非平面布片对太阳电池电压及电流的影响

刘博

【摘 要】本文主要介绍了在非平面的基板上进行太阳电池阵布片的情况下，不同的太阳光照角对太阳电池阵电压及电流的影响，以及在非平面的基板上进行太阳电池阵布片的方法及注意事项。

【关键词】太阳电池；非平面；太阳电池阵电流、电压

1.前言

卫星的太阳帆板多为平面结构，太阳电池阵对日定向或者对日成一定的角度呈周期性变化。部分卫星由于结构设计和功能作用不同，而采用体装式太阳电池阵的设计方法，如风云系列卫星，但是采用体装式太阳电池阵的设计面临的问题是太阳电池阵的入射角度变化大，这就导致太阳电池阵只能有部分太阳电池接收到光照，另一部分电池无法接收到光照。从而对太阳电池阵的电压电流产生影响。

2.太阳入射角对电压电流的影响

太阳电池阵的输出功率P=U×I，U代表太阳电池阵的输出电压，由太阳电池阵的串联数量决定，I代表太阳电池阵的输出电流，由太阳电池阵的并联数量决定。同时，太阳电池阵的输出电压与输出电流还受光照角的影响。太阳光线与太阳电池法相的夹角成为这片电池的光照角，如图1所示：

一般来讲，光照角越小，太阳电池的最佳工作点电压及最佳工作点电流越大，太阳电池产生的功率越大。若太阳电池阵的电池均不再同一个平面则每一片太阳电池的光照角则不相同，这导致每一片太阳电池的电流及电压均不相同。这就对太阳电池阵的输出功率造成了影响，下面主要讨论球形体装式布片对太阳电池的电流及电压的影响。

2.1非平面布片对电流的影响

若太阳光成光照角θ斜照太阳电池时，如图2所示，先假设太阳光以相同状态正照太阳电池，计算出太阳电池产生的电流I，然后乘以光照角的余弦值cosθ得出此时的太阳电池的最佳工作点电流I0[2]，即：I0=I×cosθ。

按照上述原理可以得到在AM0下，不同太阳光照角下的太阳电池的最佳工作点电流，如图2所示：

由上图可以看出，随着光照角度的变大，太阳电池的最佳工作点电流在逐渐变小，并且光照角度在0度到60度之间的时候，太阳电池的最佳工作点电流与余弦值的变化基本吻合，但是当光照角度在60度到90度之间时，太阳电池的最佳工作点电流要小于正照下太阳电池的最佳工作点电流的余弦值。这是由于在太阳电池盖片正面的入射角较大时，会在盖片、盖片胶粘剂、太阳电池以及盖片/胶粘剂和胶粘剂/电池的界面中发生不同程度的反射和透射损失。发生这些效应的原因是由于在较大的入射角时，太阳电池上的减反射涂层会增大它们的表现光学厚度，太阳电池的表现光谱发生变化，在盖片上的多层蓝光反射涂层使它们的表现起始波长变得较短，以及吸收滤光层增大它们的表现厚度，因而使起始波长变得较长。若卫星的太阳电池入射角确定的时候，可以根據卫星太阳电池阵的入射角优化设计太阳电池和盖片的参数，已达到增加电流输出的目的[3]。

由于每一串的电池输出电流受该串电池中输出电流最差的太阳电池影响较大，所以每一串电池要尽可能的布在光照角相同的地方，并且尽量将太阳电池布置在光照角度小的地方[4]。

2.2非平面布片对电压的影响

不同的太阳电池光照角与电压的关系如下图所示：

由上图可以看出，随着光照角度的变大，太阳电池的最佳工作点电压在逐渐减小，但是减小的并不明显。在0度到70度的光照角变化下，太阳电池电压降了约0.2V。所以在太阳电池阵串联数设计的时候，应考虑太阳电池压降产生的影响。在80度到90度的光照角下，太阳电池的电压在显著降低，此时会出现串联电池电压小于母线电压的情况，此时该串联电池组会变成负载，出现漏流，如下图所示：

上图所示为随着电压变化产生的漏流的图，由此图可以看出，随着反向电压的增加，漏流会逐渐增加，当反向电压达到临界点之后，随着反向电压的增加，漏流会显著增加。所以要在光照角大的太阳电池上增加隔离二极管，以防止漏流。

3.结论

在进行非平面的卫星太阳电池阵设计时要考虑到光照角度对太阳电池阵的影响，在太阳入射角已确定的前提下，可以根据入射角的位置优化太阳电池与盖片的工艺参数，同时每一串的的电池在设计时要考虑将该串的太阳电池放到光照角相同的位置，减少电流损失。在进行太阳电池阵并联设计时应考虑并联数要按照较低的光照角下的太阳电池的电压设计，防止出现漏流现象。

【参考文献】

[1] 屠佳佳 光照入射角对太阳能电池输出功率的影响 中国计量学院报 2012

[2] 常泽辉，田瑞 固定式太阳电池方阵最佳倾角的实验研究.电源技术.2007

[3] Hans，S，Rauschenbach Solar Cell Array Design Handbook ，The Principles and Technology of Photocoltaic Enery Conversion.

[4] Chirstel Nomayr，Claus Zimmermann DEGRADATION OF SOLAR ARRAY COMPONENTS IN A COMBINED UV/VUV HIGH TEMPERARURE TEST ENVIRONMENT