太阳电池的热电特性分析

能源是人类面临经济发展和环境维护平衡时需要解决的最根本最重要的问题。能源储存的有限量问题促使人类去开发、寻找、应用新的替代能源。太阳能是一种极为丰富的清洁能源，地球每年接受的太阳能总量为l×1018kwh，相当于5×1014桶原油(是探明原油储量的近干倍)，是世界年耗总能量的一万多倍。由于通常最普遍的而且最方便使用的是电能，太阳光伏发电技术能将太阳能直接转换为电能，因而是最有应用前景的太阳能利用方式。

目前，太阳光伏发电在航天技术上已发挥了很大作用，成为航天器的重要电源，在地面上的应用也愈来愈广泛。但光伏发电的成本太高，还无法与常规能源发电相竞争。因此降低光伏发电的成本，对于提高光伏发电的竞争力，促进光伏发电的推广应用具有重要意义。通过改进电池制造工艺、采用新技术提高转换效率，可以降低光伏发电的成本，但降低的步伐比较缓慢。采取聚光方法，可以使太阳电池工作在几倍乃至几百倍的光强条件下，从而可以大大降低光伏发电的成本，具有良好的应用前景。但目前聚光光伏发电技术还很不成熟，从而限制了这一技术的广泛应用。

本文建立了聚光光伏发电系统的数学模型，然后对不同聚光光伏发电系统方案的热电特性进行了计算和分析，得到了太阳电池的串联电阻和换热系数对系统输出性能的影响规律以及不同冷却方式下太阳电池工作温度随光强的变化规律。

1.数学物理模型的建立

太阳电池的电学特性方程

如果在太阳电池两端接上一个负载电阻RI，那么太阳电池在工作状态下的等效电路如图l所示。它相当于一个电流为J9h的恒流源与一只正向二极管并联。流过二极管的正向电流在太阳电池中称为暗电流Id。Rsh称为旁路电阻．主要由下列几种因素引起：如表面沾污而产生的沿着电池边缘的表面漏电流；沿着位错微观裂缝、晶粒间界和晶体缺陷等形成的细小桥路而产生的漏电流。Rs称为串联电阻，系由扩散顶区的表面电阻、电池的体电阻和上下电极与太阳电池之间的欧姆电阻及金属导体的电阻构成的。

根据图l所示的等效电路可知，流过负载的电流为：



由上述模型可以看出，太阳电他的输出特性和工作温度不可能通过分析解来得到，必须通过迭代和数值模拟的方法得到。计算方法是通过热平衡方程得到太阳电他的工作温度，然后通过太阳电他的电特性方程计算电他的伏安特性，得到太阳电他的峰值输出功率、转换效率等参数，然后再把新的转换效率代入热平衡方程进行新一轮计算，直到满足计算精度为止。

2计算结果和分析

本文以直径为10cm的圆形单晶硅太阳电池为例，对不同串联内阻和换热系数下的太阳电池输出特性和工作温度进行了数值模拟，下面就计算结果进行详细讨论。

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