聚光條件下太陽電池的熱電特性分析

　　能源是人類面臨經濟發展和環境維護平衡時需要解決的zui根本zui重要的問題。能源儲存的有*問題促使人類去開發、尋找、應用新的替代能源。太陽能是一種極為豐富的清潔能源，地球每年接受的太陽能總量為l×1018kwh，相當于5×1014桶原油（是探明原油儲量的近干倍），是世界年耗總能量的一萬多倍。由于通常zui普遍的而且zui方便使用的是電能，太陽光伏發電技術能將太陽能直接轉換為電能，因而是zui有應用前景的太陽能利用方式。
　　
　　目前，太陽光伏發電在航天技術上已發揮了很大作用，成為航天器的重要電源，在地面上的應用也愈來愈廣泛。但光伏發電的成本太高，還無法與常規能源發電相競爭。因此降低光伏發電的成本，對于提高光伏發電的競爭力，促進光伏發電的推廣應用具有重要意義。通過改進電池制造工藝、采用新技術提高轉換效率，可以降低光伏發電的成本，但降低的步伐比較緩慢。采取聚光方法，可以使太陽電池工作在幾倍乃至幾百倍的光強條件下，從而可以大大降低光伏發電的成本，具有良好的應用前景。但目前聚光光伏發電技術還很不成熟，從而限制了這一技術的廣泛應用。
　　
　　本文建立了聚光光伏發電系統的數學模型，然后對不同聚光光伏發電系統方案的熱電特性進行了計算和分析，得到了太陽電池的串聯電阻和換熱系數對系統輸出性能的影響規律以及不同冷卻方式下太陽電池工作溫度隨光強的變化規律。
　　
　　1、數學物理模型的建立
　　
　　1.1太陽電池的電學特性方程
　　
　　如果在太陽電池兩端接上一個負載電阻RI，那么太陽電池在工作狀態下的等效電路如圖l所示。它相當于一個電流為J9h的恒流源與一只正向二極管并聯。流過二極管的正向電流在太陽電池中稱為暗電流Id。Rsh稱為旁路電阻.主要由下列幾種因素引起：如表面沾污而產生的沿著電池邊緣的表面漏電流;沿著位錯微觀裂縫、晶粒間界和晶體缺陷等形成的細小橋路而產生的漏電流。Rs稱為串聯電阻，系由擴散頂區的表面電阻、電池的體電阻和上下電極與太陽電池之間的歐姆電阻及金屬導體的電阻構成的。
　　
　　根據圖l所示的等效電路可知，流過負載的電流為：　　
　　由上述模型可以看出，太陽電他的輸出特性和工作溫度不可能通過分析解來得到，必須通過迭代和數值模擬的方法得到。計算方法是通過熱平衡方程得到太陽電他的工作溫度，然后通過太陽電他的電特性方程計算電他的伏安特性，得到太陽電他的峰值輸出功率、轉換效率等參數，然后再把新的轉換效率代入熱平衡方程進行新一輪計算，直到滿足計算精度為止。
　　
　　2、計算結果和分析
　　
　　本文以直徑為10cm的圓形單晶硅太陽電池為例，對不同串聯內阻和換熱系數下的太陽電池輸出特性和工作溫度進行了數值模擬，下面就計算結果進行詳細討論。
　　
　　2.1串聯內阻的影響
　　
　　由前面太陽電池的等效電路可以看出，串聯內阻會降低短路電流，降低負載兩端的電壓，引起電池轉換效率的下降。圖2和圖3分別為不同串聯內阻的太陽電池峰值功率和轉換效率隨光強的變化規律。從圖中可以看出，隨著光強的增加，串聯電阻的影響越來越顯著，串聯內阻越高，隨著光強的升高，其轉換效率下降的越快。　　
　　從圖2也可以看出，太陽電池的峰值功率隨光強的升高而首先直線上升，升高到一定程度后，曲線變得平緩。不同串聯內阻的太陽電池峰值功率變化曲線的拐點如表l所示。對于直徑為10cm的常規太陽電池，其串聯內阻一般在0.05—0.010之間。由表l可知，若采用聚光系統性能好（串聯內阻小）的常規太陽電池zui多可以在20倍光強下工作，能得到較好的效果，若再增加光強，收效很小，反而增加了成本。對于一般常規太陽電池可能只能在幾倍光強下得到較好的收益。若想使太陽電池工作在更高的光強下，必須采取措施，降低電池的串聯內阻，這樣勢必會增加大陽電池的成本，而且串聯電阻越小，其成本會越高，因此并不是光強越高越好，而是存在一個成本zui低的*光強。
　　
　　2.2換熱系數的影響
　　
　　太陽光照射到太陽電池上，一部分轉變為電，而大部分卻轉變為熱，使太陽電池溫度升高，從而影響太陽電池的性能。在同樣條件下，不同的冷卻方式和工況，太陽電池的工作溫度也不同，也就是電池的性能也不同。而冷卻方式和工況的不同主要表現為換熱系數的不同。圖4—圖6給出了換熱系數對系統性能的影響規律。從圖中可以看出，換熱系數越高，系統的性能越好，而且隨著光強的升高，換熱系數的影響越來越顯著。
　　
　　2.2換熱系數的影響
　　
　　太陽光照射到太陽電池上，一部分轉變為電，而大部分卻轉變為熱，使太陽電池溫度升高，從而影響太陽電池的性能。在同樣條件下，不同的冷卻方式和工況，太陽電池的工作溫度也不同，也就是電池的性能也不同。而冷卻方式和工況的不同主要表現為換熱系數的不同。圖4—圖6給出了換熱系數對系統性能的影響規律。從圖中可以看出，換熱系數越高，系統的性能越好，而且隨著光強的升高，換熱系數的影響越來越顯著。　　
　　空氣自然對流換熱系數的zui高值為10W/（m2·K），從圖中可以看出，在該換熱系數下時，在5個太陽下，太陽電池的溫度就超過了U2℃。因此對于采用空氣自然對流的聚光光伏發電系統，zui多可以工作在4個太陽下。水自然對流的換熱系數在200一1000W/（m2·K）之間，從圖中可以看出，當換熱系數為200W/（m2·K）時，在29個太陽下，太陽電他的溫度達到100℃;當換熱系數為1000W/（m2·K）時，在134個太陽下，太陽電他的溫度達到100℃。因此對于采用水自然對流冷卻的聚光發電系統來說，根據水流速的不同，可以工作在29一134個太陽下。若再進一步提高光強，就需要采用水的強制對流來實現。
　　
　　3、結論
　　
　　1）在特定的串聯內阻下，太陽電他的峰值功率首先隨光強的升高而直線升高，升高到一定程度后曲線曲線變得平緩。曲線的拐點隨串聯內阻的降低而升高。一般常規電池只能工作在幾個到20個太陽之間，能夠得到較好的收益。若想進一步提高光強，必須采用小串聯內阻的太陽電池。
　　
　　2）換熱系數越高，系統的性能越好，而且隨著光強的升高，換熱系數的影響越來越顯著。采用空氣自然對流的聚光光伏發電系統，zui多可以工作在29一134個太陽下。