劉圣君，豐 海

（廈門城市職業(yè)學(xué)院，福建 廈門 361008）

1 引言

隨著煤、石油、天然氣等常規(guī)能源的日益枯竭和氣候變化等環(huán)境壓力的日益增大，人們將目光轉(zhuǎn)向了能為我們提供清潔能源的太陽.諾貝爾獎(jiǎng)得主Smalley在華盛頓召開的一次學(xué)術(shù)會(huì)議上列出了在今后的50年中人類面臨最大的十個(gè)問題,其中能源和環(huán)境問題都在里面,并且能源問題居于榜首[1]8.占地球總能量99%以上的太陽能,可以說是取之不盡,用之不竭,而且更重要的是其潔凈無污,因而日益成為綠色能源的首選[2]1,[3]4.歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在90年代初就大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，日本在今年的福島核電站事故后，更是大力應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電.我國(guó)在十二五規(guī)劃中也強(qiáng)調(diào)了大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，推廣應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電.

太陽能光伏發(fā)電的原理簡(jiǎn)單地說就是在光照下，具有特殊電性能的n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體內(nèi)能產(chǎn)生自由移動(dòng)的電荷并形成內(nèi)電場(chǎng)，這些自由電荷在內(nèi)電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)并積累，從而在其兩端形成穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)，將其兩端閉合便產(chǎn)生電流.太陽能光伏發(fā)電的基本流程如下：

由太陽能電池陣列出來的是直流電，若負(fù)載是交流設(shè)備，我們需用逆變器把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，若發(fā)的電用不完，我們用蓄電池把多余的電能儲(chǔ)存起來供陰雨天使用.其中的中央控制器是用來控制對(duì)蓄電池的充放電和逆變的控制，為了防止過充或過放電進(jìn)而保護(hù)蓄電池.然而，如何提高太陽能光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換率一直是業(yè)界科學(xué)家們研究的重要課題.影響太陽能光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換率的因素有很多，太陽能電池板制作的工藝和材料等光伏系統(tǒng)內(nèi)在的問題，以及光伏發(fā)電廠所處的緯度，光伏組件的安裝傾角，環(huán)境的溫度、濕度、季節(jié)的變化、陰晴度等都對(duì)光電轉(zhuǎn)換率有重要的影響.本文通過一個(gè)具體的模型，闡述了光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部及外部一些環(huán)境的隨機(jī)性對(duì)太陽能光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換率的影響，并給出具體算法的程序和計(jì)算結(jié)果.

2 模型和算法

我們的模型把影響光伏發(fā)電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)化率的因素分為兩大類，光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的隨機(jī)性和外部環(huán)境的隨機(jī)性.由于溫度和濕度等因素的變化會(huì)影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化率，其變化對(duì)光電轉(zhuǎn)化率的影響有一定的延遲性，因此，在我們的模型引中引入了兩個(gè)時(shí)間延遲，分別是濕度和溫度變化的延遲時(shí)間.模型的方程式如下：

其中，x(t)是照射到光伏組件上的太陽輻射能量；s(t)是通過逆變器輸出的電流；在光電轉(zhuǎn)化過程中考慮到兩個(gè)延遲時(shí)間 τ1和 τ2，τ1和 τ2分別是濕度和溫度變化的延遲時(shí)間.ξ是各種環(huán)境因素相互作用的強(qiáng)度；D 1是溫度和濕度等環(huán)境因素對(duì)光電轉(zhuǎn)化效率的影響；D 2是系統(tǒng)內(nèi)部因素對(duì)光電轉(zhuǎn)化效率的影響，通過影響材料對(duì)太陽光的吸收能力和電荷載流子的遷移率來影響光電轉(zhuǎn)化率,t是時(shí)間，A,B,C是常數(shù).

