如何给太阳能板电池降温解读

1、青海大学太阳能光伏技术概论结课论文提高太阳能电池板光电转化率的研究学生姓名专业名称指导老师论文成绩提交日期年_月一日温度对太阳能电池效率的影响王英己（青海大学水利电力学院电气工程及其自动化光伏发电技术方向2014级）摘要：晶体硅太阳能电池是应用最广泛的太阳能电池，通过对晶体硅太阳能电池和组件的热性能进行分析研究，提出了采取降低电池工作温度的措施，该研究对阳电池和组件热性能进行改善是很有意义的。关键词：光伏；太阳能电池；温度引言：光伏发电系统的核心是太阳能电池。一个太阳能电池能否工作良好，这涉及到电池的材料、结构和外部条件等因素的影响。温度是影响电池效率的一个重要外部条件。因此，本文对温度如何影

2、响电池特性进行了理论研究，为电池的设计和实验提供一定依据1、太阳能光伏发电的组成及原理太阳能光伏发电系统由太阳能电池组件、充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等设备和蓄电池及辅助设备组成（如图1所示）。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光能转换成电能的过程，也就是光生伏特效应。在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件（太阳能电池一般为硅电池，分

3、为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池）。若干太阳能电池组件整体固定连接在一起，按电池阵列的方式排布，引线采用并联或串联的方式将电池组件产生的直流电送到太阳能光伏发电储能装置蓄电池组（其作用是储存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负荷供电，适用于解网运行的电站）,图1并网光伏发电系统结构过并网运行逆变器将直流电变为交流电,经控制装置送到变压器的低压端，通过三相变压器升压经输电线路送至电网。2、温度对太阳能电池的影响2.1、 温度对太阳能电池输出特性的影响在电池工作温度范同内，分别在250K,300K,350K下，计算转化效率与带隙的关系(Shockley-Queisse

4、rlimittoefficiency),MATLAB模拟结果如图2。由300K的SQ曲线可知，最佳的材料带隙约为1.4eV,神化钱带隙为1.42eV,在最佳带隙附近，是高效太阳能电池的理想材料。但使用最广泛且技术成熟的材料是硅，硅的带隙为1.12eV,也较为理想，因此，我们选取硅材料研究温度对太阳能电池的影响。IL4（b0.3S- 0.30。一乃一0.200.15- I必-1）.000.00.5 LG L5 10253.0恸/图2不同温度下的带隙与转化效率关系实际的电池材料不可避免地存在着各类型的缺陷，同时存在着一些杂质，如铁、铜。这些缺陷和杂质会引起附加势场，形成局域化的电子态，使电子和空穴

5、束缚存缺陷和杂质周围，形成复合中心，引起电流和转化效率的损失。这是真实太阳能电池重要的一种复合过程，称为SRH复合(ShockleyReaclHallrecombination)。形成复合中心的因素众多，无法精确表达它们的能级和态密度。在此，假设电池仅存在一个复合中心深能级且SRH复合仅存在于耗尽区。式中，e为电子电量，W为耗尽层宽度,b为俘获截面，U th为电子热速度，nt为复合那么SRH复合电流可近似表示为1:中心密度，6为本征载流子浓度。 温度-短路电流(b)温度-转化效率 温度-开路电压(d)温度-填充因子图3温度对电池输出参数的影响由图3可见，随着电池温度的增加，除了短路电流有0.1

6、4A/C的小幅上升外，开路电压，填充因子，转换效率均线性减小口其中开路电压降幅达1.41mV/C,填充因子下降0.05%/C,效率降幅达 0.06%/C。电池性能下降的主要原因是随着温度的上升暗电流急剧增 加。在输出电压小于0.6 V的工作状 态下，暗电流几乎为零，温度对其影 响可以忽略；随着输出电压的继续增 加，暗电流急剧上升，当时，电池输出电压达到开路电压，同时， 温度的影响明显加强，300K时，输出 电压为0. 81 V,暗电流与 相当，而9 一(».图5不同%下辐射复合权重与温度的关系温度为350K时，电池输出电压0.73V图4不同温度下的的暗电流曲线时，暗电流已达到大小。因

7、此，研究暗电流的形成机制及如何减小暗电流就很重要了。2.2、 温度对暗电流的影响对太阳能电池而言，暗电流不仅包括PN结的反向饱和电流，还包括电池的薄层漏电流和体漏电流。暗电流的来源主要有两个方面，一方面来自不可避免的辐射复合，另一方面是电池材料及电池制备过程中形成的缺陷和引进的杂质。这些缺陷和杂质形成大量的复合中心，损失光生载流子。为了具体研究不同成分的暗电流对电池的影响，定义辐射复合权重：在电池开路电压处，即输出电流为0时，（）的比值。分别取nt=1x1010cm-3,nt=1x1015cm-3,nt=1x1016cm-3进行模拟计算，分别绘制温度对辐射复合权重及转化率的影响，如图5、6。由

8、图5可知，复合中心浓度为1x1010cm-3时，（）几乎不随温度变化，值约为1,这说明复合中心引起的暗电流可以忽略不计，电流的损失主要是辐射复合；复合中心浓度为1x1016cm-3时，（）值约为0,这时辐射复合引起的暗电流可以忽略，暗电流主要由缺陷杂质形成的复合中心贡献，光生载流子经复合中心，大量损失；复合中心浓度为1x1015cm-3时，二者形成的复合电流相当，随着温度的升高，复合中心的影响越米越大。由图6可知，高复合中心高温下严重影响转化效率，但随着温度的降低，这种影响在减弱，且三条曲线在低温方向有汇聚的趋势。这是因为低温下，电子的热速度减小。复合中心俘获载流子的概率减小了。选取300K,

