不同光强下太阳电池组件曲线因数的研究
2011-12-28 16:32:009805
摘要:通过测试太阳电池组件在不同入射光强下的电性能参数,采用作拟合曲线的方法求解不同光强下太阳电池组件的曲线因数,并在此基础上分析组件曲线因数与入射光强的关系。
关键词:太阳电池组件;入射光强;曲线因数;单指数模型;拟合曲线
0前言
太阳电池组件在实际应用中,每时每刻的输出功率几乎都是不一样的,而且很少时间能达到它的标称功率,这主要是受到它接受的入射光强的影响,其次是环境温度也会影响输出功率。
太阳电池组件是由一定数量的太阳电池串/并联接后层压封装而成的,其电性能主要由太阳电池的性能决定。太阳电池的二极管品质因数(又称为二极管曲线因数,用字母n表示)直接反映了所制备的太阳电池的好坏,理想情况是曲线因数n=1。当光线照射到太阳电池组件上时,相当于对太阳电池进行光注入。而当撤消光照射时,则撤消了光注入。针对不同的入射光强Iin太阳电池组件的曲线因数n也将发生明显的变化。当Iin较大时,相当于对半导体器件的大注入,n也会严重偏离理想值。当然,随着入射光强的增大,组件的输出功率会不断增大。然而,曲线因数和温度也会随之增加,输出功率增加的幅度会逐步减小。
本文根据太阳电池参数的模拟模型,采用作拟合曲线的方法求解不同光强下太阳电池组件的曲线因数,并在此基础上分析研究太阳电池组件曲线因数n与入射光强Iin的关系。
1理论分析
按照国际、国内相关光伏标准的规定,太阳电池组件的标称功率是在一定温度和标准太阳光强条件(AM115,100mW/cm2)下的测试值,是目前公认的对太阳电池组件的度量衡。
实际应用中,在地球表面上的某一点,由于太阳光的入射角随着时间的改变而变化,同时受到诸如云层、季节、纬度等因素的影响,地球表面接收到的太阳光能量是不断改变的。按照物理学中正交分解分析方法,太阳电池组件在一天之中,垂直于组件正面方向上的光强分量是时间的函数,即
对于平行光源来说,要改变太阳电池组件的入射光强,可以:(1)直接改变光强强度Iin;(2)改变入射角α,如图1(a)所示。
对于点光源来说,要改变太阳电池组件的入射光强,可以:(1)直接改变光强强度Iin;(2)改变点光源距离d,如图1(b)所示。
据文献[3]报道,在工程应用中,太阳电池参数的单指数模型比双指数模型更简单、实用,所以本文中采用单指数模型来模拟太阳电池组件。
太阳电池等效电路如图2。
太阳电池参数单指数模型的I-V关系为:
其中,I、V分别为负载上的电流、电压,Il为光电流,IS是反向饱和暗电流,n为曲线因数,VT是热电压,RS、RSh分别为太阳电池的串、并联电阻。
对于一般的晶体硅太阳电池,其并联电阻很容易达到1kΩ以上,而串联电阻在0.01Ω左右,所以两者的影响通常可以忽略不计。于是(2)式可以改写为:
对于由36片太阳电池串联组成的太阳电池组件,由于存在失配的问题,因此用曲线因数的有效平均值n*代替n。为便于分析,假定每片电池的电性能特性相同,亦设I、V为太阳电池组件负载上的电流、电压,则用V/36代替(4)式中的V,于是得到如下的太阳电池组件的I-V关系式:
组件测试仪测试太阳电池组件的电性能参数时,只能检测有限组数据。考虑到测试误差,我们将(7)式中的ISC、VOC项各乘以一个系数ri、rv,于是:
3不同入射光强的获得
目前,太阳电池组件测试仪所使用的光源主要有点光源、线光源和环形光源3种。线光源、环形光源均可以近似看作点光源处理。由于在生产工厂条件下不容易精确获得所需的入射光强,而且改变光源距离的方法比较复杂,我们只能采用直接改变光强强度的方法,在太阳电池组件表面覆盖相应数量的玻璃,从而根据测得的短路电流ISC获得最接近所需的入射光强Iin。
4测试结果及分析
我们采用JD02型太阳电池组件测试仪测试太阳电池组件的电性能参数。先用100Wp标准太阳电池组件(1000W/m2,AM115,25℃)校准测试仪,定义此时的入射光光强为测试标准光强Iino,然后根据太阳电池短路电流与入射光光强成正比的原理,用覆盖玻璃的方法确定相当于标准光强100%、80%、60%、40%和20%左右的入射光Iini(i=0,1,2,3,4),对用SHARP多晶硅太阳电池制造的编号为0927-m19的110Wp太阳电池组件进行测试。然后根据太阳电池组件的ISC值、VOC值以及(8)式计算出不同电压下的电流值。
不同光强下的测试参数及计算值见表1～表5。
根据表1～表5的数据作出太阳电池组件0927-m19的I-V曲线图(点状图)及拟合的I-V曲线图(连续线图),如图3所示。
将图4中曲线外推到Iin=0的情形(此时ISC=0),n*≈1135。此值与理想情形n*=1的差异,应该是由太阳电池的原材料质量、制造工艺以及电池串联失配等因素造成的。
5结语
太阳电池组件的输出功率随着入射光强的增大而增大,太阳电池组件的曲线因数也增大,太阳电池组件性能在逐步变差,因此输出功率增大的幅度逐步减小。同时,太阳电池组件在自然环境中使用时,随着入射光强的增大,组件温度也会上升,影响功率的输出,因而输出功率会进一步减小。
