【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 單元模型和外觀。電池單元是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，一般不單獨(dú)作為電源使用。將每個(gè)單元進(jìn)行串、并聯(lián)并封裝后就成為光伏電池組件，功率一般為幾瓦、幾十瓦甚至數(shù)百瓦，眾多光伏電池組件需要再進(jìn)行串、并聯(lián)后形成光伏電池陣列，就構(gòu)成了“太陽能發(fā)電機(jī)（ Solar Generator）”。這與傳統(tǒng)的發(fā)電方式是完全不同的：既沒有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，也不排出氣體，是清潔的、無噪聲的發(fā)電機(jī)。 圖 21單個(gè)光伏電池的模型和外觀 光伏電池的物理模型 光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。這個(gè)電流隨著光強(qiáng)的增加而增大，當(dāng)接受的光強(qiáng)度一定時(shí)， 可以將光伏電池看作恒流電源。目前使用的光伏電池可看作 PN 結(jié)型二極管，因?yàn)樵诠獾恼丈湎庐a(chǎn)生正向偏壓，所以在 PN 結(jié)為理想狀態(tài)的情況下，可根據(jù)圖 22 表示的等效電路來考慮。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 22 理想狀態(tài)的太陽能電池等效電路圖 在這種等效電路中，加給負(fù)荷的電壓 V 和流過負(fù)荷的電流 I 之間的關(guān)系式， 可由下式給出。 e x p 1Lo qVI I I n K T????? ? ????????? (21) 其中 I 為電池單元輸出電流； IL 為 PN 結(jié)電流（ A）； IO 為二極管的反向飽和電流（ A）； V 為外加電壓（ V）； q 是單位電荷 （ 10 19? k 庫侖）； K 是玻耳茲曼常數(shù)（ 10 23? J/K）； T 是絕對(duì)溫度（ K）； n 為二極管指數(shù) [5]。 但是在實(shí)際的光伏電池中，由于電池表面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過它們時(shí)，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻 RS來表示；同時(shí)，由于電池邊沿的漏電，在電池的微裂痕、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過負(fù)載的電流短路，這種 作用可用一個(gè)并聯(lián)電阻 RSh 來等效表示。此時(shí)的等效電路可根據(jù)圖 23 來描述，其伏安特性可由 22 式給出。 圖 23 實(shí)際光伏電池等效電路圖 ? ?e x p 1S SLoShq V R I V R II I I n KT R????? ???? ? ? ????????? （ 22） 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 此式叫做光伏電池的超越方程式。 光伏電池的輸出特性及其影響因素 光伏電池的輸出特性包括伏安特性、溫度特性和光譜特性，其中伏安特性和溫度特性主要通過 IV 和 PV 特性曲線來加以體現(xiàn)。而光譜特性主要研究光伏電池與入射光譜的關(guān)系，所以本文不對(duì)其進(jìn)行討論。本節(jié)將著重探討前兩種特性及其相關(guān)參數(shù)。 光伏電池的 IV 和 PV 特性曲線 光伏電池的伏安特性是一定光強(qiáng)、一定溫度下，電池的負(fù)載外特性，直接反映出電池輸出功率。在一定的光強(qiáng)的照射下，特性曲線完全由電池的 PN 結(jié)特性和電阻分散參數(shù)確定。對(duì)應(yīng)不同的光照強(qiáng)度時(shí)，電池有不同的輸出特性曲線，曲線上任何一點(diǎn)都可以作為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的縱和橫坐標(biāo)分別為工作電流和工作電壓，兩者之積即為電池的輸出功率 P，即 P=VI。