於 平

(滁州城市職業(yè)學(xué)院,安徽 滁州 239000)

0 引 言

多年來(lái),傳統(tǒng)化石能源消耗量較大,可用能源有限,且受環(huán)境保護(hù)發(fā)展形勢(shì)影響,太陽(yáng)能電池成為世界關(guān)注焦點(diǎn)[1]。由于太陽(yáng)能電池特性容易受多種因素影響,包括溫度、光照強(qiáng)度等。其中,造成影響較大的是光照強(qiáng)度,在此因素影響下,太陽(yáng)能電池的性能發(fā)生改變,輸出功率、填充因子等參數(shù)數(shù)值發(fā)生變化,對(duì)應(yīng)用效果造成一定影響[2-3]。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能電池性能影響的研究取得的成果較少,為了深入挖掘太陽(yáng)能電池在光照強(qiáng)度因素影響下性能變化特征,本文采用實(shí)驗(yàn)分析法進(jìn)行探究[4]。

1 太陽(yáng)能電池特性研究

1)太陽(yáng)能電池工作原理

太陽(yáng)能內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,N 型半導(dǎo)體和P 型半導(dǎo)體的連接處,電子沿著NP 方向轉(zhuǎn)移,空穴逐漸擴(kuò)大,P型半導(dǎo)體一端負(fù)電荷越來(lái)越多,N 端正電荷較多,所以電池內(nèi)部形成電場(chǎng)。PN 結(jié)容易受光照影響,如果光子作用足夠強(qiáng)大,則電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)電子移動(dòng),受內(nèi)部電場(chǎng)影響,電子和空穴的形成與上述情況相反,此時(shí)N 區(qū)聚集大量負(fù)電子,形成相反光電場(chǎng)。當(dāng)入射光強(qiáng)度逐漸增加時(shí),隨之產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)就會(huì)變大,將負(fù)載與電池連接,此時(shí)線路中就會(huì)形成電流[5-6]。如圖1所示為太陽(yáng)能電池工作原理。

圖1 太陽(yáng)能電池工作原理

2)入射光強(qiáng)度與電池作業(yè)參數(shù)之間的關(guān)系

(1)與電池開(kāi)路電壓參數(shù)的關(guān)系

電池連接電路中,如果斷開(kāi)裝置兩端的電壓,則這個(gè)電壓就是開(kāi)路電壓,記為U∞,也可以稱作電池電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電池處于無(wú)光照環(huán)境時(shí),U∞=0。大量研究表明,除了裝置制備材料會(huì)影響電池的性能以外,入射光強(qiáng)度也會(huì)對(duì)其性能造成較大影響,兩者之間存在非線性正相關(guān)關(guān)系[7]。

(2)與電池短路電流參數(shù)的關(guān)系

電池負(fù)載回路中的電流為短路電流,記為ISC。在不更換電池的情況下,入射強(qiáng)度發(fā)生改變時(shí),負(fù)載回路電流會(huì)隨之發(fā)生改變,兩者之間存在一定線性關(guān)系。之所以會(huì)出現(xiàn)此類情況,主要原因是光子數(shù)量在光強(qiáng)度增加條件下逐漸增加,大量的光子對(duì)空穴和電子造成的激發(fā)作用較大,在激烈的反應(yīng)中,形成的短路電流變大[8]。

3)入射光強(qiáng)度不變環(huán)境下電池輸出特性

選擇可變電阻作為線路負(fù)載(記為R),將其連接至太陽(yáng)能電池中。如果電池所在環(huán)境中入射光強(qiáng)度保持不變,當(dāng)負(fù)載阻值發(fā)生改變時(shí),除了路端電壓(記為U)隨之發(fā)生變化以外,線路中的電流(記為I)也會(huì)發(fā)生變化,記錄電池輸出電壓和電流在不同負(fù)載電阻條件下的數(shù)值,并繪制成伏安特性曲線。 計(jì)算電池輸出功率,標(biāo)記最大值,記為Pmax,同時(shí)標(biāo)記當(dāng)前的電流和電壓數(shù)值,分別記為Imp和Ump。根據(jù)這兩項(xiàng)參數(shù)數(shù)值,可以計(jì)算出負(fù)載電阻,記為Rmp,該數(shù)值就是電池作業(yè)最佳負(fù)載電阻。

