太阳能电池输出特性的研究

3 收稿日期 :2006 - 12 - 05太阳能电池输出特性的研究刘长青 钟水库 张纪波(广西大学物理科学与工程技术学院 ,广西 南宁 530004)摘 要 : 通过对 FD - O E - 4 型太阳能电池进行实验测试 ,获得了其输出功率与输出电流 、 输出电压以及外接电阻的关系 ,找到了该太阳电池在最大输出功率时的外接电阻 ;测量了该太阳电池的最大输出功率与光照度之间的关系 ; 并提出了一种测量太阳能电池效率的新方法 ,实验结果显示 :太阳能电池的效率与光照度无关 。关键词 : 太阳能电池 ;输出功率 ;光照度 ; 太阳能电池效率中图分类号 : TM914. 4 文献标识码 :A 文章编号 :1003 - 7551 (2007) 01 - 0039 - 03随着全球能源危机出现 ,太阳能作为一种新能源 ,对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题 。 目前 ,太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面 。 利用太阳能发电目前有两种方法 ,一是利用热能产生蒸气驱动发电机发电 ,二是太阳能电池 。 太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是 21 世纪的热门课题 ,许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究 [ 1 ] 。 太阳能电池是将太阳能直接转化为电能的半导体器件 ,我们要将尽可能多的太阳能转化为电能 ,这样太阳能电池的输出特性就显得尤其重要 [ 2 ] 。1 实验原理太阳能电池可以吸收太阳光中的部分能量 ,并将吸收的太阳能转化为电能 。太阳能电池的输出特性是指它吸收了太阳能量后 ,能够转化为多少电能与其它因素之间的关系 。 太阳能电池的输出特性是一个很复杂的性质 ,它和电池本身 、 光照强度 、 外接电路性质等等因素有关 。 太阳能电池的输出特性有电压输出 、 电流输出 、功率输出 ,我们研究的是功率输出和电压 、 电流 、 外接电阻之间的关系以及最大输出功率和光照强度之间的关系 [ 3 ] 。 实验装置于图 1 :图 1 太阳能电流实验装置图当光照强度一定时 ,也就是当 d 一定时 ,改变变阻箱的阻值 ,用数字万用表测量其两端的电压 ,这样就可以得到输出功率与电阻 、 输出电流 、 输出电压之间的关系 [ 1 ] 。改变光照强度 ,也就是调节太阳能电池与光源的距离 d 值 ,测量几组不同的电压值 ,可以得到在不同的光照下的最大输出功率 ,以及最大输出功率和光照强度的关系 。93第 1 期 太阳能电池输出特性的研究2 实验数据及处理保持太阳能电池与光源的距离 d = 15cm 时 ,改变电阻箱的阻值 ,用数字万用表测量电阻箱两端电压 ,得到数据如下表 :表 1 FD2O E24 型太阳能电池 (由 8 块 1cm × 1cm 串联 ) 输出电压与外接电阻R (10000Ω ) U (V ) R (10000Ω ) U ( V) R(10000Ω ) U (V )∞ 3. 787 0. 48 3. 285 0. 23 1. 84210 3. 767 0. 45 3. 229 0. 22 1. 7639 3. 764 0. 42 3. 148 0. 21 1. 6868 3. 761 0. 41 3. 115 0. 20 1. 6045 3. 750 0. 40 3. 070 0. 18 1. 4502 3. 696 0. 39 3. 025 0. 16 1. 2881. 9 3. 690 0. 38 2. 977 0. 14 1. 1281. 8 3. 685 0. 37 2. 915 0. 12 0. 9641. 7 3. 679 0. 36 2. 854 0. 10 0. 8061. 6 3. 669 0. 35 2. 789 0. 