聚光条件下太阳能电池性能的理论研究VIP

江 西 科 技 师 范 大 学毕业论文题目（中文） ：聚光条件下太阳能电池性能的理论研究（外文） ：Study of the power characteristic of solar cells in concentration 院（系） ： xxxxxxxxxxxxxx 专 业： xxxxxxxxxxxxxx 学生姓名： xxx 学 号： xx xx 指导教师： x x 2016 年 4 月 20 日I目录1.概述 .- 1 -2.聚光型太阳能材料及技术 .- 2 -2.1 聚光用的太阳能电池原材料 .- 2 -2.2 产品构成与关键技术 .- 2 -3.聚光条件下太阳能电池发电的理论分析 .- 3 -3.1 非聚光条件下的太阳能电池发电 .- 3 -3.2 聚光条件下的太阳能电池发电 .- 5 -3.3 聚光倍数与电池输出功率关系 .- 6 -3.3.1 传热分析 .- 6 -3.3.2 聚光倍数与电池输出功率关系 .- 7 -3.3.3 计算实例 .- 10 -3.4 聚光降低光伏发电成本 .- 11 -3.4.1 聚光提高电池片转换效率 .- 11 -3.4.2 聚光减少昂贵的电池片消耗 .- 12 -4.总结与展望 .- 12 -结束语 .- 14 -参考文献 .- 15 - 1 -聚光条件下太阳能电池性能的理论研究摘要：光伏聚光系统是采用廉价材料的聚光器将太阳光照聚集在小范围太阳能电池片上,不仅降低了电池材料用量而且也提升了电池片转化效率。本篇文章由半导体器件的原理出发，得出了单晶硅电池片的转换效率与聚光倍数的关系式。然后研究聚光作用使电池片结温增强，结温的改变会导致电池片的输出功率改变。通常情况下，聚光倍数的增加导致输出功率的先增大后减小。所以找到最恰当的聚光倍数，才能够让光伏发电系统的输出功率为最高。文章通过常见的单晶硅太阳电池的研究，从热力学的角度出发，以电池的温度小于工作温度上限的前提下，反复研究光伏发电系统散热的能力、电池以及散热器之间的聚光倍数和热阻之间的联系,并且给出了一定条件下得最大输出功率对应聚光倍数的表达式。研究发现，在聚光条件下降低太阳能电池与散热器之间的热阻、增大光伏系统散热的能力和使用均匀聚光照射太阳电池，是提高光伏发电系统效率，减小光伏发电的成本的有效途径。关键词：太阳能；聚光倍数；输出功率；光伏系统；聚光比1.引言随着全球能源和环境问题的日益加剧，开发新能源已经成为人们生产、生活的迫切需求。相比较可再生能源而言，地球上的能源有限且不可再生。例如煤炭、石油、天然气等能源。过度消耗化石能源也带来了一些环境的问题。所以研究新的而且可利用能源是解决现如今能源问题的主要途径。地球上可再生能源指的是可以一直使用或者可明显提高能源利用效率的能源，它涵盖太阳能、地热能、风能、潮汐能、水能以及生物液体燃料和燃料电池等。其中太阳能有着巨大的能量，使用清洁，而且可以用之不尽，所以是最理想的可再生能源。对于太阳能的利用而言，主要根据光热转换、光化学转换和光电转换的方式。其中光电转换（又称为太阳能光伏发电）近年来发展非常迅速也被认为是最有前途的发展。太阳能光伏发电的基本原理是源于光伏效应的原理，根据使用太阳能电池的原理将太阳能转化为电能。根据最近几年研究人员的不懈努力，太阳能光伏发电取得了非常迅速的发展。若要使光伏发电产业成为当今社会能源结构的主要部分则还存在着一定的困难。因此，怎样减少光伏发电使用的成本是现在所面临的重大难题。市面上太阳能电池的种类繁多，通常是纳米晶薄膜太阳能电池、硅太阳能电池、无机化合物薄膜太阳能电池、叠层太阳能电池、聚光太阳能电池和有机薄膜太阳能电池这几种。但除了聚光太阳能以外，其他种类太阳能转换效率很低以及成本也很高。- 2 -降低太阳能电池总成本一种有效的方法是聚光，它是通过聚光器将极大一部分面积的阳光聚集在一个很小的范围之内从而形成了“焦斑”或者“焦带” ，并在“焦斑”或者“焦带”上放置所使用的太阳能电池，从而更好的吸收光强度，减小了太阳辐射能流密度低的因素，输出更多的电能。对比普通的太阳能电池，聚光太阳能电池因为需要耐高倍率的太阳能辐射，所以需要光电转换性能较好的半导体材料能在较高温度下进行光电转换。现在市面上使用比较多的是单晶硅和砷化镓作为半导体材料。通常情况下聚光型太阳能电池采用的是垂直结构，从而减少串联电阻，而且电池的栅线比较密集，总体占电池总面积的10%左右，能够满足大电流密度的需要。