聚光太陽能光伏組件的特性研究*

陳 濤 馬明樂 宋春龍 陳 堅 陳東生

(上海電力學院數理學院 上海 200090)

1 引言

聚光太陽能電池是降低太陽能電池系統整體造價的一種措施.聚光太陽能電池是通過聚光器使較大面積的陽光會聚在一個較小的范圍內，加大光強，克服太陽輻射能流密度低的缺陷，提高光電轉換效率，因此，可以用較小面積的太陽能電池獲得較高的電能輸出.國際上大力開展聚光太陽能電池的研究.目前，日本夏普公司研制的3 結GaAs 聚光電池效率達到了39.2%(200 倍聚光)和38.9%(400 倍聚光).最近，更有世界最高效率40.7% 的3 結InGaP/GaAs/Ge 聚光電池面世[1].目前太陽能聚光方式有碟式反射、拋物槽式反射、菲涅耳透鏡式等.其中菲涅耳透鏡具有結構簡單，重量輕便，球差小，焦距短的特點，由菲涅耳透鏡構成的模塊具有結構緊湊、效率高、成本低廉等優點，并且能夠將太陽能電池密封成模塊，在聚光的過程中同時保護太陽能電池[2].

2 實驗原理

菲涅耳透鏡 (Fresnel lens) ，又名螺紋透鏡，多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制作的.鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是根據光的干涉及擾射以及相對靈敏度和接收角度要求來設計的.菲涅耳透鏡的原理基于菲涅耳波帶片，菲涅耳波帶片具有類似透鏡的作用，它可以使入射光匯聚起來，產生極大的光強[3].

利用菲涅耳透鏡將大面積分散的能量匯聚到極小面積，產生局部的高能量.在傳統的平板光伏發電系統中，太陽能電池片的成本會占到系統總成本的50%～55%.如果引入聚光技術，將太陽光聚焦到面積很小的太陽能電池片上，那么,就可以大幅度地降低昂貴的太陽能電池片的用量，從而明顯降低光伏發電的成本，其原理如圖1所示.

圖1 聚光電池原理圖

以FF是常量，有近似效率公式[4]

(1)

又因為

(2)

所以

(3)

當n倍聚光的時候，Pin擴大了n倍，Isc擴大了n倍,其效率為

(4)

(5)

式中，Voc為開路電壓，Isc為短路電流，I0為反向飽和電流密度，FF為理想因子，Pin為輸入功率.

由式(5)可知，分子、分母約掉了n，但是注意ln里面多了一個n的系數，這就是效率提高的原因.本實驗中所用實物裝置如圖2所示.

圖2 實驗所用實物裝置

3 實驗步驟

(1)選擇實驗儀器，包括菲涅耳透鏡、萬用表、鐵架臺、光源、電阻箱及導線若干.

(2)搭建實驗裝置.將菲涅耳透鏡固定于鐵架臺上適當位置，將電流表和電阻箱串聯接入電路，用于改變負載電阻和測量電流，電壓表測量太陽能電池兩端電壓.

(3)將裝置電源打開，預熱3 min.

注意：應使用單一不變的光源，盡量避免周圍非實驗變量的干擾.

(4)在無菲涅耳透鏡的情況下進行測量.

打開各實驗儀器，調節電阻旋鈕，改變輸出電壓U和輸出電流I，電阻從零開始，每增加10 Ω記錄一次，到100 Ω后，每增加100 Ω記錄一次.

(5)在有菲涅耳透鏡的情況下測量.

在光源和電池板之間增加菲涅耳透鏡，調節菲涅耳透鏡的位置，使其聚集在太陽能電池板上.調節電阻旋鈕，改變輸出電壓U和輸出電流I，電阻從零開始，每增加10 Ω記錄一次，到100 Ω后，每增加100 Ω記錄一次.

(6)關閉實驗儀器.

4 實驗數據的測量及分析

分別在無與有菲涅耳聚光透鏡下，測量其電壓、電流及功率隨著負載的變化，其數據如表1所示.

表1 有無菲涅耳聚光透鏡下實驗數據

根據記錄的數據，做出兩種情況下光伏組件的伏安特性曲線，如圖3所示.

圖3 不同情況下光伏組件伏安特性曲線

由圖3可知：

(1)菲涅耳透鏡能顯著提高光伏組件的電流，本實驗使電流從4 mA提高到7.2 mA，增幅接近2倍.這是因為菲涅耳透鏡能將光強提高到原來的40倍，就是把一個太陽，聚焦到40 sun，從而增加了光生載流子.

(2)菲涅耳透鏡對光伏組件的開路電壓影響較小.本實驗使開路電壓從8.2 V增大到8.8 V左右.

而開路電壓與短路電流、反向飽和電流之間滿足式(2)，反向飽和電流隨著光照強度的增加而緩慢增大，高的光照強度激活了電池內部更多潛在的復合中心，復合中心的存在減小了少子的擴散長度，從而引起反向飽和電流的增大.但與光生電流相比，其增加幅度非常小，因而,總的效應是開路電壓隨著光照強度的增加而緩慢增大.

不同情況下，光伏組件的輸出功率曲線如圖4所示.由圖4可知：

(1)菲涅耳聚光透鏡不影響光伏組件的最大功率點，且不會改變其功率特性曲線.

(2)聚光光伏發電，將光線均勻地聚集在太陽能光伏電池板上發電，單位面積內輻照量增加，因而效率增加,且在最大功率點增幅最大.在本實驗中，其功率從20 mW增大到40mW,增幅將近兩倍.

圖4 不同情況下光伏組件輸出功率曲線

5 實驗結論

在聚光條件下，光伏組件的性能得到提高，通過聚光器的聚光，克服了太陽輻射能流密度低的缺陷，提高了光電轉換效率.菲涅耳透鏡不影響光伏組件的最大功率點，而且在最大功率點功率增幅最大.對于太陽能本身密度低、間歇性、空間分布不斷變化的特點, 聚光太陽能電池組件可以有效地提高太陽能的光能利用率，而精確追蹤太陽光的智能裝置對于聚光太陽能電池來說格外重要.聚光太陽能電池突破了普通太陽能電池高成本的制約因素，為太陽能電池的普及開辟了一條新的道路.

參考文獻

1 鄧隱北，曹淑開. 聚光型高效率太陽能電池.新能源，2013(2):48～52

2 王振飛,楊虹.菲涅耳透鏡聚光對光伏發電效率的實驗研究.大學物理實驗,2012,25(4):42～43

3 姚敘紅,朱林泉,薛忠晉,等.菲涅耳透鏡提高太陽能利用率的研究.紅外,2009,30(3):31～32

4 http://www.solarzoom.com/thread-112504-1-1.html