4)電池輸出功率能力

關(guān)于電池輸出功率能力的計(jì)算,利用填充因子或者功率曲線因子計(jì)算獲取,以下為計(jì)算公式:

根據(jù)公式(1)中各項(xiàng)因子之間的關(guān)系可知,填充因子隨著輸出功率的增加而變大,在此條件下電池的性能會(huì)有所改善。一般情況下,填充因子能夠達(dá)到80%。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的配置

在小麥生長(zhǎng)過(guò)程中，要注意對(duì)病蟲(chóng)害和草害的預(yù)防，主要通過(guò)在正確的時(shí)期適用正確的藥物進(jìn)行防治。以紋枯病為例，其防治的主要時(shí)期是在播前種子處理、秋苗感病期、早春病性上升期、病情加重期以及病情穩(wěn)定期?？刂品椒òㄔ谄匠：侠硎┓剩┯玫?、磷、鉀配套的復(fù)合肥，并在小麥種植前用25%的三唑酮粉劑按種子重量的0.03%（有效成份）或用2%立克銹（戊唑醇）按種子重量的0.1%的藥量對(duì)種子進(jìn)行拌種。除加強(qiáng)其抗病能力外，最主要的是因時(shí)種植。在發(fā)現(xiàn)紋枯病時(shí)，用三唑酮、井岡霉素、撲海因等在苗期和早春進(jìn)行噴藥救治，可以有效控制病害發(fā)生[3]。

實(shí)驗(yàn)選取的太陽(yáng)能電池特性測(cè)試儀器型號(hào)為YJ-TYN-1,配合負(fù)載電阻箱、光源的使用,搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境,模擬不同光照強(qiáng)度環(huán)境,分別測(cè)量不同環(huán)境下電池特性。

2)實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)光強(qiáng)度的變化,采用轉(zhuǎn)動(dòng)電池?cái)[放角度的方式實(shí)現(xiàn),利用角度測(cè)定儀器,按照實(shí)驗(yàn)方案轉(zhuǎn)動(dòng)電池,使其達(dá)到指定位置,形成不同光強(qiáng)度照射條件。實(shí)驗(yàn)期間,實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能受周?chē)h(huán)境溫度的影響,或者其它光源的影響,為了避免這些因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定影響,研究選擇的室溫變化不大的房間作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地,沒(méi)有開(kāi)其它燈,并且背光。

(1)光照強(qiáng)度變化環(huán)境下電池短路電流與開(kāi)路電壓特性實(shí)驗(yàn)

按照電路布局方案連接裝置,調(diào)節(jié)光源,保持光源不變,移動(dòng)電池,使得電池與入射光呈不同角度,測(cè)量不同光照強(qiáng)度條件下的短路電流和開(kāi)路電壓。其中,電池與光源之間保持距離,不宜過(guò)近。另外,電池轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍0～80°,角度間隔設(shè)定為10°。按照從小到大的順序,調(diào)節(jié)電池轉(zhuǎn)動(dòng)角度,利用角度測(cè)量裝置,根據(jù)角度調(diào)節(jié)要求,固定電池轉(zhuǎn)動(dòng)位置,而后測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)。

(2)光照強(qiáng)度變化環(huán)境下電池填充因子、負(fù)載電阻、最大輸出功率特性實(shí)驗(yàn)

第一步:電池轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0,此時(shí)電池與光源正對(duì),測(cè)量電池的短路電流,記為ISCi,同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓,記為U∞i。接下來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RI的阻值,從0增加至1400Ω,間隔大小為100Ω,測(cè)量不同阻值條件下的電池電流和電壓數(shù)值。

第三步:以電池轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0作為實(shí)驗(yàn)條件,計(jì)算不同負(fù)載電阻對(duì)應(yīng)的電池輸出功率,記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。其中,最大輸出功率記為Pmax1,該數(shù)值對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻為此條件下的最佳負(fù)載電阻,記為Rmp1,測(cè)量該阻值條件下的電池輸出電壓和電流,分別記為Ump1和Imp1。利用公式(1)計(jì)算,可以得到此條件下的填充因子數(shù)值。

