地面平板式太阳电池阵的输出特性与解析.pdf

收稿日期: 1997- 12- 22 地面平板式太阳电池阵的输出特性与解析 骆　进 (甘肃省科学院自然能源研究所　兰州　730000) 【摘　要】　用定性与定量结合的方法,分析了地面平板式太阳电池阵在不同的太阳辐 射强度条件下和被部分遮挡时的输出特性, 从光强系数 K 和光照系数M的概念出发, 导出了太阳电池阵在两种情况下的数学模型, 为地面平板式太阳电池阵的优化设计和 科学评价提供了理论根据。 【关键词】　太阳电池　等效电路　数学模型 【分类号】　T M 914. 4 自 1954年世界上第一个实用性太阳电池研制成功以来, 太阳电池在空间和地面的应用得 到快速的发展。事实证明, 太阳电池发电系统具有诱人的发展前景,研究太阳电池发电系统的 输出特性,优化其设计、降低其成本, 是人们感兴趣的课题。 1　太阳电池的直流数学模型 由固体物理理论可以得到太阳电池的直流等效电路如图 1,图中: I L 是光生电流,在太阳 · 图1 太阳电池的等效电路 N层 V P I层 RSS( K) I D L I D R SH 电池有效工作时可以近似地看成理想电流源; D 是太阳电池内部的理想半导体结; RSH是太阳电池 内部所有旁路漏电效应的等效电阻; 在较高的太 阳辐射条件下, RSH的影响可以忽略不计; 但在较 低光强下工作时, RSH的影响就往往不能忽略了。 RS 是太阳电池内部损耗的等效电阻, 它包括 半导体材料的体电阻,欧姆接触,以及扩散层电阻 等,它随着太阳电池工作时的各个参数(如光强、工作温度等)的变化而变化, 它的微小变化都 可能对太阳电池的光电转换效率产生较大的影响。 在太阳电池及其阵列的分析中, 常用如下的数学模型: I = I L - I D exp〔 e ( V + I RS ) K T - 1〕- V RSH ( 1) 式中: G I—太阳电池输出电流; 　I L—光生电流;　I D—太阳电池内部二极管反向饱和电 流; 　e—电子电荷, 1. 6×10- 19 C; 　K—玻尔兹曼常数, 1. 38×110- 23J/ K; 　T—绝对温 度, O ; 　V—太阳电池输出端电压, V。 第 10卷　第 4期 1998年 12月 　　　　　　　　　　　　　 甘肃科学学报 Journ al of Gansu Scien ces 　　　　　　　　　　　　　　 Vol. 10　 No. 4 Dec. 1998 可将( 1)式中 I D exp〔e ( V + I RS ) KT - 1〕在 T 恒定的条件下,简写成 I 0= f ( V + $V ) ,这说 明太阳电池内部二极管反向饱和电流在某一温度 T 时, I D是太阳电池输出端电压 V 与 I·RS 之和的函数。后述的公式中,都写成 I D ( V + △V )。于是式( 1)可写成: I = I L - I D ( V + △V ) - V R SH ( 2) 1. 1　太阳电池的并联 ·· I V a b a+ b 图2 两片相同太阳电池 并联的I- V曲线 两片相同的太阳电池并联的 I- V 曲线如图 2。相同的太阳电池 并联的 I - V 曲线基本重合,为了表示,图 2中a. b电池的 I- V 曲线 人为地分开, 后述中相同。 根据式( 2) ,并联太阳电池输出由下式确定: I ( V ) = 2×〔I L - I D ( V + I RS ) - GSH V〕 ( 3) 　　式中, I ( V )表示并联电池组的输出电流, I 是其输出端电压 V 的函数; GSH表示太阳电池内部的并联电导,单位 S。 然而, 研究太阳电池应用技术的人们更感兴趣的是太阳电池的 输入、输出特性,因而, 可以利用 1935年艾什比提出的“黑箱”( Black Box )的观点, 把太阳电池看成是两端开口的黑箱,一个端口吸收太 阳光能,另一个端口向外提供电流、电压和阻抗。 从黑箱观点出发, 可将( 3)式简化为: I ( V ) = 2× 〔I SC - I D ( V )〕　V ≥ 0　　I ( V ) = 2×〔I S C - VG( V )〕　V 0 ( 4) 　　式中: I S C是太阳电池的短路电流。当并联电池组输出端电压 V≥0时, 太阳电池内部二极 管 D 处于正向偏压, I D较大; 当V 0时,二极管处于反向偏压, I D 较小,太阳电池的漏电流主 要通过并联电导 GSH (并联电导是V 的函数)旁路。 推而广之,若 P 片相同太阳电池并联,那么并联电池组的输出由下式确定: I P( V ) = P〔I SC - I D ( V )〕　　　　V ≥ 0 I P ( V ) = P × 〔I SC - VG ( V )〕　　V 0 ( 5) 1. 2　在不同光强