於 平

(滁州城市职业学院,安徽 滁州 239000)

0 引 言

多年来,传统化石能源消耗量较大,可用能源有限,且受环境保护发展形势影响,太阳能电池成为世界关注焦点[1]。由于太阳能电池特性容易受多种因素影响,包括温度、光照强度等。其中,造成影响较大的是光照强度,在此因素影响下,太阳能电池的性能发生改变,输出功率、填充因子等参数数值发生变化,对应用效果造成一定影响[2-3]。目前,国内对太阳能电池性能影响的研究取得的成果较少,为了深入挖掘太阳能电池在光照强度因素影响下性能变化特征,本文采用实验分析法进行探究[4]。

1 太阳能电池特性研究

1)太阳能电池工作原理

太阳能内部结构中,N 型半导体和P 型半导体的连接处,电子沿着NP 方向转移,空穴逐渐扩大,P型半导体一端负电荷越来越多,N 端正电荷较多,所以电池内部形成电场。PN 结容易受光照影响,如果光子作用足够强大,则电池内部结构就会出现电子移动,受内部电场影响,电子和空穴的形成与上述情况相反,此时N 区聚集大量负电子,形成相反光电场。当入射光强度逐渐增加时,随之产生的电动势就会变大,将负载与电池连接,此时线路中就会形成电流[5-6]。如图1所示为太阳能电池工作原理。

图1 太阳能电池工作原理

2)入射光强度与电池作业参数之间的关系

(1)与电池开路电压参数的关系

电池连接电路中,如果断开装置两端的电压,则这个电压就是开路电压,记为U∞,也可以称作电池电动势。当电池处于无光照环境时,U∞=0。大量研究表明,除了装置制备材料会影响电池的性能以外,入射光强度也会对其性能造成较大影响,两者之间存在非线性正相关关系[7]。

(2)与电池短路电流参数的关系

电池负载回路中的电流为短路电流,记为ISC。在不更换电池的情况下,入射强度发生改变时,负载回路电流会随之发生改变,两者之间存在一定线性关系。之所以会出现此类情况,主要原因是光子数量在光强度增加条件下逐渐增加,大量的光子对空穴和电子造成的激发作用较大,在激烈的反应中,形成的短路电流变大[8]。

3)入射光强度不变环境下电池输出特性

选择可变电阻作为线路负载(记为R),将其连接至太阳能电池中。如果电池所在环境中入射光强度保持不变,当负载阻值发生改变时,除了路端电压(记为U)随之发生变化以外,线路中的电流(记为I)也会发生变化,记录电池输出电压和电流在不同负载电阻条件下的数值,并绘制成伏安特性曲线。 计算电池输出功率,标记最大值,记为Pmax,同时标记当前的电流和电压数值,分别记为Imp和Ump。根据这两项参数数值,可以计算出负载电阻,记为Rmp,该数值就是电池作业最佳负载电阻。

4)电池输出功率能力

关于电池输出功率能力的计算,利用填充因子或者功率曲线因子计算获取,以下为计算公式:

根据公式(1)中各项因子之间的关系可知,填充因子随着输出功率的增加而变大,在此条件下电池的性能会有所改善。一般情况下,填充因子能够达到80%。

2 实验设计

1)实验设备的配置

在小麦生长过程中，要注意对病虫害和草害的预防，主要通过在正确的时期适用正确的药物进行防治。以纹枯病为例，其防治的主要时期是在播前种子处理、秋苗感病期、早春病性上升期、病情加重期以及病情稳定期。控制方法包括在平常合理施肥，施用氮、磷、钾配套的复合肥，并在小麦种植前用25%的三唑酮粉剂按种子重量的0.03%（有效成份）或用2%立克锈（戊唑醇）按种子重量的0.1%的药量对种子进行拌种。除加强其抗病能力外，最主要的是因时种植。在发现纹枯病时，用三唑酮、井冈霉素、扑海因等在苗期和早春进行喷药救治，可以有效控制病害发生[3]。