第四步:按照第三步方法,分別計(jì)算不同電池轉(zhuǎn)角條件下的填充因子。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1)電池短路電流與開(kāi)路電壓特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照前文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法分別測(cè)量各個(gè)光照條件下的開(kāi)路電壓數(shù)值,記為U,同時(shí)測(cè)量短路電流,記為I,結(jié)果如表1所示。

表1 不同太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)角的電池短路電流與開(kāi)路電壓測(cè)試結(jié)果

當(dāng)電池轉(zhuǎn)角逐漸增加時(shí),電池短路電流與開(kāi)路 電壓數(shù)值逐漸減小。電池轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于30°條件下,開(kāi)路電壓數(shù)值減小幅度不是很大,自電池轉(zhuǎn)動(dòng)角度超過(guò)30°后,開(kāi)路電壓數(shù)值減小幅度有所增加。而短路電流的減小幅度相對(duì)穩(wěn)定,在5m A之內(nèi)。

2)電池填充因子、負(fù)載電阻、最大輸出功率特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照實(shí)驗(yàn)方案,調(diào)節(jié)線路中負(fù)載電阻RI阻值,分別記錄0增加至1400Ω期間電池電流和電壓數(shù)值,同時(shí)計(jì)算電池作業(yè)功率,結(jié)果如表2所示。

表2 θ=0°條件下負(fù)載改變結(jié)果

隨著負(fù)載電阻阻值的增加,電池輸出電壓逐漸增加,輸出電流逐漸減小。計(jì)算對(duì)應(yīng)的輸出功率數(shù)值發(fā)現(xiàn),電池輸出功率隨著負(fù)載電阻的增加先增加而后減小。當(dāng)電池轉(zhuǎn)角為0,且負(fù)載電阻為600Ω情況下,電池輸出功率達(dá)到最高,數(shù)值為0.401W。

按照實(shí)驗(yàn)方法,改變電池轉(zhuǎn)角,計(jì)算每種光照強(qiáng)度條件下的電池最大功率數(shù)值,并記錄相應(yīng)的負(fù)載電阻阻值,計(jì)算填充因子,結(jié)果如表3所示。

表3 θ 變化條件下輸出功率P 與負(fù)載電阻R 測(cè)試結(jié)果

當(dāng)電池轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時(shí),即光照強(qiáng)度變化時(shí),電池最大輸出功率數(shù)值隨之發(fā)生改變。在轉(zhuǎn)角增加過(guò)程中,最大輸出功率數(shù)值逐漸減小,對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻阻值逐漸增加,填充因子逐漸增加。當(dāng)電池轉(zhuǎn)角為80°時(shí),最大輸出功率僅有0.028,負(fù)載電阻為4830Ω ,填充因子為0.806。由此看來(lái),光照強(qiáng)度決定了電池最大輸出功率,當(dāng)光照強(qiáng)度逐漸減弱時(shí),太陽(yáng)能電池能夠?yàn)檠b置提供的作業(yè)功率就會(huì)下降。在此條件下,想要發(fā)揮電池供電作用,就需要增加線路中的負(fù)載電阻阻值,同時(shí)增加填充因子。在使用太陽(yáng)能電池中,需要盡可能地減小電池與光照角度,以此提高電池輸出功率。

4 結(jié) 語(yǔ)

以光照強(qiáng)度作為變量,測(cè)量不同條件下太陽(yáng)能電池性能參數(shù),通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算分析,探究電池在不同光照強(qiáng)度下的性能特征。其中,光照強(qiáng)度的模擬,以調(diào)節(jié)電池轉(zhuǎn)角方式得以實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,光照強(qiáng)度決定了太陽(yáng)能電池最大輸出功率,兩者之間存在正相關(guān)關(guān)系,

當(dāng)光照強(qiáng)度逐漸減弱時(shí),太陽(yáng)能電池最大輸出功率隨之減小。因此,建議盡可能地減小電池與光照角度,使得電池輸出功率得以增加。