理想情况下聚光型太阳能电池的光电转化效率高达 28%。虽然聚光太阳能电池有着很高的光电转化效率，但是聚光系统相对来说比较复杂，同时需要跟踪捕捉太阳光，并且很难进行散热。现在市面上聚光太阳能电池很少见，聚光的倍数相对较低，且价格比较高。2.聚光型太阳能材料及技术2.1 聚光用的太阳能电池原材料目前适用于聚光型太阳能电池的有：砷化镓多结电池和单晶硅的背接触太阳能电池，以砷化镓多结电池的光转化效率比较最高（实验室达到 41%左右，生产高于 35%） 。在过去这些电池普遍应用在非聚光的航天器材的应用之中。到目前为止，产业上生产这种电池的厂家依然很少，而且产量较低。2.2 产品构成与关键技术 由聚光电池组件、聚光器和跟日器及降温装置和相关动力构成的聚光太阳能电池，使用聚焦太阳能的方式把太阳光光能密度显著提高（400 倍以上） 。于此同时能够获得极大的太阳能电池的转换效率，最后小的单晶硅片上将会产生较大的电流。其中费涅尔透镜或者抛物面反射镜使得太阳光聚焦在一起，太阳能电池的散热是通过较大面积的散热片完成，有的采用循环水冷系统将热量进行再次利用（装置结构较为复杂） 。太阳能跟踪聚焦式光伏发电系统的关键在于能否精确的跟踪太阳的光照，其聚光比越大那么对应的跟踪精度就会越高，聚光比若为 400 小时则跟踪精度要求不高于 0.2 度。通常情况下跟踪准确精度跟其结构的复杂程度成正比，越- 3 -复杂则造价就会越高，有的甚至价格超过光伏发电系统光电池的总价格。聚光电池与发电系统的普及成功的关键在于能够实现聚光发电系统的可靠性、稳定性、跟踪度，保证能否够在不同的自然环境下长期使用。3.聚光条件下太阳能电池发电的理论分析3.1 非聚光条件下的太阳能电池发电在非聚光条件下，理想状态下电池伏安特性为：(3-1)I=()1其中，I：负载电流，I L：光生电流， Is：反向饱和电流，V ：电池片两端电压。伏安特性曲线如图 3-3 所示。并且电路开路时，电池片两端所需要的电压为开路电压 VOC。此时流经负载电流 I=0，代入公式（3-1）得：(3-2)=ln(+1)k()通过将电池片短路（V=0） ，可以得出短路电流 ISC。将 V=0 代入公式（3-1）得：ISC=IL (3-3)由公式(3-1)可知，当 IL 固定 VOC 将 会随着反向饱和电流 Is 的减小而呈现对数形式的增加，电池片输出功率可以表示为：(3-4)=()1I如图 3-3 所示太阳能电池的伏安特性曲线内矩形的最大面积为太阳能电池的最大输出功率，标记为 Pm。显然，P m 值不仅取决于 ISC 和 VOC，还依赖于特性曲线形状。由于 dP/dV=0 得到最大的输出功率的条件，即：(3-5)=ln1+()1+()ln(1+)(3-6)=()()1 1()因而由公式(3-5) 和(3-6)，最大输出功率 Pm 为：(3-7)=ln(1+)定义填充因子 FF 为：(3-8)=- 4 -FF 是电池的重要参数之一，它的值决定了电池片性能的好坏。所以，在一定的关照和电池面积条件下，为了得到比较大的输出功率，需要获取大的开路电压 VOC 与短路电流 ISC 之外，同时填充因子 FF 也要求很高。相对于不同种类的太阳能电池，使用电池的功率的转换效率即光电转换效率，又称之为转换效率：(3-9)= =ln()其中，P in 为电池片表面的入射太阳光功率。图 3-1 太阳能电池片结构以及发电原理示意图Figure 3-1 solar cell structure and power generation principle diagram图 3-2 太阳能电池理想化等效电路图Figure 3-2 solar cells idealized equivalent circuit diagram- 5 -图 3-3 太阳能电池理想伏安特性曲线Figure 3-3 solar battery ideal volt-ampere characteristic curve3.2 聚光条件下的太阳能电池发电在理想状态下，电池的光生电流 IL 与电池片表面覆盖的光强成正比。因此，在 X 倍聚光条件下，光生电流为 ILX=XIL。此时，电池片的伏安特性应表示为：(3-10)=exp()1由 V=0 得聚光条件下的短路电流 ISCX 为：(3-11)=由 IX=0 得聚光条件下的开路电压 VOCX 为：(3-12)=ln(1+)ln()=ln()+ln()=+ln()其中，I SC 和 VOC 分别代表非聚光条件下太阳能电池片的短路电流和开路电压。