关键词:太阳电池组件;入射光强;曲线因数;单指数模型;拟合曲线
0前言
太阳电池组件在实际应用中,每时每刻的输出功率几乎都是不一样的,而且很少时间能达到它的标称功率,这主要是受到它接受的入射光强的影响,其次是环境温度也会影响输出功率。
太阳电池组件是由一定数量的太阳电池串/并联接后层压封装而成的,其电性能主要由太阳电池的性能决定。太阳电池的二极管品质因数(又称为二极管曲线因数,用字母n表示)直接反映了所制备的太阳电池的好坏,理想情况是曲线因数n=1。当光线照射到太阳电池组件上时,相当于对太阳电池进行光注入。而当撤消光照射时,则撤消了光注入。针对不同的入射光强Iin太阳电池组件的曲线因数n也将发生明显的变化。当Iin较大时,相当于对半导体器件的大注入,n也会严重偏离理想值。当然,随着入射光强的增大,组件的输出功率会不断增大。然而,曲线因数和温度也会随之增加,输出功率增加的幅度会逐步减小。
本文根据太阳电池参数的模拟模型,采用作拟合曲线的方法求解不同光强下太阳电池组件的曲线因数,并在此基础上分析研究太阳电池组件曲线因数n与入射光强Iin的关系。
1理论分析
按照国际、国内相关光伏标准的规定,太阳电池组件的标称功率是在一定温度和标准太阳光强条件(AM115,100mW/cm2)下的测试值,是目前公认的对太阳电池组件的度量衡。
实际应用中,在地球表面上的某一点,由于太阳光的入射角随着时间的改变而变化,同时受到诸如云层、季节、纬度等因素的影响,地球表面接收到的太阳光能量是不断改变的。按照物理学中正交分解分析方法,太阳电池组件在一天之中,垂直于组件正面方向上的光强分量是时间的函数,即
对于平行光源来说,要改变太阳电池组件的入射光强,可以:(1)直接改变光强强度Iin;(2)改变入射角α,如图1(a)所示。
对于点光源来说,要改变太阳电池组件的入射光强,可以:(1)直接改变光强强度Iin;(2)改变点光源距离d,如图1(b)所示。
据文献[3]报道,在工程应用中,太阳电池参数的单指数模型比双指数模型更简单、实用,所以本文中采用单指数模型来模拟太阳电池组件。
太阳电池等效电路如图2。
太阳电池参数单指数模型的I-V关系为:
其中,I、V分别为负载上的电流、电压,Il为光电流,IS是反向饱和暗电流,n为曲线因数,VT是热电压,RS、RSh分别为太阳电池的串、并联电阻。
对于一般的晶体硅太阳电池,其并联电阻很容易达到1kΩ以上,而串联电阻在0.01Ω左右,所以两者的影响通常可以忽略不计。于是(2)式可以改写为:
对于由36片太阳电池串联组成的太阳电池组件,由于存在失配的问题,因此用曲线因数的有效平均值n*代替n。为便于分析,假定每片电池的电性能特性相同,亦设I、V为太阳电池组件负载上的电流、电压,则用V/36代替(4)式中的V,于是得到如下的太阳电池组件的I-V关系式:
组件测试仪测试太阳电池组件的电性能参数时,只能检测有限组数据。考虑到测试误差,我们将(7)式中的ISC、VOC项各乘以一个系数ri、rv,于是:
3不同入射光强的获得
目前,太阳电池组件测试仪所使用的光源主要有点光源、线光源和环形光源3种。线光源、环形光源均可以近似看作点光源处理。由于在生产工厂条件下不容易精确获得所需的入射光强,而且改变光源距离的方法比较复杂,我们只能采用直接改变光强强度的方法,在太阳电池组件表面覆盖相应数量的玻璃,从而根据测得的短路电流ISC获得最接近所需的入射光强Iin。
4测试结果及分析
我们采用JD02型太阳电池组件测试仪测试太阳电池组件的电性能参数。先用100Wp标准太阳电池组件(1000W/m2,AM115,25℃)校准测试仪,定义此时的入射光光强为测试标准光强Iino,然后根据太阳电池短路电流与入射光光强成正比的原理,用覆盖玻璃的方法确定相当于标准光强100%、80%、60%、40%和20%左右的入射光Iini(i=0,1,2,3,4),对用SHARP多晶硅太阳电池制造的编号为0927-m19的110Wp太阳电池组件进行测试。然后根据太阳电池组件的ISC值、VOC值以及(8)式计算出不同电压下的电流值。
不同光强下的测试参数及计算值见表1～表5。
根据表1～表5的数据作出太阳电池组件0927-m19的I-V曲线图(点状图)及拟合的I-V曲线图(连续线图),如图3所示。
将图4中曲线外推到Iin=0的情形(此时ISC=0),n*≈1135。此值与理想情形n*=1的差异,应该是由太阳电池的原材料质量、制造工艺以及电池串联失配等因素造成的。
5结语
太阳电池组件的输出功率随着入射光强的增大而增大,太阳电池组件的曲线因数也增大,太阳电池组件性能在逐步变差,因此输出功率增大的幅度逐步减小。同时,太阳电池组件在自然环境中使用时,随着入射光强的增大,组件温度也会上升,影响功率的输出,因而输出功率会进一步减小。
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