非平面布片對(duì)太陽(yáng)電池電壓及電流的影響

劉博

【摘 要】本文主要介紹了在非平面的基板上進(jìn)行太陽(yáng)電池陣布片的情況下，不同的太陽(yáng)光照角對(duì)太陽(yáng)電池陣電壓及電流的影響，以及在非平面的基板上進(jìn)行太陽(yáng)電池陣布片的方法及注意事項(xiàng)。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)電池；非平面；太陽(yáng)電池陣電流、電壓

1.前言

衛(wèi)星的太陽(yáng)帆板多為平面結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)電池陣對(duì)日定向或者對(duì)日成一定的角度呈周期性變化。部分衛(wèi)星由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能作用不同，而采用體裝式太陽(yáng)電池陣的設(shè)計(jì)方法，如風(fēng)云系列衛(wèi)星，但是采用體裝式太陽(yáng)電池陣的設(shè)計(jì)面臨的問(wèn)題是太陽(yáng)電池陣的入射角度變化大，這就導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣只能有部分太陽(yáng)電池接收到光照，另一部分電池?zé)o法接收到光照。從而對(duì)太陽(yáng)電池陣的電壓電流產(chǎn)生影響。

2.太陽(yáng)入射角對(duì)電壓電流的影響

太陽(yáng)電池陣的輸出功率P=U×I，U代表太陽(yáng)電池陣的輸出電壓，由太陽(yáng)電池陣的串聯(lián)數(shù)量決定，I代表太陽(yáng)電池陣的輸出電流，由太陽(yáng)電池陣的并聯(lián)數(shù)量決定。同時(shí)，太陽(yáng)電池陣的輸出電壓與輸出電流還受光照角的影響。太陽(yáng)光線與太陽(yáng)電池法相的夾角成為這片電池的光照角，如圖1所示：

一般來(lái)講，光照角越小，太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)電壓及最佳工作點(diǎn)電流越大，太陽(yáng)電池產(chǎn)生的功率越大。若太陽(yáng)電池陣的電池均不再同一個(gè)平面則每一片太陽(yáng)電池的光照角則不相同，這導(dǎo)致每一片太陽(yáng)電池的電流及電壓均不相同。這就對(duì)太陽(yáng)電池陣的輸出功率造成了影響，下面主要討論球形體裝式布片對(duì)太陽(yáng)電池的電流及電壓的影響。

2.1非平面布片對(duì)電流的影響

若太陽(yáng)光成光照角θ斜照太陽(yáng)電池時(shí)，如圖2所示，先假設(shè)太陽(yáng)光以相同狀態(tài)正照太陽(yáng)電池，計(jì)算出太陽(yáng)電池產(chǎn)生的電流I，然后乘以光照角的余弦值cosθ得出此時(shí)的太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)電流I0[2]，即：I0=I×cosθ。

按照上述原理可以得到在AM0下，不同太陽(yáng)光照角下的太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)電流，如圖2所示：

由上圖可以看出，隨著光照角度的變大，太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)電流在逐漸變小，并且光照角度在0度到60度之間的時(shí)候，太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)電流與余弦值的變化基本吻合，但是當(dāng)光照角度在60度到90度之間時(shí)，太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)電流要小于正照下太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)電流的余弦值。這是由于在太陽(yáng)電池蓋片正面的入射角較大時(shí)，會(huì)在蓋片、蓋片膠粘劑、太陽(yáng)電池以及蓋片/膠粘劑和膠粘劑/電池的界面中發(fā)生不同程度的反射和透射損失。發(fā)生這些效應(yīng)的原因是由于在較大的入射角時(shí)，太陽(yáng)電池上的減反射涂層會(huì)增大它們的表現(xiàn)光學(xué)厚度，太陽(yáng)電池的表現(xiàn)光譜發(fā)生變化，在蓋片上的多層藍(lán)光反射涂層使它們的表現(xiàn)起始波長(zhǎng)變得較短，以及吸收濾光層增大它們的表現(xiàn)厚度，因而使起始波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)。若衛(wèi)星的太陽(yáng)電池入射角確定的時(shí)候，可以根據(jù)衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣的入射角優(yōu)化設(shè)計(jì)太陽(yáng)電池和蓋片的參數(shù)，已達(dá)到增加電流輸出的目的[3]。

由于每一串的電池輸出電流受該串電池中輸出電流最差的太陽(yáng)電池影響較大，所以每一串電池要盡可能的布在光照角相同的地方，并且盡量將太陽(yáng)電池布置在光照角度小的地方[4]。

2.2非平面布片對(duì)電壓的影響

不同的太陽(yáng)電池光照角與電壓的關(guān)系如下圖所示：

由上圖可以看出，隨著光照角度的變大，太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)電壓在逐漸減小，但是減小的并不明顯。在0度到70度的光照角變化下，太陽(yáng)電池電壓降了約0.2V。所以在太陽(yáng)電池陣串聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)考慮太陽(yáng)電池壓降產(chǎn)生的影響。在80度到90度的光照角下，太陽(yáng)電池的電壓在顯著降低，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)串聯(lián)電池電壓小于母線電壓的情況，此時(shí)該串聯(lián)電池組會(huì)變成負(fù)載，出現(xiàn)漏流，如下圖所示：

上圖所示為隨著電壓變化產(chǎn)生的漏流的圖，由此圖可以看出，隨著反向電壓的增加，漏流會(huì)逐漸增加，當(dāng)反向電壓達(dá)到臨界點(diǎn)之后，隨著反向電壓的增加，漏流會(huì)顯著增加。所以要在光照角大的太陽(yáng)電池上增加隔離二極管，以防止漏流。

3.結(jié)論

在進(jìn)行非平面的衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到光照角度對(duì)太陽(yáng)電池陣的影響，在太陽(yáng)入射角已確定的前提下，可以根據(jù)入射角的位置優(yōu)化太陽(yáng)電池與蓋片的工藝參數(shù)，同時(shí)每一串的的電池在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮將該串的太陽(yáng)電池放到光照角相同的位置，減少電流損失。在進(jìn)行太陽(yáng)電池陣并聯(lián)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮并聯(lián)數(shù)要按照較低的光照角下的太陽(yáng)電池的電壓設(shè)計(jì)，防止出現(xiàn)漏流現(xiàn)象。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 屠佳佳 光照入射角對(duì)太陽(yáng)能電池輸出功率的影響 中國(guó)計(jì)量學(xué)院報(bào) 2012

[2] 常澤輝，田瑞 固定式太陽(yáng)電池方陣最佳傾角的實(shí)驗(yàn)研究.電源技術(shù).2007

[3] Hans，S，Rauschenbach Solar Cell Array Design Handbook ，The Principles and Technology of Photocoltaic Enery Conversion.

[4] Chirstel Nomayr，Claus Zimmermann DEGRADATION OF SOLAR ARRAY COMPONENTS IN A COMBINED UV/VUV HIGH TEMPERARURE TEST ENVIRONMENT