模擬計(jì)算的算法程序如下：

計(jì)算結(jié)果如下圖：

圖1 光伏系統(tǒng)外部的隨機(jī)性對(duì)功率的影響

圖2 光伏系統(tǒng)內(nèi)部的隨機(jī)性對(duì)功率的影響

圖1和圖2分別表明了光伏系統(tǒng)外部的隨機(jī)因素和內(nèi)部的隨機(jī)性對(duì)光電轉(zhuǎn)換率的影響.由圖可知，溫度和濕度對(duì)光伏系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換率的影響相對(duì)較大，光伏系統(tǒng)外部的隨機(jī)性對(duì)光電轉(zhuǎn)化率的影響是主要的.因?yàn)樵诓煌瑴囟认?光伏電池的禁帶寬度、開路電壓、輸出功率和效率的變化都不同，對(duì)于晶體硅材料而言，半導(dǎo)體硅的能帶結(jié)構(gòu)和能隙寬度與硅的原子間距有關(guān),當(dāng)溫度升高時(shí),半導(dǎo)體原子平均動(dòng)能增加,因而，電子被激發(fā)到導(dǎo)帶所需的能量減少.但光伏系統(tǒng)內(nèi)部的隨機(jī)性也不能忽略，當(dāng)隨機(jī)因數(shù)調(diào)整到合適時(shí)，可以得到較大的功率.因此我們可以通過各種物理摻雜來影響光伏系統(tǒng)內(nèi)部的隨機(jī)性,進(jìn)而改善材料對(duì)太陽光的吸收能力和電荷載流子的遷移率，最終提高光電轉(zhuǎn)化率.此外，還要考慮到電池板制作的工藝和材料等問題導(dǎo)致電池板內(nèi)部存在漏電,如電池板表面有污點(diǎn)而產(chǎn)生的沿著電池邊緣的表面漏電流；沿著位錯(cuò)微觀裂紋和晶體缺陷等形成的細(xì)小橋路而產(chǎn)生的漏電流等.我們可以從熱力學(xué)觀點(diǎn)來分析光伏系統(tǒng)內(nèi)部的隨機(jī)性以及環(huán)境等因素對(duì)光電轉(zhuǎn)化率的影響,光電轉(zhuǎn)換中電子從低能帶躍遷到高能帶,要滿足兩個(gè)條件:一是入射光子的能量要大于材料的禁帶寬度;二是入射光子的能量中所含的有效能要大于電子躍遷所需的有效能.

3 小結(jié)

本文建立了一個(gè)具體的模型來描述光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換率，此模型把影響光電轉(zhuǎn)換率的隨機(jī)因素分為兩類，光伏系統(tǒng)內(nèi)部的隨機(jī)因素和周圍環(huán)境的隨機(jī)因素.并考慮了溫度和濕度變化影響光電轉(zhuǎn)換率的延遲性，引入了兩個(gè)時(shí)間延遲.此外，還考慮了各種隨機(jī)因素的相互作用.本文給出了具體的隨機(jī)模擬算法的程序，最后得出了影響光電轉(zhuǎn)化率的定性和定量的結(jié)果.溫度和濕度對(duì)光伏系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換率的影響相對(duì)較大，光伏系統(tǒng)內(nèi)部的隨機(jī)性對(duì)光電轉(zhuǎn)化率的影響也是不能忽略的.我們考慮隨機(jī)性時(shí)只是很粗略地劃分，若能把光伏系統(tǒng)內(nèi)部的隨機(jī)性進(jìn)一步細(xì)化，通過調(diào)整各個(gè)影響因子的大小，則能為提高光電轉(zhuǎn)化率奠定一個(gè)堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ).此模型和算法經(jīng)進(jìn)一步修正還可應(yīng)用于更多實(shí)際的隨機(jī)系統(tǒng).

〔1〕MichaelGratzel.Chemistry Letters[J].2005(34):8-20.

〔2〕Hang Chun hui,Li Fu you,Huang Yan yi.Ultrathin Films for Optics and Electronics[M].Beijing:Peking University Press,2001.

〔3〕LeiYongquan.New EnergyMaterials[M].Tianjin:Tian jin University Press,2000.