現(xiàn)此類情況,主要原因是光子數(shù)量在光強度增加條件下逐漸增加,大量的光子對空穴和電子造成的激發(fā)作用較大,在激烈的反應(yīng)中,形成的短路電流變大[8]。

3)入射光強度不變環(huán)境下電池輸出特性

選擇可變電阻作為線路負載(記為R),將其連接至太陽能電池中。如果電池所在環(huán)境中入射光強度保持不變,當負載阻值發(fā)生改變時,除了路端電壓(記為U)隨之發(fā)生變化以外,線路中的電流(記為I)也會發(fā)生變化,記錄電池輸出電壓和電流在不同負載電阻條件下的數(shù)值,并繪制成伏安特性曲線。 計算電池輸出功率,標記最大值,記為Pmax,同時標記當前的電流和電壓數(shù)值,分別記為Imp和Ump。根據(jù)這兩項參數(shù)數(shù)值,可以計算出負載電阻,記為Rmp,該數(shù)值就是電池作業(yè)最佳負載電阻。

4)電池輸出功率能力

關(guān)于電池輸出功率能力的計算,利用填充因子或者功率曲線因子計算獲取,以下為計算公式:

根據(jù)公式(1)中各項因子之間的關(guān)系可知,填充因子隨著輸出功率的增加而變大,在此條件下電池的性能會有所改善。一般情況下,填充因子能夠達到80%。

2 實驗設(shè)計

1)實驗設(shè)備的配置

在小麥生長過程中，要注意對病蟲害和草害的預防，主要通過在正確的時期適用正確的藥物進行防治。以紋枯病為例，其防治的主要時期是在播前種子處理、秋苗感病期、早春病性上升期、病情加重期以及病情穩(wěn)定期?？刂品椒òㄔ谄匠：侠硎┓?，施用氮、磷、鉀配套的復合肥，并在小麥種植前用25%的三唑酮粉劑按種子重量的0.03%（有效成份）或用2%立克銹（戊唑醇）按種子重量的0.1%的藥量對種子進行拌種。除加強其抗病能力外，最主要的是因時種植。在發(fā)現(xiàn)紋枯病時，用三唑酮、井岡霉素、撲海因等在苗期和早春進行噴藥救治，可以有效控制病害發(fā)生[3]。

實驗選取的太陽能電池特性測試儀器型號為YJ-TYN-1,配合負載電阻箱、光源的使用,搭建實驗環(huán)境,模擬不同光照強度環(huán)境,分別測量不同環(huán)境下電池特性。

2)實驗方法

本次實驗光強度的變化,采用轉(zhuǎn)動電池擺放角度的方式實現(xiàn),利用角度測定儀器,按照實驗方案轉(zhuǎn)動電池,使其達到指定位置,形成不同光強度照射條件。實驗期間,實驗結(jié)果可能受周圍環(huán)境溫度的影響,或者其它光源的影響,為了避免這些因素對實驗結(jié)果造成一定影響,研究選擇的室溫變化不大的房間作為實驗場地,沒有開其它燈,并且背光。

(1)光照強度變化環(huán)境下電池短路電流與開路電壓特性實驗

按照電路布局方案連接裝置,調(diào)節(jié)光源,保持光源不變,移動電池,使得電池與入射光呈不同角度,測量不同光照強度條件下的短路電流和開路電壓。其中,電池與光源之間保持距離,不宜過近。另外,電池轉(zhuǎn)動角度范圍0～80°,角度間隔設(shè)定為10°。按照從小到大的順序,調(diào)節(jié)電池轉(zhuǎn)動角度,利用角度測量裝置,根據(jù)角度調(diào)節(jié)要求,固定電池轉(zhuǎn)動位置,而后測量相關(guān)數(shù)據(jù)。

(2)光照強度變化環(huán)境下電池填充因子、負載電阻、最大輸出功率特性實驗

第一步:電池轉(zhuǎn)動角度為0,此時電池與光源正對,測量電池的短路電流,記為ISCi,同時記錄對應(yīng)的開路電壓,記為U∞i。接下來調(diào)節(jié)負載電阻RI的阻值,從0增加至1400Ω,間隔大小為100Ω,測量不同阻值條件下的電池電流和電壓數(shù)值。