如圖 24 所示 [6]。 圖 24 光伏電池的 IV和 PV特性曲線 可以看出，此 IV 曲線具有高度的非線性特征，這樣就存在一個(gè)最大功率輸出問題，在第四章中將對(duì) 此問題進(jìn)行研究。在 PV 特性曲線中，可以看出隨著端電壓由零逐漸增長輸出功率先上升然后下降，說明存在一個(gè)端電壓值，在其附近可獲得最大功率輸出，跟 IV 曲線說明了同一個(gè)問題，這為光伏發(fā)電控制方法的改進(jìn)提供了途徑。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 光伏電池的主要參數(shù) 光伏電池的幾個(gè)重要技術(shù)參數(shù) [7]： Isc：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電流。 Voc：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電壓。 （ IM）：在給定日照強(qiáng)度和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流。 （ VM）：在給定日照和溫度下相應(yīng) 于最大功率點(diǎn)的電壓。 （ PM）：在給定日照和溫度下光伏電池可能輸出的最大功率。 ： MOC SCPFF VI? ? （ 23） ：輸出功率 Po 與陽光投射到電池表面上的功率 Ps 之比，其值取決于工作點(diǎn)。通常采用光伏電池的最大效率值作為其效率 ?， MMPPSPP???? （ 24） 以上各個(gè)參數(shù)可以在圖 25 中表示如下： 圖 25 光伏電池的伏安特性曲線 圖 25 中，在 IV 曲線上總可以找到一工作點(diǎn)，此點(diǎn)處的輸出功率最大，此點(diǎn)就是最大功率點(diǎn)（ MPP），即圖中 M 點(diǎn)。 M 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流 IM 為最佳工作電流， VM 為最佳工作電壓， PM 為最大輸出功率，由圖和公式還可以看出，光伏電池不工作于最大功率點(diǎn)時(shí)，其效率都低于按此定義的效率值，甚至?xí)偷搅恪? 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 太陽的光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響 圖 25 中的伏安特性曲線是在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下得到的，在實(shí)際運(yùn)用中，光伏電池的開路電壓和短路電流都會(huì)隨著兩者的變化而變化。圖 26 是溫度不變時(shí)，不同日照強(qiáng)度下的光伏電池的特性曲線。 圖 26 不同日照強(qiáng)度下的光伏特性 （ a）光伏電池的伏安曲線；（ b）光伏電池的功率電壓曲線 從實(shí)驗(yàn)中得到，電池的開路電壓近似的與光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比。光強(qiáng)從 2001000W/m2開路電壓變化比較平穩(wěn)。在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)早晨光線不強(qiáng)和中午烈日當(dāng)空時(shí)，所測(cè)量的開路電壓相差不大；而天空光線極差時(shí)，開路電壓會(huì)直線下降，幾乎為 0。而短路電流是隨光強(qiáng)的增加而成正比的增加 所以，在溫度恒定的情況下，電池的轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨光強(qiáng)的增加而增加。對(duì)于一個(gè)給定的功率輸出，電池的轉(zhuǎn) 換效率決定了所需的電池板的數(shù)量，所以電池達(dá)到盡可能高的轉(zhuǎn)換效率是極其重要的。而這個(gè)結(jié)論就為提高轉(zhuǎn)換效率提供了一種途徑：可以通過加裝聚光器來加強(qiáng)光照強(qiáng)度，從而減少光伏電池的使用，降低光伏發(fā)電的成本。