聚光條件下太陽(yáng)電池的熱電特性分析

0 引 言

能源是人類面臨經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境維護(hù)平衡時(shí)需要解決的最根本最重要的問(wèn)題。能源儲(chǔ)存的有限量問(wèn)題促使人類去開發(fā)、尋找、應(yīng)用新的替代能源。太陽(yáng)能是一種極為豐富的清潔能源，地球每年接受的太陽(yáng)能總量為l×1018kwh，相當(dāng)于5×1014桶原油(是探明原油儲(chǔ)量的近干倍)，是世界年耗總能量的一萬(wàn)多倍。由于通常最普遍的而且最方便使用的是電能，太陽(yáng)光伏發(fā)電技術(shù)能將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，因而是最有應(yīng)用前景的太陽(yáng)能利用方式。

目前，太陽(yáng)光伏發(fā)電在航天技術(shù)上已發(fā)揮了很大作用，成為航天器的重要電源，在地面上的應(yīng)用也愈來(lái)愈廣泛。但光伏發(fā)電的成本太高，還無(wú)法與常規(guī)能源發(fā)電相競(jìng)爭(zhēng)。因此降低光伏發(fā)電的成本，對(duì)于提高光伏發(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)光伏發(fā)電的推廣應(yīng)用具有重要意義。通過(guò)改進(jìn)電池制造工藝、采用新技術(shù)提高轉(zhuǎn)換效率，可以降低光伏發(fā)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(yáng)電池工作在幾倍乃至幾百倍的光強(qiáng)條件下，從而可以大大降低光伏發(fā)電的成本，具有良好的應(yīng)用前景。但目前聚光光伏發(fā)電技術(shù)還很不成熟，從而限制了這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

本文建立了聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)不同聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)方案的熱電特性進(jìn)行了計(jì)算和分析，得到了太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻和換熱系數(shù)對(duì)系統(tǒng)輸出性能的影響規(guī)律以及不同冷卻方式下太陽(yáng)電池工作溫度隨光強(qiáng)的變化規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)物理模型的建立

1.1 太陽(yáng)電池的電學(xué)特性方程

如果在太陽(yáng)電池兩端接上一個(gè)負(fù)載電阻RI，那么太陽(yáng)電池在工作狀態(tài)下的等效電路如圖l所示。它相當(dāng)于一個(gè)電流為J9h的恒流源與一只正向二極管并聯(lián)。流過(guò)二極管的正向電流在太陽(yáng)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(chǎn)生的沿著電池邊緣的表面漏電流;沿著位錯(cuò)微觀裂縫、晶粒間界和晶體缺陷等形成的細(xì)小橋路而產(chǎn)生的漏電流。Rs稱為串聯(lián)電阻，系由擴(kuò)散頂區(qū)的表面電阻、電池的體電阻和上下電極與太陽(yáng)電池之間的歐姆電阻及金屬導(dǎo)體的電阻構(gòu)成的。

根據(jù)圖l所示的等效電路可知，流過(guò)負(fù)載的電流為：

由上述模型可以看出，太陽(yáng)電他的輸出特性和工作溫度不可能通過(guò)分析解來(lái)得到，必須通過(guò)迭代和數(shù)值模擬的方法得到。計(jì)算方法是通過(guò)熱平衡方程得到太陽(yáng)電他的工作溫度，然后通過(guò)太陽(yáng)電他的電特性方程計(jì)算電他的伏安特性，得到太陽(yáng)電他的峰值輸出功率、轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)，然后再把新的轉(zhuǎn)換效率代入熱平衡方程進(jìn)行新一輪計(jì)算，直到滿足計(jì)算精度為止。

2 計(jì)算結(jié)果和分析

本文以直徑為10cm的圓形單晶硅太陽(yáng)電池為例，對(duì)不同串聯(lián)內(nèi)阻和換熱系數(shù)下的太陽(yáng)電池輸出特性和工作溫度進(jìn)行了數(shù)值模擬，下面就計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)討論。

