鄧永和，張景森，閻 金，王志剛

（湖南工程學(xué)院 理學(xué)院，湘潭411104）

太陽能做為清潔能源相對于常規(guī)能源的有限性，具有儲量的“無限性”，為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景.在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，太陽能利用不僅可能而且可行［1－2］.

上世紀(jì)50年代的第一塊實用硅太陽電池的問世，揭開了光電技術(shù)的序幕，也揭開了人類利用太陽能的新篇章［3］.1998年，世界太陽電池年產(chǎn)量已超過150MW，是1994年產(chǎn)量的兩倍還多.單晶硅太陽電池的平均效率為15%，最高效率已達(dá)24.7%；多晶硅太陽電池效率也達(dá)14%，最大效率為19.8%；非晶硅太陽電池的穩(wěn)定效率，單結(jié)為6%～9%，實驗室最高效率為12%，多結(jié)電池為8%～10%，實驗室最高效率為11.83%［4－5］.

我國的光伏發(fā)電應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代，在20世紀(jì)末，我國太陽能電池的研究和生產(chǎn)還處于基礎(chǔ)和小規(guī)模階段.在當(dāng)前國際國內(nèi)能源日趨緊張的形勢下，受西方發(fā)達(dá)國家大力推廣太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用并取得顯著成效的鼓舞［6－7］.我國在2005年3月正式頒布了《中華人民共和國可再生能源法》，并于2006年開始實施.該政策的出臺，將促進(jìn)我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，使太陽能光伏發(fā)電量上升到一個新的水平.當(dāng)前影響光電池大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙是制造成本太高［8］.因此，發(fā)展太陽能電池的主要目標(biāo)是通過改進(jìn)現(xiàn)有的制造工藝，設(shè)計新的電池結(jié)構(gòu)，開發(fā)新穎電池材料等降低制造成本，提高光電轉(zhuǎn)換效率.

1 試驗方法

單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟.在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率可達(dá)到15%.在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位［9］，實驗用太陽能電池組件由深圳索陽太陽能電池有限公司生產(chǎn)提供的單晶硅太陽能組件.實驗測試電壓與電流輸出的測試儀器采用的是深圳市費思泰克科技公司生產(chǎn)的FT8三位半的數(shù)字萬用表，測試用匹配電阻箱是上海電表廠的ZX90，其它的連接導(dǎo)線是自制的銅質(zhì)導(dǎo)線.

在一定的光照和溫度條件下，改變太陽能電池負(fù)載電阻的大小，測量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性.負(fù)載電阻為零時測得的最大電流ISC稱為短路電流，負(fù)載斷開時測得的最大電壓VOC稱為開路電壓，太陽能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積.

2 試驗結(jié)果與討論

實驗中通過對太陽能組件的串聯(lián)與并聯(lián)，達(dá)到對電流、電壓的擴(kuò)展，研究不同組合太陽能電池的性能.實驗中采用伏安法測電壓電流，在一定的光照強度和溫度條件通過調(diào)節(jié)外聯(lián)負(fù)載的電阻大小，測試組件的電壓、電流數(shù)據(jù)，研究太陽能電池的主要性能.實驗過程中綜合考慮了包括環(huán)境溫度、光照條件在內(nèi)的多個因素，通過多次測量并記錄各不同條件下太陽能電池的輸出特性.每次測量前都在暗室內(nèi)進(jìn)行暗電流的測試，掌握一切微小因素，力求更精確地測出太陽能電池組件伏安特性曲線.客觀地反映了實驗測試的必要性和可行性.

在研究之前對5W單片光伏組件的電壓電流進(jìn)行了測試，測試的開路電壓為20V，短路電流為0.25A，與廠家提供的數(shù)據(jù)一致.

圖1（a）測試了10片5W的太陽能電池組件的伏安特性，在電流很小的開路情況下，輸出電壓為20V，在輸出電流為2.4A時，輸出電壓呈直線下降到零.測試反映了實驗用太陽能組件具有優(yōu)異的性能.測試組件的功率與輸出電流的關(guān)系見圖1（b），分析發(fā)現(xiàn)輸出功率隨著輸出電流的的增大近似線性增大.圖1（b）測試在電流2.5A處功率接近最大，但沒有達(dá)到最大功率，可能與當(dāng)時太陽的強度等實驗因素有關(guān)系.

圖1 10片5W的太陽能組件并聯(lián)的伏安特性曲線（a）及輸出功率與輸出電流的關(guān)系（b）

圖1的實驗過程中綜合考慮了包括環(huán)境溫度、光照條件在內(nèi)的多個因素，通過多次測量并記錄各不同條件下太陽能電池的輸出特性.每次測量前都在暗室內(nèi)進(jìn)行暗電流的測試，力求更精確地測出太陽能電池組件伏安特性曲線.

6片5W的太陽能組件串聯(lián)的電壓電流特性的關(guān)系如圖2所示，經(jīng)分析特性曲線與理論值基本接近，總體伏安特性走勢與理論也相一致.隨著電壓的減小，不同規(guī)格的太陽能電池組合中的電流都是增大到一定程度后，基本保持不變.隨著電流的增大，與圖1中6片5W串聯(lián)組合的電壓走勢稍微平緩些，不同規(guī)格的太陽能電池組合與單片的太陽能伏安特性曲線是一致的，可以認(rèn)為太陽能電池組合對伏安特性曲線的影響很小.

