王 楨 王海祥
(金陵科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 江蘇 南京 211169)
現(xiàn)全球的能源短缺和環(huán)境污染已成為制約可持續(xù)發(fā)展的重要因素,發(fā)展清潔高效的可再生能源已成為燃眉之急.太陽(yáng)能發(fā)電作為一種重要的能源轉(zhuǎn)換形式,以無(wú)污染、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越被各國(guó)重視.而效率卻是制約其發(fā)展的重要問(wèn)題之一.
有別于使用傳統(tǒng)燃料的發(fā)電,太陽(yáng)電池的發(fā)電效率非常容易受到外界環(huán)境的干擾.近年來(lái),有學(xué)者對(duì)太陽(yáng)電池發(fā)電效率的影響因素進(jìn)行研究.文獻(xiàn)[1]提出蚌埠地區(qū)20 d的表面積塵會(huì)使光伏組件發(fā)電功率減少24%[1].文獻(xiàn)[2]提出廣州地區(qū)積塵會(huì)降低太陽(yáng)電池表層玻璃對(duì)一定波長(zhǎng)的光的透過(guò)率.文獻(xiàn)[3]提出灰塵對(duì)不同類型的太陽(yáng)電池影響不同.文獻(xiàn)[4]提出霧霾天氣會(huì)在積灰的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低太陽(yáng)電池的輸出.文獻(xiàn)[5]研究了不同波長(zhǎng)的光對(duì)柔性太陽(yáng)電池輸出的影響.文獻(xiàn)[6]研究了不同面積陰影的遮擋下光伏組件的功率損失.
為進(jìn)一步研究塵土、落葉、積雪這三者的遮蓋對(duì)太陽(yáng)電池輸出的影響,筆者在南京地區(qū)分別進(jìn)行了多次戶外實(shí)驗(yàn),記錄太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓和短路電流的數(shù)據(jù),經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)3種遮蓋物對(duì)太陽(yáng)電池的短路電流輸出均有不同程度的削弱,對(duì)開(kāi)路電壓的影響則不是很顯著.
太陽(yáng)電池的理想等效電路如圖1所示.
圖1 太陽(yáng)電池理想等效電路
圖中,Rs為串聯(lián)電阻,Rsh為并聯(lián)電阻,兩者是太陽(yáng)電池的內(nèi)阻,其存在消耗了電池能量,降低發(fā)電效率.
太陽(yáng)電池的伏安曲線方程為
(1)
式(1)中,IL為光生電流,I0為二極管反向飽和電流,q為單位電荷量,n為二極管的理想系數(shù),k為玻爾茲曼常數(shù),T為絕對(duì)溫度.
令I(lǐng)=0,可以得到太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓方程為
(2)
如圖2所示,實(shí)驗(yàn)設(shè)備由兩塊相同參數(shù)的多晶硅太陽(yáng)電池、支架和測(cè)量設(shè)備組成.在進(jìn)行每次實(shí)驗(yàn)時(shí),確保各塊太陽(yáng)電池處于同一位置并保持相同朝向和傾角,測(cè)量其開(kāi)路電壓與短路電流.
圖2 多晶硅太陽(yáng)電池
研究用太陽(yáng)電池理論數(shù)據(jù)如表1所示.
表1 研究用太陽(yáng)電池理論數(shù)據(jù)(STC)
即使是相同參數(shù)的太陽(yáng)電池,由于生產(chǎn)工藝等多方面不可控因素,在同一環(huán)境下的輸出也不盡相同.因此為了確保后續(xù)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)和精確,實(shí)驗(yàn)前測(cè)量其同一環(huán)境下輸出的差異是必要的.測(cè)量數(shù)據(jù)如表2和表3所示.
表2 晴天下兩塊太陽(yáng)電池的輸出差異度
表3 陰雨天兩塊太陽(yáng)電池的輸出差異度
根據(jù)表2的數(shù)據(jù)計(jì)算出,在輻照充足的晴天下,兩塊太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓輸出差異在0.535 V左右,差異較大.短路電流輸出差異在0.032 5 A左右,差異較小.開(kāi)路電壓和短路電流的差異均比較穩(wěn)定.
根據(jù)表3的數(shù)據(jù)計(jì)算出,在輻照低的陰雨天氣,兩塊太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓差異在0.341 25 V左右,短路電流差異在0.002 15 A左右,開(kāi)路電壓存在一定的差異,短路電流差異較小.
筆者根據(jù)塵土、落葉、積雪這3種不同的遮蓋物分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.
實(shí)驗(yàn)研究前收集些許塵土,充分搗碎研磨,然后在一塊太陽(yáng)電池上噴灑清水,將塵土隨機(jī)撒在電池表面,放置戶外曬干,收回后,充分抖動(dòng)該太陽(yáng)電池,將結(jié)塊的塵土抖落.另一塊太陽(yáng)電池保持表面潔凈.實(shí)驗(yàn)時(shí),確保兩塊太陽(yáng)電池處于同一位置,同一傾角和朝向,如圖3所示.
圖3 塵土遮蓋
研究記錄的數(shù)據(jù)如表4所示.