08 0. 6461. 5 3. 660 0. 34 2. 720 0. 06 0. 4841. 4 3. 650 0. 33 2. 644 0. 05 0. 4031. 3 3. 639 0. 32 2. 562 0. 02 0. 1611. 2 3. 626 0. 31 2. 480 0. 01 0. 0801. 1 3. 610 0. 30 2. 405 0. 005 0. 04031. 0 3. 590 0. 29 2. 323 0. 004 0. 03210. 9 3. 567 0. 28 2. 248 0. 003 0. 02410. 8 3. 534 0. 27 2. 172 0. 002 0. 01610. 7 3. 489 0. 26 2. 080 0. 001 0. 00800. 6 3. 424 0. 25 2. 005 0. 0001 0. 000810. 5 3. 316 0. 24 1. 925利用表 1 的数据计算得到输出功率和电阻关系如图 2 所示 ,从图 2 中可以看到 ,开始阶段输出功率随电阻增大而增大 ,增大到一定值时 ,输出功率随电阻增大反而减少 ,当 R = 4100Ω 时 ,输出功率最大 , P = 0. 295mW 。图 2 输出功率与电阻的关系曲线根据表 1 数据计算得到输出功率 P 与输出电流 I 的关系如图 3 所示 :图 3 输出功率与输出电流的关系曲线04第 28 卷 第 1 期 广 西 物 理GUAN GXI WUL I Vol. 28 No. 1 2007由图 3 可知 ,随着电流的增大 ,输出功率成线性增加 ,由 P = U × I 可以得到 ,输出电压是一个常量 ,太阳能电池处于稳压输出 。 电流达到一定值时 ,输出功率最大 。根据表 1 数据计算得到输出功率 P 与输出电压 U 的关系如图 4 所示 :图 4 输出功率与输出电压的关系曲线由图 4 可知 ,在电压较小阶段 ,输出功率与输出电压成线性关系 ,由 P = U × I 可以得到 , 输出电流是一个常量 ,太阳能电池处于稳流输出 。在不同的光照度下 ,也就是当 d 取不同的值时 ,测量得到在不同光照度的情况下的最大输出功率 。 关系曲线如图 5 所示 :图 5 最大输出功率与光照度的关系曲线由图 5 可知 ,最大输出功率随着光照度成线性变化 ,拟合它们之间的关系曲线为 y = 0. 1832 x + 0. 0121 ( y :最大输出功率 , x :光照度 ) ,太阳能电池的效率 = 最大输出功率 / 光照度 ,由 y = 0. 1832 x + 0. 0121 可得 , y/ x =0. 1832 + 0. 0121/ x ,因为 0. 0121/ x ≤ 0. 1832 ,所以 y/ x≈ 0. 1832 ,说明太阳能电池在这一光照度范围内的最大输出效率是一定的 ,为一恒定值 ,太阳能电池效率与光照度没有关系 ,直线的斜率就是它的效率 。3 结论太阳能电池的输出特性是衡量能量转化多少的特性 ,是提高能源利用率的关键所在 ,只有找到了它的影响因素 ,才可以调节它的影响因素使它工作在最佳的状态 。 通过测量太阳能电池的输出功率与输出电流 ,输出电压 ,外接电阻的关系 ,找出了最大输出功率时的外接电阻 ,并且测量了在不同的光照度下的最大输出功率 。提出了太阳能电池的效率与光照度没有关系 ,并且提供一种测量太阳能电池效率的新方法 。参 考 文 献[ 1 ]茅倾青 . 太阳能电池基本特性测定实验 [J ]. 物理实验 ,2004 :11.[ 2 ]黄昆 ,韩汝琦 . 半导体物理基础 [ M ]. 北京 :科学出版社 ,1979.[ 3 ]姜琳 . 太阳能电池基本特性测定实验 [J ]. 大学物理 ,2005 ,( 6) :52 - 55.[ 4 ]任驹 . 基于 P2N 结的太阳能电池伏安特性的分析与模拟 [J ]. 光子学报 ,2006 , (2) :171 - 175.14第 1 期 太阳能电池输出特性的研究