实验选取的太阳能电池特性测试仪器型号为YJ-TYN-1,配合负载电阻箱、光源的使用,搭建实验环境,模拟不同光照强度环境,分别测量不同环境下电池特性。

2)实验方法

本次实验光强度的变化,采用转动电池摆放角度的方式实现,利用角度测定仪器,按照实验方案转动电池,使其达到指定位置,形成不同光强度照射条件。实验期间,实验结果可能受周围环境温度的影响,或者其它光源的影响,为了避免这些因素对实验结果造成一定影响,研究选择的室温变化不大的房间作为实验场地,没有开其它灯,并且背光。

(1)光照强度变化环境下电池短路电流与开路电压特性实验

按照电路布局方案连接装置,调节光源,保持光源不变,移动电池,使得电池与入射光呈不同角度,测量不同光照强度条件下的短路电流和开路电压。其中,电池与光源之间保持距离,不宜过近。另外,电池转动角度范围0～80°,角度间隔设定为10°。按照从小到大的顺序,调节电池转动角度,利用角度测量装置,根据角度调节要求,固定电池转动位置,而后测量相关数据。

(2)光照强度变化环境下电池填充因子、负载电阻、最大输出功率特性实验

第一步:电池转动角度为0,此时电池与光源正对,测量电池的短路电流,记为ISCi,同时记录对应的开路电压,记为U∞i。接下来调节负载电阻RI的阻值,从0增加至1400Ω,间隔大小为100Ω,测量不同阻值条件下的电池电流和电压数值。

第三步:以电池转动角度为0作为实验条件,计算不同负载电阻对应的电池输出功率,记录相关数据。其中,最大输出功率记为Pmax1,该数值对应的负载电阻为此条件下的最佳负载电阻,记为Rmp1,测量该阻值条件下的电池输出电压和电流,分别记为Ump1和Imp1。利用公式(1)计算,可以得到此条件下的填充因子数值。

第四步:按照第三步方法,分别计算不同电池转角条件下的填充因子。

3 实验结果分析

1)电池短路电流与开路电压特性实验结果

按照前文设计的实验方法分别测量各个光照条件下的开路电压数值,记为U,同时测量短路电流,记为I,结果如表1所示。

表1 不同太阳能电池转角的电池短路电流与开路电压测试结果

当电池转角逐渐增加时,电池短路电流与开路 电压数值逐渐减小。电池转动角度小于30°条件下,开路电压数值减小幅度不是很大,自电池转动角度超过30°后,开路电压数值减小幅度有所增加。而短路电流的减小幅度相对稳定,在5m A之内。

2)电池填充因子、负载电阻、最大输出功率特性实验结果

按照实验方案,调节线路中负载电阻RI阻值,分别记录0增加至1400Ω期间电池电流和电压数值,同时计算电池作业功率,结果如表2所示。

表2 θ=0°条件下负载改变结果

随着负载电阻阻值的增加,电池输出电压逐渐增加,输出电流逐渐减小。计算对应的输出功率数值发现,电池输出功率随着负载电阻的增加先增加而后减小。当电池转角为0,且负载电阻为600Ω情况下,电池输出功率达到最高,数值为0.401W。

按照实验方法,改变电池转角,计算每种光照强度条件下的电池最大功率数值,并记录相应的负载电阻阻值,计算填充因子,结果如表3所示。

表3 θ 变化条件下输出功率P 与负载电阻R 测试结果

当电池转角发生变化时,即光照强度变化时,电池最大输出功率数值随之发生改变。在转角增加过程中,最大输出功率数值逐渐减小,对应的负载电阻阻值逐渐增加,填充因子逐渐增加。当电池转角为80°时,最大输出功率仅有0.028,负载电阻为4830Ω ,填充因子为0.806。由此看来,光照强度决定了电池最大输出功率,当光照强度逐渐减弱时,太阳能电池能够为装置提供的作业功率就会下降。在此条件下,想要发挥电池供电作用,就需要增加线路中的负载电阻阻值,同时增加填充因子。在使用太阳能电池中,需要尽可能地减小电池与光照角度,以此提高电池输出功率。

4 结 语

以光照强度作为变量,测量不同条件下太阳能电池性能参数,通过数据计算分析,探究电池在不同光照强度下的性能特征。其中,光照强度的模拟,以调节电池转角方式得以实现。实验结果显示,光照强度决定了太阳能电池最大输出功率,两者之间存在正相关关系,

当光照强度逐渐减弱时,太阳能电池最大输出功率随之减小。因此,建议尽可能地减小电池与光照角度,使得电池输出功率得以增加。