通过式(3-11)和(3-12)得到，在聚光条件时电池片的短路电流 ISCX 以及开路电压 VOCX 随光强增加而增大。同样，在聚光条件下，照射到相同面积的电池片表面的太阳光功率应为非聚光时的 X 倍。因此，在聚光时电池片转换效率 X 表示为：(3-13)=同时在中低倍聚光条件下(X300)，填充因子 FF 变化幅度很小可以不计。因此，将公式（3-11）和公式（3-12）代入公式（3-13） ，并利用公式（3-9）所得非聚光条件下转换效率 进行简化得：(3-14)=(1+ 1ln()ln)由式（3-14 ）可得，在聚光条件时太阳能电池片的转换效率会根据聚光比呈现对数形式的增加，如图 3-4 所示。需要说明的是以上分析与讨论是基于理想的单晶硅电池片模型，散热条件良好，没有考虑温度条件影响下的结果。但是高倍聚光条件下会导致电池片过热使其结温升高，甚至严重影响电池片功能。因此，在在现实情况中聚光光伏系统一般要配置冷却装置；另外，太阳光入射到电池片表面的方向也会影响到系统效率，这就要求系统具有太阳方向追踪功能。为了研究结温对电池片输出功率的干扰情况，下面从热力学角度进行了讨- 6 -论。图 3-4:单晶硅电池片转换效率提高与聚光倍数的关系曲线Figure 3-4: monocry stalline silicon cell conversion efficiency and concentrated multiple relationship curve3.3 聚光倍数与电池输出功率关系3.3.1 传热分析如图3-5 所示为一个在聚光条件下的太阳能电池。太阳能电池纵向的厚度为，铝板散热器与太阳能电池之间粘连有传热的绝缘材料。图3-5太阳电池聚光发电模型Fig3-5 Model of solar cell module in a concentrating photovoltaic system若把电池置于封闭的空间中，空间存在由白色玻璃、围护结构以及铝板散热器密封得到的。通常情况下，不考虑电池以及空间的对流传热及辐射传热，只讨论热传导，那么在沿x方向上的热流满足式(3-15) :(3-15) =()式中:Q太阳能电池内的热流;E( x) 会聚光强沿x 方向的分布，W/m 2- 7 -L太阳能电池的宽 ;l会聚光在太阳能电池x方向上的宽度( 图中并未标出l ) ;T太阳能电池与铝板散热器的温度差;r太阳能电池与铝板间的热阻（cm 2K/W） 。若假定铝板散热器下用循环流动水来冷却使铝板散热器保持恒温，并且能够较好地控制铝板的温度。把傅里叶定律代入式(3-15)可推出:(3-16)22=()式中，太阳能电池导热系数; 太阳能电池厚度。理想状态下，会聚光宽度刚好与太阳电池的宽度相等，则有L =l，那么式 (3-16)即变为:(3-17)22=()3.3.2 聚光倍数与电池输出功率关系对于均匀的聚光发电，E(x)在 x 轴的方向是不变的，所以 E(x)此时为一常数，用 Ec 来表示。这样式可表示为:(3-18)22=解此方程可得:(3-19)=在理想状态下时均匀聚光发电，理论上太阳电池的温度同样是均匀的，它的温度值为铝板散热器温度 T0 与 T 之和，即:(3-20)1=0+=0+推出太阳能电池的温度大于原始状态下环境温度的差值为:(3-21)1=0+式中，T c环境温度值，这里取 25。若太阳能电池的温度升高，太阳能电池的发电效率 则会下降，那么发电效率可表示为:(3-22)=即太阳能电池最大输出功率 Pmax 与入射光的光功率 Pin 的比值。同时还可- 8 -表示为:(3-23)=式中，FF 为太阳电池的填充因子;V oc 为电池的开路电压;Isc 为电池的短路电流。当温度每升高 1则电池的开路电压 Voc 会下降到标准状况下室温值的 0.4%，由上式(3-23) 可得，也会随之降低约同样的比例。由 (3-21)得到太阳能电池的效率值下降幅度为:(3-24)=0.4%10=0.004(0+)0式中， 0在没有聚光条件时太阳能电池的效率。此时太阳电池的效率则变为:(3-25)=10.004(0+)0且有:(3-26)0=P0(3-27)=(3-28)=式中，N 为聚光倍数;P 0 是没有聚光时太阳电池的输出功率;P 为聚光后太阳电池的输出功率 P