太陽能電池板發(fā)電效率的實(shí)驗(yàn)研究

太陽能電池板發(fā)電效率的實(shí)驗(yàn)研究

1研究問題的提出能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。它也是今天國際政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和外交領(lǐng)域的中心。中國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的不斷擴(kuò)大與強(qiáng)大的能源保障密切相關(guān)。面對(duì)全球氣候變暖和迫在眉睫的能源危機(jī)等一些問題,大家逐漸認(rèn)識(shí)到發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)是必然選擇,作為一種可再生能源和新能源的太陽能,擁有清潔環(huán)保、永不衰竭的優(yōu)點(diǎn),受到了世界各國的青睞。在國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)中已經(jīng)明確重點(diǎn)研究太陽能等新能源技術(shù)。近年來,南京地區(qū)在太陽能利用方面取得了較好的進(jìn)展,在多個(gè)方面進(jìn)行了利用[3,4,5,6,7,8,9,10,11]。但是目前太陽能發(fā)電的效率還依舊偏低,影響太陽能電池效率的主要原因是電學(xué)損失和光學(xué)損失。光學(xué)損失主要是指太陽能材料本身的光譜效應(yīng),即材料對(duì)不同波長的光響應(yīng)不同,電學(xué)損失主要是指歐姆損失和載流子損失。為了更好地在南京地區(qū)利用太陽能能源,本文重點(diǎn)研究了太陽能電池板的光學(xué)損失,分析了不同照射角度下太陽能的發(fā)電效率和不同波長光照下的伏安特性和效率;同時(shí)研究了電池板的電學(xué)歐姆損失,即針對(duì)不同的電池串并聯(lián)排列,測試分析了輸出功率的差異。文中設(shè)計(jì)了太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)的測試裝置,結(jié)合不同電池板的組合方案,逐一進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)總結(jié)。2不同波長光照強(qiáng)度對(duì)太陽能電池功率的影響太陽能利用技術(shù)以其干凈無污染且普遍存在的特性受到我國各個(gè)省份的重視,作為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海省份江蘇在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中處于全國的前列,但能源問題是發(fā)展的瓶頸,為了更好的發(fā)展太陽能利用技術(shù),尤其在南京地區(qū)太陽能利用率逐年提高。例如,高鐵南京南站在站房屋頂鋪設(shè)太陽能電池板,建成后的南京南站已經(jīng)成為全球比較大的建筑一體化太陽能發(fā)電系統(tǒng)。為了更好的利用太陽能資源,充分了解和掌握太陽能電池對(duì)不同波長光照的發(fā)電效率是很有必要的,同時(shí)針對(duì)不同太陽能電池板的連接,其發(fā)電量也會(huì)有所不同。基于此,針對(duì)南京地區(qū),本文分別研究了紫光(390—455nm)、藍(lán)光(455—492nm)、黃光(577—597nm)和紅光(622—770nm)的四種波段的光對(duì)太陽能電池板產(chǎn)生效率的不同。實(shí)驗(yàn)中,太陽能電池板與太陽光線處于垂直位置,即太陽光垂直照射,分別使用不同的濾光片進(jìn)行透射,使得不同波段光照射到太陽能電池板上,由電壓和電流測量電路進(jìn)行測量相關(guān)參數(shù),進(jìn)而求出太陽能電池板的功率,再由繪制的電池板伏安特性圖分析得出結(jié)論,設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在固定的光照強(qiáng)度下光電池的輸出功率取決于負(fù)載電阻R,太陽能電池的輸出功率在最佳負(fù)載電阻R時(shí)達(dá)到最大功率為:結(jié)合公式1可近似計(jì)算出各波長相應(yīng)的最大功率。通過不同的實(shí)驗(yàn),得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出,577—597nm濾光片的測試最大功率和短路電流在四種濾光片中最大。被測單晶硅材料的電池片對(duì)暖色熱光源響應(yīng)明顯,即當(dāng)波長較大的光(即大于577nm光)照射時(shí),電池片的功率相對(duì)較高;而在波長較短的光范圍內(nèi)響應(yīng)較弱,電池板功率相對(duì)較低。3光照效率實(shí)驗(yàn)在實(shí)際的太陽能電池使用中,太陽能電池板的方向和太陽能光線的夾角對(duì)電池板的發(fā)電效率有很大的影響,為了更好的研究和使用太陽能電池,具體實(shí)驗(yàn)測試了太陽能電池板的法線和光線不同夾角下的光照效率實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)入射光線與電池板法線平行(即入射光線垂直照射電池板)時(shí),太陽能電池板的產(chǎn)生電壓電流的效率最大,隨著照射角度的增大,產(chǎn)生的功率逐漸減小。同時(shí),對(duì)一天中不同時(shí)刻的太陽光照強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中太陽光與太陽能電池板的法線平行,即太陽光線垂直照射,探索了一天中太陽能電池的效率。具體規(guī)律趨勢如圖4所示。從圖中可以看出,中午十二點(diǎn)到下午兩點(diǎn)間的三個(gè)小時(shí)內(nèi),太陽能的發(fā)電能力應(yīng)該最強(qiáng),隨著太陽傾斜角的增加,效率逐漸下降。4電池板不同連接方式下的太陽能發(fā)電效率測量由于電學(xué)損失使得太陽能電池板組合方式不同時(shí),可能產(chǎn)生的電能和其效率也相應(yīng)各不相同,因此在實(shí)驗(yàn)中,針對(duì)不同的電池板串并聯(lián)排列方式進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。共采用了串聯(lián)和并聯(lián)相關(guān)的5種組合方式。測量時(shí),對(duì)每一種連接方式分別進(jìn)行了不同照射角度的測量,測量時(shí)間一樣,每種連接狀態(tài)都是取測量的最大值,圖5分別為電池板的5種連接方式。表1為五種連接方式下,電池板的伏安特性,實(shí)驗(yàn)中對(duì)每種連接方式均采用了不同的角度照射,得出了不同的數(shù)據(jù)。針對(duì)每一種連接,在開路情況下,測量其輸出電壓V,然后在短路的情況下測量其輸出的電流I。根據(jù)伏安特性,畫出了不同連接方式下的功率曲線。根據(jù)所測量的數(shù)據(jù)結(jié)果,對(duì)五種連接方式下的太陽能發(fā)電效率進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果如圖6所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在5種不同的組合中,四片電池并聯(lián)方式的組合提供的電流最強(qiáng)、四片電池串連方式組合提供的電壓最強(qiáng),四串并聯(lián)方式和四并聯(lián)方式的功率最大。5不同波長太陽能光照轉(zhuǎn)換效率比較針對(duì)南京地區(qū)太陽能發(fā)電的應(yīng)用問題,本文設(shè)計(jì)了太陽能光電轉(zhuǎn)換效率測試裝置,并針對(duì)不同波長的太陽光線