圖2 6片8W太陽能組件串聯(lián)的伏安特性曲線

從圖2可以看出，6片8W太陽能組件串聯(lián)的伏安特性曲線達(dá)到電流飽和時的電壓為98.6V，小于理論的120V，可以認(rèn)為多片串聯(lián)后的輸出電壓有一定的降低，而輸出電流的變化并不明顯.并且內(nèi)阻大的達(dá)到飽和時電壓較小.在電壓一定的情況下，根據(jù)太陽能電池組合的電流走勢關(guān)系，隨著外電路輸出電流不斷增大，電壓在一定范圍內(nèi)是保持不變的，之后才開始減小的，最終達(dá)到零.當(dāng)飽和電流為0.20A，輸出電壓迅速降為零，實驗發(fā)現(xiàn)10片5W串聯(lián)的短路電流減小了.分析得到在輸出電流不大的情況下，輸出電壓與所加負(fù)載無關(guān)，主要取決于光照強度.

不同規(guī)格的太陽能電池組合飽和電流也是不一樣的.圖3中曲線A為5片5W的光伏組件并聯(lián)的伏安特性曲線，輸出最大電流為1.27A，曲線B為3片5W光伏組件并聯(lián)的伏安特性曲線，輸出最大電流為0.80A，曲線C為單片5W光伏組件的伏安特性曲線，輸出最大電流為0.25A，曲線B為10片5W光伏組件并聯(lián)的伏安特性曲線，輸出最大電流為2.5A.

圖3 不同規(guī)格太陽能組件并聯(lián)組合的伏安特性曲線

分析圖3可以得到并聯(lián)之后的最大電流較單片的電流基本一致，但是稍微有些增大，測試發(fā)現(xiàn)輸出電流在輸出電壓小于10V以后幾乎沒有變化，這與圖2測試得到的結(jié)果一致.當(dāng)輸出電壓大于17.8V以后，輸出電流迅速減小，這和廠家提供的光伏組件的充電電壓為17.8V是一致的，能達(dá)到很好的充電性能.

研究發(fā)現(xiàn)在光照強度與溫度一定的情況下，太陽能電池的飽和電流與其半導(dǎo)體材料的性質(zhì)有關(guān)，因此研究不同的半導(dǎo)體材料的太陽能電池，提高飽和電流值，是能夠提高太陽能電池匹配負(fù)載的能力，從而提高光伏板的太陽能轉(zhuǎn)化率.

研究了光伏組件組合后的輸出功率隨著輸出電壓的不斷增加，電池的輸出功率逐漸增大，達(dá)到最大輸出功率Pmax后急劇減小直到為0，根據(jù)輸出電壓與功率特性，光伏組件能再一定的程度上體現(xiàn)自保和對被充電電池的保護(hù).其變化情況與理論基本相一致，說明輸出功率變化受到外界所加負(fù)載的影響，并且在負(fù)載一定的情況下，太陽能電池能夠達(dá)到最大輸出功率.組合后在輸出電壓小于17.8V的情況下，輸出功率與輸出電壓成線性關(guān)系，最主要是因為在輸出電壓小于17.8V的輸出電流幾乎不變保持為恒電流輸出.與圖1中10片串聯(lián)光伏太陽能電池的伏安特性曲線相符合.

在連接負(fù)載不同的情況下光伏電池的輸出電壓基本上能恒定不變，維持在12V左右，隨著電流的增大，輸出的功率導(dǎo)線性增加，當(dāng)電流達(dá)到最大值的時候，此時功率值最大，然而隨著電流繼續(xù)增加，在負(fù)載一定的情況下，功率卻逐漸減小.光伏太陽能電池的輸出功率隨負(fù)載電阻的增加而變化.顯然當(dāng)光照強度與周圍環(huán)境溫度一定的情況下，太陽能電池的輸出功率在負(fù)載電阻一定范圍內(nèi)增大而增大，但負(fù)載電阻超出一定值，輸出功率隨著負(fù)載電阻的繼續(xù)增大，輸出功率減小，反映了光伏組件具有一定的內(nèi)阻，當(dāng)負(fù)載與內(nèi)阻匹配時，輸出功率最大.在光伏組件工作時要合理的選擇負(fù)載，提高太陽能電池的利用率.

3 結(jié) 論

通過研究光伏組件組合的伏安特性曲線，得到單片光伏組件的開路電壓為20V，短路電流0.25A.實驗測試了10片5W光伏組件的輸出伏安特性電壓和功率電流特性以及幾種規(guī)格光伏組件串聯(lián)與并聯(lián)的伏安特性以及輸出功率的性能，總結(jié)如下：

（1）電池組件并聯(lián)能提高輸出電流，輸出電流的提高基本與理論設(shè)計相同，輸出的伏安特性與單片的伏安特性基本一致，但是等效輸出電流較單片輸出電流要小，輸出功率在輸出電流較小的情況下與電流成線性關(guān)系.

（2）電池組件串聯(lián)后輸出的電壓提高，提高的電壓與理論相一致，輸出電流相對比較理想，輸出功率變化和并聯(lián)情況基本相同.

（3）光伏太陽能組件的功率輸出特性反映了光伏組件很好的電源特性，并且具有保護(hù)性能.

研究結(jié)果顯示了光伏組件的為了達(dá)到一定的輸出電壓、電流及功率要求，可以對光伏組件進(jìn)行組合，組合對光伏組件的輸出性能幾乎沒有影響.

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