表4 塵土遮蓋下太陽(yáng)電池的輸出數(shù)據(jù)
塵土遮蓋在太陽(yáng)電池表面,部分太陽(yáng)光被塵土漫反射回空氣,同時(shí)在電池表面的塵土顆粒之間會(huì)存在一定的間隙,部分太陽(yáng)光以不同角度從間隙進(jìn)入被太陽(yáng)電池吸收.塵土的遮蓋減弱了太陽(yáng)電池總體接收的太陽(yáng)輻照能量.
經(jīng)計(jì)算,塵土遮蓋的太陽(yáng)電池的輸出在開(kāi)路電壓上比表面潔凈的太陽(yáng)電池平均減少0.31%,在短路電流上平均減少9.7%,實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)比結(jié)果如圖4所示,圖中實(shí)線對(duì)應(yīng)表面潔凈的太陽(yáng)電池,虛線曲線對(duì)應(yīng)表面塵土覆蓋的太陽(yáng)電池.
(a)開(kāi)路電壓Uoc
可見(jiàn),塵土遮蓋對(duì)太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓輸出的影響并不明顯.對(duì)短路電流的影響很大,短路電流輸出降低了9.7%.
該研究探究不同數(shù)量的落葉遮蓋下太陽(yáng)電池的輸出特性.
在一塊太陽(yáng)電池上逐片增加樹(shù)葉,另一塊太陽(yáng)電池保持表面潔凈,如圖5所示.
圖5 落葉遮蓋
每一次增加樹(shù)葉均測(cè)量多組數(shù)據(jù),求均值后填入表中,數(shù)據(jù)如表5所示.
表5 落葉遮蓋下太陽(yáng)電池的輸出數(shù)據(jù)
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,落葉受當(dāng)?shù)仫L(fēng)速的影響較大.
經(jīng)計(jì)算,隨著落葉數(shù)量的增加,被遮蓋的太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓輸出減少了0.1%~0.4%,短路電流輸出減少17.2%~27.6%.落葉遮蓋對(duì)太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓輸出影響甚微,對(duì)短路電流輸出能力的削弱程度會(huì)隨著電池表面落葉數(shù)增加而有一定程度的增加.
該研究探究積雪遮蓋對(duì)太陽(yáng)電池輸出的影響.
如圖6所示,在下雪天氣將一塊太陽(yáng)電池置于戶外,待其表面積累一定的積雪后,將另一塊表面潔凈的太陽(yáng)電池放在同一位置,保持相同傾角和朝向,記錄數(shù)據(jù).
圖6 積雪遮蓋
研究記錄的數(shù)據(jù)如表6和表7所示.
表6 少量積雪覆蓋下太陽(yáng)電池的輸出數(shù)據(jù)
表7 多量積雪覆蓋下太陽(yáng)電池的輸出數(shù)據(jù)
根據(jù)記錄的數(shù)據(jù),繪出少量積雪和多量積雪覆蓋下的輸出曲線圖,如圖7所示.
(a)開(kāi)路電壓Uoc
隨著積雪的增多,太陽(yáng)電池表層積雪的透光度逐漸降低,穿透太陽(yáng)電池表層玻璃的光越來(lái)越少,加上表層積雪的反射和低輻照度環(huán)境,太陽(yáng)電池的輸出大打折扣,短路電流輸出的削弱極為明顯.
經(jīng)計(jì)算,在少量積雪覆蓋下的太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓輸出平均減少了0.38%,短路電流輸出平均減少13.92%.多量積雪覆蓋下的太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓輸出平均減少了3.32%,短路電流輸出平均減少54.76%.
根據(jù)上述實(shí)驗(yàn),得出如下結(jié)論:
(1)太陽(yáng)電池在塵土、落葉、積雪的遮蓋下,開(kāi)路電壓的變化不明顯.短路電流的變化很明顯,易于觀察,在不同遮蓋物下有不同程度的削弱.
(2)對(duì)于研究中所使用的太陽(yáng)電池,塵土遮蓋使其開(kāi)路電壓輸出減少0.31%,使其短路電流輸出減少9.7%.不同數(shù)量的落葉遮蓋使其開(kāi)路電壓輸出減少0.1%~0.4%,使短路電流輸出減少17.2%~27.6%.不同量的積雪覆蓋使其開(kāi)路電壓輸出減少0.38%~3.32%,使短路電流輸出減少13.92%~54.76%.
(3)鑒于不同遮蓋物下太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓的變化均不明顯,可以得出在被遮蓋的情況下太陽(yáng)電池輸出功率的變化主要來(lái)自于輸出電流的變化.
太陽(yáng)電池作為一種清潔可再生能源,可利用自然資源,幾乎不受地域限制,具有無(wú)噪聲,無(wú)污染等諸多優(yōu)勢(shì),然而也有他較其他發(fā)電形式的劣勢(shì).通過(guò)研究和實(shí)驗(yàn)觀測(cè),探討影響發(fā)電的因素和規(guī)律,從而在太陽(yáng)能電站建設(shè)和維護(hù)中,采取必要可行的措施,以獲取更高的效率.