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1、第25卷第3期太阳能学报Vol125,No132004年6月ACTAENERGIAESOLARISSINICAJuly,2004文章编号:025420096(2004)0320337204聚光条件下太阳电池的热电特性分析1222吴玉庭,朱宏晔,任建勋,梁新刚(1.北京工业大学环境与能源工程学院,北京100022;2.清华大学工程力学系,传热强化与过程节能教育部重点实验室,北京100084)摘要:为了为进一步开发聚光光伏发电系统提供指导和依据,建立了聚光光伏发电系统的数学模型,然后对不同聚光光伏发电系统方案的热电特性进行
2、了计算,分析了串联内阻和换热系数对系统性能的影响。结果表明,在特定的串联内阻下,太阳电池的峰值功率首先随光强的升高而直线升高,升高到一定程度后曲线变得平缓。曲线的拐点随串联内阻的降低而升高。换热系数越高,系统的性能越好,而且随着光强的升高,换热系数的影响越来越显著。关键词:太阳电池;聚光;热电特征;串联内阻;换热系数中图分类号:TK51311文献标识码:A数对系统输出性能的影响规律以及不同冷却方式下0引言太阳电池工作温度随光强的变化规律。能源是人类面临经济发展和环境维护平衡时需1数学物理模型的建立要解决的最根本最重要的
3、问题。能源储存的有限量问题促使人类去开发、寻找、应用新的替代能源。111太阳电池的电学特性方程太阳能是一种极为丰富的清洁能源,地球每年接受如果在太阳电池两端接上一个负载电阻Rl,1814的太阳能总量为l×10kWh,相当于5×10桶原那么太阳电池在工作状态下的等效电路如图l所[5]油(是探明原油储量的近千倍),是世界年耗总能量示。它相当于一个电流为Iph的恒流源与一只正的一万多倍。由于通常最普遍的而且最方便使用的向二极管并联。流过二极管的正向电流在太阳电池是电能,太阳光伏发电技术能将太阳能直接转换为中称为暗电流Id。R
4、sh称为旁路电阻,主要由下列[1]电能,因而是最有应用前景的太阳能利用方式。几种因素引起:如表面沾污而产生的沿着电池边缘目前,太阳光伏发电在航天技术上已发挥了很的表面漏电流;沿着位错微观裂缝、晶粒间界和晶[2]大作用,成为航天器的重要电源,在地面上的体缺陷等形成的细小桥路而产生的漏电流。Rs称[3]应用也愈来愈广泛。但光伏发电的成本太高,为串联电阻,系由扩散顶区的表面电阻、电池的体还无法与常规能源发电相竞争。因此降低光伏发电电阻和上下电极与太阳电池之间的欧姆电阻及金属的成本,对于提高光伏发电的竞争力,促进光伏发导体的电
5、阻构成的。电的推广应用具有重要意义。通过改进电池制造工根据图1所示的等效电路可知,流过负载的电艺、采用新技术提高转换效率,可以降低光伏发电流为:的成本,但降低的步伐比较缓慢。采取聚光方法,可以使太阳电池工作在几倍乃至几百倍的光强条件下,从而可以大大降低光伏发电的成本,具有良好[4]的应用前景。但目前聚光光伏发电技术还很不成熟,从而限制了这一技术的广泛应用。本文建立了聚光光伏发电系统的数学模型,然后对不同聚光光伏发电系统方案的热电特性进行了图1太阳电池的等效电路计算和分析,得到了太阳电池的串联电阻和换热系Fig11Egu
6、ivalentcircuitofsolarcell收稿日期:2002211206太阳能学报33825卷I=Iph-Id-Ish(1)电特性方程计算电池的伏安特性,得到太阳电池的式中,Ish为流过太阳电池旁路电阻的电流,可通峰值输出功率、转换效率等参数,然后再把新的转过下式计算:换效率代入热平衡方程进行新一轮计算,直到满足V+IRs计算精度为止。Ish=(2)Rsh2计算结果和分析光生电流Iph是光强和温度的函数,即:Iph=c1SAc+c2(T-T0)(3)本文以直径为10cm的圆形单晶硅太阳电池为式中,c1,c2——
7、—分别是光强影响系数和温度影响例,对不同串联内阻和换热系数下的太阳电池输出系数;S———光强;AC———电池的面积;T———电特性和工作温度进行了数值模拟,下面就计算结果池的工作温度;T0———电池的参考温度,取为进行详细讨论。25℃。211串联内阻的影响通过二极管的暗电流Id是注入电流、复合电由前面太阳电池的等效电路可以看出,串联内流和隧道电流之和。一般情况下,可以忽略隧道电阻会降低短路电流,降低负载两端的电压,引起电流。这样暗电流Id为注入电流及复合电流之和,池转换效率的下降。图2和图3分别为不同串联内可用下式计算
8、:阻的太阳电池峰值功率和转换效率随光强的变化规q(V+IRS)律。从图中可以看出,随着光强的增加,串联电阻Id=I0(eAkT-1)(4)式中,A———pn结二极管曲线因子,可近似取为1;q———基本电荷常数;k———玻尔兹曼常数;T———电池的工作温度;I0———二极管反向饱和电流,可通过下式计算:IphI0=Vq(5)(oc)
