不同遮盖物下太阳电池的输出特性研究

王 桢 王海祥

(金陵科技学院机电工程学院 江苏 南京 211169)

现全球的能源短缺和环境污染已成为制约可持续发展的重要因素，发展清洁高效的可再生能源已成为燃眉之急.太阳能发电作为一种重要的能源转换形式，以无污染、易维护等优点越来越被各国重视.而效率却是制约其发展的重要问题之一.

有别于使用传统燃料的发电，太阳电池的发电效率非常容易受到外界环境的干扰.近年来，有学者对太阳电池发电效率的影响因素进行研究.文献[1]提出蚌埠地区20 d的表面积尘会使光伏组件发电功率减少24%[1].文献[2]提出广州地区积尘会降低太阳电池表层玻璃对一定波长的光的透过率.文献[3]提出灰尘对不同类型的太阳电池影响不同.文献[4]提出雾霾天气会在积灰的基础上进一步降低太阳电池的输出.文献[5]研究了不同波长的光对柔性太阳电池输出的影响.文献[6]研究了不同面积阴影的遮挡下光伏组件的功率损失.

为进一步研究尘土、落叶、积雪这三者的遮盖对太阳电池输出的影响,笔者在南京地区分别进行了多次户外实验，记录太阳电池开路电压和短路电流的数据，经分析发现3种遮盖物对太阳电池的短路电流输出均有不同程度的削弱，对开路电压的影响则不是很显著.

1 研究所用设备

1.1 太阳电池

太阳电池的理想等效电路如图1所示.

图1 太阳电池理想等效电路

图中，Rs为串联电阻，Rsh为并联电阻，两者是太阳电池的内阻，其存在消耗了电池能量，降低发电效率.

太阳电池的伏安曲线方程为

(1)

式(1)中，IL为光生电流，I0为二极管反向饱和电流，q为单位电荷量，n为二极管的理想系数，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度.

令I=0，可以得到太阳电池的开路电压方程为

(2)

如图2所示，实验设备由两块相同参数的多晶硅太阳电池、支架和测量设备组成.在进行每次实验时，确保各块太阳电池处于同一位置并保持相同朝向和倾角，测量其开路电压与短路电流.

图2 多晶硅太阳电池

研究用太阳电池理论数据如表1所示.

表1 研究用太阳电池理论数据(STC)

1.2 同型号太阳电池输出差异度

即使是相同参数的太阳电池，由于生产工艺等多方面不可控因素，在同一环境下的输出也不尽相同.因此为了确保后续研究实验结果的真实和精确，实验前测量其同一环境下输出的差异是必要的.测量数据如表2和表3所示.

表2 晴天下两块太阳电池的输出差异度

表3 阴雨天两块太阳电池的输出差异度

根据表2的数据计算出，在辐照充足的晴天下，两块太阳电池的开路电压输出差异在0.535 V左右，差异较大.短路电流输出差异在0.032 5 A左右，差异较小.开路电压和短路电流的差异均比较稳定.

根据表3的数据计算出，在辐照低的阴雨天气，两块太阳电池的开路电压差异在0.341 25 V左右，短路电流差异在0.002 15 A左右，开路电压存在一定的差异，短路电流差异较小.

2 研究过程及分析

笔者根据尘土、落叶、积雪这3种不同的遮盖物分别进行实验研究.

2.1 尘土遮盖下太阳电池输出特性研究

实验研究前收集些许尘土，充分捣碎研磨，然后在一块太阳电池上喷洒清水，将尘土随机撒在电池表面，放置户外晒干，收回后，充分抖动该太阳电池，将结块的尘土抖落.另一块太阳电池保持表面洁净.实验时，确保两块太阳电池处于同一位置，同一倾角和朝向，如图3所示.

图3 尘土遮盖

研究记录的数据如表4所示.

表4 尘土遮盖下太阳电池的输出数据

尘土遮盖在太阳电池表面，部分太阳光被尘土漫反射回空气，同时在电池表面的尘土颗粒之间会存在一定的间隙，部分太阳光以不同角度从间隙进入被太阳电池吸收.尘土的遮盖减弱了太阳电池总体接收的太阳辐照能量.

经计算，尘土遮盖的太阳电池的输出在开路电压上比表面洁净的太阳电池平均减少0.31%，在短路电流上平均减少9.7%，实验曲线对比结果如图4所示，图中实线对应表面洁净的太阳电池，虚线曲线对应表面尘土覆盖的太阳电池.

(a)开路电压Uoc

可见，尘土遮盖对太阳电池开路电压输出的影响并不明显.对短路电流的影响很大，短路电流输出降低了9.7%.

2.2 落叶遮盖下太阳电池输出特性研究

该研究探究不同数量的落叶遮盖下太阳电池的输出特性.

在一块太阳电池上逐片增加树叶，另一块太阳电池保持表面洁净，如图5所示.

图5 落叶遮盖

每一次增加树叶均测量多组数据，求均值后填入表中，数据如表5所示.

表5 落叶遮盖下太阳电池的输出数据

实验过程中，落叶受当地风速的影响较大.

经计算，随着落叶数量的增加，被遮盖的太阳电池的开路电压输出减少了0.1%～0.4%，短路电流输出减少17.2%～27.6%.落叶遮盖对太阳电池的开路电压输出影响甚微，对短路电流输出能力的削弱程度会随着电池表面落叶数增加而有一定程度的增加.

2.3 积雪遮盖下太阳电池输出特性研究

该研究探究积雪遮盖对太阳电池输出的影响.

如图6所示,在下雪天气将一块太阳电池置于户外，待其表面积累一定的积雪后，将另一块表面洁净的太阳电池放在同一位置，保持相同倾角和朝向，记录数据.

图6 积雪遮盖

研究记录的数据如表6和表7所示.

表6 少量积雪覆盖下太阳电池的输出数据

表7 多量积雪覆盖下太阳电池的输出数据

根据记录的数据，绘出少量积雪和多量积雪覆盖下的输出曲线图，如图7所示.

(a)开路电压Uoc

随着积雪的增多，太阳电池表层积雪的透光度逐渐降低，穿透太阳电池表层玻璃的光越来越少，加上表层积雪的反射和低辐照度环境，太阳电池的输出大打折扣，短路电流输出的削弱极为明显.

经计算，在少量积雪覆盖下的太阳电池开路电压输出平均减少了0.38%，短路电流输出平均减少13.92%.多量积雪覆盖下的太阳电池开路电压输出平均减少了3.32%，短路电流输出平均减少54.76%.

3 研究结论

根据上述实验，得出如下结论：

(1)太阳电池在尘土、落叶、积雪的遮盖下，开路电压的变化不明显.短路电流的变化很明显，易于观察，在不同遮盖物下有不同程度的削弱.

(2)对于研究中所使用的太阳电池，尘土遮盖使其开路电压输出减少0.31%，使其短路电流输出减少9.7%.不同数量的落叶遮盖使其开路电压输出减少0.1%～0.4%，使短路电流输出减少17.2%～27.6%.不同量的积雪覆盖使其开路电压输出减少0.38%～3.32%，使短路电流输出减少13.92%～54.76%.

(3)鉴于不同遮盖物下太阳电池开路电压的变化均不明显，可以得出在被遮盖的情况下太阳电池输出功率的变化主要来自于输出电流的变化.

4 结束语

太阳电池作为一种清洁可再生能源，可利用自然资源，几乎不受地域限制，具有无噪声，无污染等诸多优势，然而也有他较其他发电形式的劣势.通过研究和实验观测，探讨影响发电的因素和规律，从而在太阳能电站建设和维护中，采取必要可行的措施，以获取更高的效率.