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 溫度對(duì)光伏電池輸出特性的影響 溫度上升將使光伏 電池開路電壓 Voc 下降，短路 電流則略微增大，如圖 27 是日照強(qiáng)度不變時(shí)，不同溫度下的光伏電池的特性曲線。由公式 MMPP Sp p????可知其效率隨著溫度的上升而下降，即光伏電池轉(zhuǎn)換率具有負(fù)的溫度系數(shù)。所以在應(yīng)用時(shí)，如果使用聚光器，則聚光 器的聚光倍數(shù)不能過大，以免造成結(jié)溫過高使電池轉(zhuǎn)換率下降甚至損害電池。 圖 27 不同溫度下的光伏特性 （ a）光伏電池的伏安曲線；（ b）光伏電池的功率電壓曲線 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第三章 光伏發(fā)電系統(tǒng)中聚光器的研究與設(shè)計(jì) 太陽能聚光器的工作原理：利用光學(xué)系統(tǒng)（反射或折射器）使較大面積的入射光聚集在較小面積上，提高單位面積上的入射光強(qiáng)度。對(duì)于給定的總能量，聚集在較小的面積上意味著較小的熱量損失。雖然太陽光經(jīng)過會(huì)聚之后會(huì)造成一定的光學(xué)損失，流失一部分能量（相對(duì)較少），但實(shí)驗(yàn)表明在一定程度的光線會(huì)聚之后，工作溫度有一定程度的提高。 具體的聚光器工作原理和性能特點(diǎn)在下文中將予以詳細(xì)的分析。 聚光比 聚光器的聚光比，是反映聚光器聚光性能的一個(gè)重要參數(shù)，在研究聚光器之前，首先要介紹一下太陽能聚光器的聚光比。聚光比 C 的定義為：聚光器口徑面積 A? 和接收器吸收面積 A 吸 之比值。具體公式如下 [7]： AC A??吸 （ 31） 聚光比影響著聚光器的工作溫度及其成本。對(duì)于給定的入射光，聚光比越高，入射光就能會(huì)聚到越小的區(qū)域，熱能的損失越低，聚光器的 工作溫度相對(duì)越高。同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，聚光比越高，聚光器的成本相對(duì)也就越貴。圖 31 表示聚光器聚光比 C 和聚焦中心可能達(dá)到的最高溫度 Tmax 之間的關(guān)系。 圖 31 聚光比與聚焦中心可能達(dá)到的最高溫度的關(guān)系 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 典型聚光器的性能分析 拋物面反射鏡的聚光性能 理論和實(shí)驗(yàn)都已證明拋物面反射鏡是能將平行于鏡面光軸的光線會(huì)聚于焦點(diǎn)的鏡面。由于實(shí)際的陽光并非平行光，所以陽光經(jīng)拋物面鏡聚焦后，不可能會(huì)聚在一點(diǎn)，而是形成一個(gè)焦斑區(qū)域。在槽形拋物面反射鏡中，接收器通常為圓管；聚焦旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器的吸收器可以是球體、圓板、也可以是空 腔球體?，F(xiàn)以槽形拋物面反射鏡和圓管接收器為例來分析拋物面反射鏡的聚光性能。圖 32 為典型的槽形拋物面反射鏡的光路圖。 圖 32槽形拋物面反射鏡的光路圖 聚光器的聚光比根據(jù)定義為： A B l BC A d l d? ???? ? ??吸 （ 32） 式中 l— 槽形拋物面反射鏡的長度； B— 槽形拋物面反射鏡的開口寬度； d— 圓管接收器的直徑。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 33槽形拋物面反射鏡局部光路分析圖 由 32 式可知，接收器的直徑的大小是由聚光比決定的。如圖 33，與聚光比關(guān)系推導(dǎo)如下： 2 sind R a? （ 33） 式中 a 為太陽張角的半角，具體的角度為 16176。 ； R 為拋物面上任何一點(diǎn)到接收器中心的距離，根據(jù)拋物而的方程2 4sincosy fxyRx f R??? ????? ???求解得到： 21 cosfR ?? ? （ 34） 4 sin1 cosfd ??? ? （ 35） θ— 位置角，即任意一點(diǎn)的反射光軸與鏡面主光軸之間的夾角。 θ 是變量， 35 式不等號(hào)右邊的函 數(shù)是關(guān)于 θ 的函數(shù)，不管 θ 取何值，接收器直徑必須滿足 35 式?？