太陽(yáng)電池?zé)岚攥F(xiàn)象的研究

0 引言

隨著社會(huì)對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，“能源安全危機(jī)”的問(wèn)題也愈發(fā)突顯。對(duì)此，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)學(xué)家舍爾赫爾曼曾提出“陽(yáng)光型世界經(jīng)濟(jì)”的概念，指出利用陽(yáng)光型能源和陽(yáng)光型原材料即可再生能源來(lái)滿足人類對(duì)能源和原材料的總體需求，可為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供一個(gè)可持續(xù)增長(zhǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略和出路。因此，開發(fā)利用可再生能源、實(shí)現(xiàn)能源工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的任務(wù)更加迫切，更具深遠(yuǎn)的意義。

太陽(yáng)輻射能具有取之不盡、用之不竭、無(wú)污染、廉價(jià)、能夠自由利用等特點(diǎn)，引起了人們對(duì)研究太陽(yáng)電池的濃厚興趣。太陽(yáng)電池具有質(zhì)量輕、使用安全、不污染環(huán)境、工作時(shí)不產(chǎn)生熱量等優(yōu)點(diǎn)，是一種電壓穩(wěn)定性良好的純直流電源。近年來(lái)，太陽(yáng)電池應(yīng)用于太陽(yáng)光發(fā)電的技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，很可能成為人類未來(lái)主要電力來(lái)源之一。因此，太陽(yáng)電池的研究有極其重要的意義。

隨著太陽(yáng)電池的廣泛應(yīng)用，一些影響電池壽命的不利因素也出現(xiàn)在我們面前。熱斑就是其中之一。

1 熱斑的成因

太陽(yáng)電池?zé)岚呤侵柑?yáng)電池組件在陽(yáng)光照射下，由于部分組件受到遮擋無(wú)法工作，使得被遮蓋的部分升溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未被遮蓋部分，致使溫度過(guò)高出現(xiàn)燒壞的暗斑，如圖1所示。熱斑可能導(dǎo)致整個(gè)電池組件損壞，造成損失。因此，需要研究造成熱斑的內(nèi)在原因，從而減小熱斑形成的可能性。太陽(yáng)電池?zé)岚叩男纬芍饕蓛蓚€(gè)內(nèi)在因素構(gòu)成，分別與內(nèi)阻和太陽(yáng)電池自身暗電流大小有關(guān)。

通常簡(jiǎn)化假定其溫度取決于下列幾個(gè)主要因素：日照強(qiáng)度L、環(huán)境溫度T，以及內(nèi)阻產(chǎn)生的溫升Ti，組件溫度(陣列溫度)T可近似地按下式計(jì)算：


式中：死為L(zhǎng)=0，Ts=0，Ti=0時(shí)陣列的溫度；
To、a1、a2為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按最小二乘法處理
后所得的系數(shù)，與所使用的太陽(yáng)電池的類
型、安裝地點(diǎn)、支架形式等因素都有關(guān)系。
由式(1)可見，當(dāng)光伏陣列中太陽(yáng)電池被云、樹葉或其它物體遮擋時(shí)，由于光照的變化，其溫度將明顯不同于陣列中那些未被遮擋的部分。同樣，當(dāng)光伏電池處于開路、短路或典型負(fù)載等不同工作狀態(tài)時(shí)，由于流過(guò)的電流和內(nèi)阻均有變化，其溫度亦有所不同。當(dāng)太陽(yáng)電池組件中部分電池?fù)p壞時(shí)，其溫度差異將更加明顯。

2 熱斑與暗電流的關(guān)系

由于一個(gè)太陽(yáng)電池組件一般包含36或72塊太陽(yáng)電池硅片，不同的硅片的暗電流是不一樣的，由圖2所示太陽(yáng)電池簡(jiǎn)略示意圖可分析如下。

在短路情況下，當(dāng)太陽(yáng)電池組件其中某個(gè)硅片被遮擋時(shí)，它就不再正常工作，發(fā)揮太陽(yáng)電池的作用，而是相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻，此時(shí)由其他太陽(yáng)電池組件進(jìn)行供電，由


可知，此硅片生熱主要取決于電流I的大小，而


式中：I為逆電流；
Id為暗電流；
Ish為流過(guò)并聯(lián)電阻的電流)對(duì)于不同的太陽(yáng)
電池硅片來(lái)說(shuō)，每一塊太陽(yáng)電池硅片的暗電流是不一樣的。
因此由式(2)我們可以得出結(jié)論，逆電流較大的太陽(yáng)電池硅片，在外界環(huán)境相同的條件下，其產(chǎn)生熱斑的可能性較大。

3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證遮擋造成的溫度變化，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試來(lái)加以驗(yàn)證。如圖3(a)～圖3(g)所示，是在實(shí)驗(yàn)室模擬陽(yáng)光照射，對(duì)一塊多晶硅太陽(yáng)電池組件隨機(jī)挑選7塊硅片遮蓋所作的升溫實(shí)驗(yàn)曲線圖表，用Origin7．0軟件進(jìn)行的擬合：
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列，在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試條件為A M1．5，1 000 W／m2，25℃。
從上面分析的圖形中分別選出斜率最大和最小的兩組數(shù)據(jù)：即圖3(e)與圖3(a)兩組，測(cè)量開路電壓、短路電流、對(duì)比逆電流進(jìn)行比較，逆電流大的太陽(yáng)電池硅片產(chǎn)生熱斑的可能性較大，符合理論分析。

4 結(jié)語(yǔ)

多晶硅太陽(yáng)電池用作地面上的電源時(shí)，根據(jù)需要將單片電池先進(jìn)行串并聯(lián)組合，然后密封在透明外殼中以構(gòu)成太陽(yáng)能組件。外殼通常用強(qiáng)化玻璃和透明的耐水性樹脂構(gòu)成。多晶硅太陽(yáng)電池在構(gòu)成組件后，已裝有旁路二極管用以消除熱斑。
對(duì)于暗電流的分析，由于在此實(shí)驗(yàn)不易單獨(dú)區(qū)分出暗電流與逆電流。但二者所反映的函數(shù)特征是一致的。因?yàn)槟骐娏髟诂F(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中較暗電流容易測(cè)出，故可用逆電流代替暗電流，試驗(yàn)結(jié)果反映曲線的特性也是沒有改變的。通過(guò)對(duì)7片電池進(jìn)行遮擋，測(cè)量溫度變化率及電池的暗電流，進(jìn)行分析得出結(jié)論逆電流大的電池更易產(chǎn)生熱斑。