2.1 串聯(lián)內(nèi)阻的影響

由前面太陽(yáng)電池的等效電路可以看出，串聯(lián)內(nèi)阻會(huì)降低短路電流，降低負(fù)載兩端的電壓，引起電池轉(zhuǎn)換效率的下降。圖2和圖3分別為不同串聯(lián)內(nèi)阻的太陽(yáng)電池峰值功率和轉(zhuǎn)換效率隨光強(qiáng)的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著光強(qiáng)的增加，串聯(lián)電阻的影響越來(lái)越顯著，串聯(lián)內(nèi)阻越高，隨著光強(qiáng)的升高，其轉(zhuǎn)換效率下降的越快。

從圖2也可以看出，太陽(yáng)電池的峰值功率隨光強(qiáng)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(lián)內(nèi)阻的太陽(yáng)電池峰值功率變化曲線的拐點(diǎn)如表l所示。對(duì)于直徑為10cm的常規(guī)太陽(yáng)電池，其串聯(lián)內(nèi)阻一般在0.05—0.010之間。由表l可知，若采用聚光系統(tǒng)性能好(串聯(lián)內(nèi)阻小)的常規(guī)太陽(yáng)電池最多可以在20倍光強(qiáng)下工作，能得到較好的效果，若再增加光強(qiáng)，收效很小，反而增加了成本。對(duì)于一般常規(guī)太陽(yáng)電池可能只能在幾倍光強(qiáng)下得到較好的收益。若想使太陽(yáng)電池工作在更高的光強(qiáng)下，必須采取措施，降低電池的串聯(lián)內(nèi)阻，這樣勢(shì)必會(huì)增加大陽(yáng)電池的成本，而且串聯(lián)電阻越小，其成本會(huì)越高，因此并不是光強(qiáng)越高越好，而是存在一個(gè)成本最低的最佳光強(qiáng)。

2.2 換熱系數(shù)的影響

太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)電池上，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡?，而大部分卻轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，使太?yáng)電池溫度升高，從而影響太陽(yáng)電池的性能。在同樣條件下，不同的冷卻方式和工況，太陽(yáng)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(xiàn)為換熱系數(shù)的不同。圖4—圖6給出了換熱系數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。從圖中可以看出，換熱系數(shù)越高，系統(tǒng)的性能越好，而且隨著光強(qiáng)的升高，換熱系數(shù)的影響越來(lái)越顯著。

2.2 換熱系數(shù)的影響

太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)電池上，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡?，而大部分卻轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔固?yáng)電池溫度升高，從而影響太陽(yáng)電池的性能。在同樣條件下，不同的冷卻方式和工況，太陽(yáng)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(xiàn)為換熱系數(shù)的不同。圖4—圖6給出了換熱系數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。從圖中可以看出，換熱系數(shù)越高，系統(tǒng)的性能越好，而且隨著光強(qiáng)的升高，換熱系數(shù)的影響越來(lái)越顯著。

空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)的最高值為10W/(m2·K)，從圖中可以看出，在該換熱系數(shù)下時(shí)，在5個(gè)太陽(yáng)下，太陽(yáng)電池的溫度就超過(guò)了U2℃。因此對(duì)于采用空氣自然對(duì)流的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)，最多可以工作在4個(gè)太陽(yáng)下。水自然對(duì)流的換熱系數(shù)在200一1000W/(m2·K)之間，從圖中可以看出，當(dāng)換熱系數(shù)為200W/(m2·K)時(shí)，在29個(gè)太陽(yáng)下，太陽(yáng)電他的溫度達(dá)到100℃;當(dāng)換熱系數(shù)為1000W/(m2·K)時(shí)，在134個(gè)太陽(yáng)下，太陽(yáng)電他的溫度達(dá)到100℃。因此對(duì)于采用水自然對(duì)流冷卻的聚光發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，根據(jù)水流速的不同，可以工作在29一134個(gè)太陽(yáng)下。若再進(jìn)一步提高光強(qiáng)，就需要采用水的強(qiáng)制對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)。