梢詫?5 式理解為接收器的直徑（越小損失越小）至少要等于右邊函數(shù)的最大值。所以，通過求出 35 式右邊函數(shù)的最大值，得到： 22 sin16Bdf f ????????? （ 36） 將上式帶入 32 式，求得理想情況下槽形拋物面聚光器幾何聚光比 C 的計(jì)算式為： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2107 .316BCBff?? ??????? （ 37） 以上是當(dāng)接收器為圓管時(shí)得到的結(jié)果。其它形狀的接收器，可以根據(jù)相同的原理進(jìn)行分析 [8]。 復(fù)合 拋物面（ CPC）聚光器 上一小節(jié)所提到的拋物面反射鏡聚光器進(jìn)行聚光成像，需要平行于鏡面主光軸的光線，也就是聚光器需要接收太陽直射輻射才能工作。所以拋物面反射鏡聚光器需要附加跟蹤裝置工作。但是跟蹤裝置開發(fā)困難、制造成本較高，這使得人們轉(zhuǎn)向?qū)ふ乙环N不用跟蹤裝置的聚光器。復(fù)合拋物面聚光器，是由二片槽形拋物面反射鏡以及裝設(shè)在底部的接收器構(gòu)成。這種聚光器只聚光不成像，因而不需要跟蹤太陽，至多只需要根據(jù)季節(jié)變化作少量?jī)A斜度的調(diào)整。 要分析 CPC 復(fù)合聚光器的性能，我們引入這樣一個(gè)常量 — θmax 入射光最大張角。其物理含義為 ：對(duì)任意一個(gè)復(fù)合拋物面聚光器，對(duì)于在 θmax 范圍以內(nèi)的全部入射光線，都按最大聚光比聚集給接收器，超過 θmax 范圍外的光線經(jīng)過拋物面鏡反射回太空。 圖 34 復(fù)合拋物面聚光器的光路分析圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 如圖 34，已知拋物線 U 和拋物線 V 是軸對(duì)稱的，且拋物線 U 的焦點(diǎn) fU 在拋物線 V上，根據(jù)對(duì)稱性原理拋物線 V 的焦點(diǎn) fV也在拋物線 U 上；拋物線的主光軸與 CPC 中軸的夾角為 θmax。根據(jù)拋物面聚光器的聚光原理以及 θA 定義，復(fù)合拋物面聚光器有：當(dāng)入射光與 CPC 中軸的夾角小于 θmax 時(shí)就被拋物面鏡直接反射到底部接收器上；當(dāng)入射光 與CPC 中軸的夾角等于 θmax 時(shí)，光線就能被拋物面鏡反射到底部接收器的邊緣點(diǎn)（拋物面焦點(diǎn) fU 或 fV上）；當(dāng)入射光與 CPC 中軸的夾角大于 θmax 時(shí)，都被拋物面鏡反射回天空。也就是說，如果拋物鏡是理想的，投射在 CPC 開口上的在 177。 θmax 之間的輻射都會(huì)被會(huì)聚到接收器上。 根據(jù)已知理論，理想的二維 CPC 的聚光比為： max1sinBC d ??? （ 38） 根據(jù) 38 式知， CPC 的聚光比完全由 θ max 決定，要得到大的聚光比， θ max 就必須減小，但理論及實(shí)驗(yàn)均證明 θ max 減小會(huì)導(dǎo)致一年之中調(diào)整 CPC 的次數(shù)增加。設(shè)計(jì) CPC時(shí)要注意這些問題。 折射式菲涅爾聚光器 菲涅爾聚光器是一種使透射的入射光折射聚焦的聚光器，聚光器一面為平面，另一面為按照一定寬度和角度設(shè)計(jì)的鋸齒棱角，如圖 35 所示，它可以設(shè)計(jì)成點(diǎn)聚焦式（圓盤鏡），也可以設(shè)計(jì)成線聚焦式（長條鏡）。 圖 35菲涅爾透鏡聚光方式 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 折射式菲涅爾聚光器的工作原理相對(duì)反射式的聚光器來說較簡(jiǎn)單。陽光從平面一側(cè)透射到另一側(cè)，經(jīng)過鋸齒棱角折射，會(huì)聚到一個(gè)小的區(qū)域范圍內(nèi)，其光學(xué)原理如圖 36所示。 圖 36菲涅爾折射聚光器的光折射原理 設(shè)菲涅爾透鏡某一鋸齒的棱角為Φ，當(dāng)陽光垂直于透鏡平面入射時(shí)，根據(jù)光的折射幾何關(guān)系有： ? ?22ta n xn x f f? ? ?? （ 39） 式中 n— 材料的折射率；