第三步:以電池轉(zhuǎn)動角度為0作為實驗條件,計算不同負載電阻對應(yīng)的電池輸出功率,記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。其中,最大輸出功率記為Pmax1,該數(shù)值對應(yīng)的負載電阻為此條件下的最佳負載電阻,記為Rmp1,測量該阻值條件下的電池輸出電壓和電流,分別記為Ump1和Imp1。利用公式(1)計算,可以得到此條件下的填充因子數(shù)值。

第四步:按照第三步方法,分別計算不同電池轉(zhuǎn)角條件下的填充因子。

3 實驗結(jié)果分析

1)電池短路電流與開路電壓特性實驗結(jié)果

按照前文設(shè)計的實驗方法分別測量各個光照條件下的開路電壓數(shù)值,記為U,同時測量短路電流,記為I,結(jié)果如表1所示。

表1 不同太陽能電池轉(zhuǎn)角的電池短路電流與開路電壓測試結(jié)果

當電池轉(zhuǎn)角逐漸增加時,電池短路電流與開路 電壓數(shù)值逐漸減小。電池轉(zhuǎn)動角度小于30°條件下,開路電壓數(shù)值減小幅度不是很大,自電池轉(zhuǎn)動角度超過30°后,開路電壓數(shù)值減小幅度有所增加。而短路電流的減小幅度相對穩(wěn)定,在5m A之內(nèi)。

2)電池填充因子、負載電阻、最大輸出功率特性實驗結(jié)果

按照實驗方案,調(diào)節(jié)線路中負載電阻RI阻值,分別記錄0增加至1400Ω期間電池電流和電壓數(shù)值,同時計算電池作業(yè)功率,結(jié)果如表2所示。

表2 θ=0°條件下負載改變結(jié)果

隨著負載電阻阻值的增加,電池輸出電壓逐漸增加,輸出電流逐漸減小。計算對應(yīng)的輸出功率數(shù)值發(fā)現(xiàn),電池輸出功率隨著負載電阻的增加先增加而后減小。當電池轉(zhuǎn)角為0,且負載電阻為600Ω情況下,電池輸出功率達到最高,數(shù)值為0.401W。

按照實驗方法,改變電池轉(zhuǎn)角,計算每種光照強度條件下的電池最大功率數(shù)值,并記錄相應(yīng)的負載電阻阻值,計算填充因子,結(jié)果如表3所示。

表3 θ 變化條件下輸出功率P 與負載電阻R 測試結(jié)果

當電池轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時,即光照強度變化時,電池最大輸出功率數(shù)值隨之發(fā)生改變。在轉(zhuǎn)角增加過程中,最大輸出功率數(shù)值逐漸減小,對應(yīng)的負載電阻阻值逐漸增加,填充因子逐漸增加。當電池轉(zhuǎn)角為80°時,最大輸出功率僅有0.028,負載電阻為4830Ω ,填充因子為0.806。由此看來,光照強度決定了電池最大輸出功率,當光照強度逐漸減弱時,太陽能電池能夠為裝置提供的作業(yè)功率就會下降。在此條件下,想要發(fā)揮電池供電作用,就需要增加線路中的負載電阻阻值,同時增加填充因子。在使用太陽能電池中,需要盡可能地減小電池與光照角度,以此提高電池輸出功率。

4 結(jié) 語

以光照強度作為變量,測量不同條件下太陽能電池性能參數(shù),通過數(shù)據(jù)計算分析,探究電池在不同光照強度下的性能特征。其中,光照強度的模擬,以調(diào)節(jié)電池轉(zhuǎn)角方式得以實現(xiàn)。實驗結(jié)果顯示,光照強度決定了太陽能電池最大輸出功率,兩者之間存在正相關(guān)關(guān)系,

當光照強度逐漸減弱時,太陽能電池最大輸出功率隨之減小。因此,建議盡可能地減小電池與光照角度,使得電池輸出功率得以增加。