9、纵向看，复合中心浓度由1x1010cm-3增加到1x1015cm-3,效率减小了2.6%,由1x1015cm-3增加到1x1016cm-3,效率却下降了4.1%,这说明，温度一定时，电池对复合中心浓度有一个容忍范围。假设短路电流等于光生电流，则暗电流的影响主要体现在开路电压上。3、太阳能电池板降温的方法3.1、 空气冷却让空气通过两块金属平板之间，利用空气对收集器进行冷却，其中被涂黑的上层平板粘贴PV电池。被用来将电池粘贴在吸收板上的材料必须是个导热材料和绝缘材料。太阳能电池既可以做成圆形也可以做成矩形。矩形的电池可以尽可能的盖住整个吸收板区域。黑色的Bhargava等人提出结构front c

10、averPV-aminatcwutcr colicetorback coverback coverAdistance图7 PV/T系统的横截面温度分布图单品硅太阳能电池也是一个很好地吸热面板。这就是Garg等人首先提出了对PV/T平扳收集器的空气冷却的模拟仿真研究。Prakash和Sopian对这种类型的结构进行了模拟研究。Sopian分析了单通道和双通道空气冷却对收集器的性能影响。在这个结构中，空气先进入由玻璃盖板和上联金属板构成的通道，然后由下面的通道流出。总的来说，这种布置使得上吸收板的热量被带走，而减少了收集器的热损失。被涂黑并用来粘贴太阳能电池的金属板和电池表面的透明盖板把电池整个包

11、裹起来，让电池与空气流无法接触，要不然的话，电池将会被损坏。3.2、 水冷却冷却水的进口温度通常是293K,而出口温度呈线性增加。PV/T太阳能系统的输出功率是关于周围的辐射度和光伏组件温度的函数。输出功率不仅取决于热辐射强度，也取决于光谱辐射量和组件的电子临界点。温度可以用Pt100钳热电偶进行测量，而辐照度可以用日光照射强度计和结晶硅ESTI传感器进行记录。结果显示，在相同的条件下综合系统的综合效率比热电系统分开的集热器的转化效率提高了大约13%。光热收集器的效率一般都在入60%范围内。从热力学观点来看，热能转换和光电转换是两种完全不同的能源转换方式，所以它们之间很难比较。热力学中的有效能

12、源或者撅定义为下而的等式：其中Ti和To分别是热介质和周围环境的温度，m和cp分别是质量和比热。从理论上来说，烟就是部分热能转化为机械能。显然，烟值小于热能值，并随着温度的上升其值接近总的能量值。例如，假设用水做热传导介质，当水温在40120c范围内时，仅仅只有2.313.2%的热能转化为机械能。从另一方面来看，全部的光伏能都被转化成了机械能。因此，如果有更多地阳光照射到光伏电池上，它们将被转化成更高品质的能量，其次，还可以把温水加热到热水。现如今的单晶硅和薄膜化的单结太阳能电池的最高的光电转化率只有33%而不是热力学角度所说的93%。假设在热源温度为6000K（太阳）和散热器温度为300K的

13、条件下，由卡诺循环效率Y=（1-Tsink/Tsource）可知，其效率在100-95%之间，从卡诺效率的条件限制中，假设光子又重新同到了太阳，而这个过程是可逆的，并且光子发生亏损，效率才可以达到93.3%。低维结构和新特点的结构为高效率提供了保证。现如今的大多数太阳能电池都是基于第一代单晶硅片技术，只能达到500MW/year的发CuInSe2, CIS, CdTe和现在被认为最有可图8太阳能电池不同温度下的光照特性曲线电量。而在过去的16年里，太阳能电池产业似乎已经进入以薄膜电池为首的第二代太阳能电池技术了，这期间已经有CdS,a-Si（非品硅），能代替单晶硅电池的硅薄膜电池等产品。这表明

14、太阳能电池的性能能够被提高2-3倍,如果使用不同的思路将能够生产出高性能低成本的第三代太阳能电池。像热电转换这些新思路将基于第三代的生产设备上以新的方式向外界介绍。4、讨论那么，随着温度升高单晶硅太阳能电池Isc随着温度升高而略微增加，原因是：单晶硅的禁带宽度随着温度升高而减小，进而光吸收增加，会产生更大的短路电流。开路电压Voc随着温度的升高而减小，这是因为开路电压Voc随着反向饱和电流增加而降低，而反向饱和电流随着温度升高呈指数增大。开路电压Voc随着温度升高而减小，并且开路电压Voc减小的程度要远大于短路电流Isc增加的程度。所以温度升高使开路电压减小而导致太阳能电池效率降低。温度在55

15、时太阳能电池效率比在30"C的效率下降了12.7%，温度在75时太阳能电池效率比在30rC时的效率下降了21.6%，单晶硅太阳能电池效率在30时约为14%当温度达到75时效率将下降3.0%。在一定环境下应用太阳能电池，假设光强不变化，由于散热不好而使太阳能电池在55条件下丁作，其效率下降1.8%。这对太阳能电池来说是比较大的效率损失。5、结束语单晶硅太阳能电池在无光照的条件下，正向电流在确定外加电压下随着温度升高而增大的。用高压氙灯模拟太阳光，测得太阳能电池不同温度的光照特性。温度升高使得太阳能电池短路电流Isc小幅升高，开路电压Voc降低明显，填充因子FF下降，光电转换效率刀明显下

16、降，太阳能电池在55环境下工作时其效率下降1.8%当温度达到75时效率将下降3.0%。单晶硅太阳能电池产品的效率在15%一19%，效率提高的每个百分点都根困难。通过对太阳能电池温度特性的实验研究，在某些环境条件具体使用太阳能电池产品时，应考虑温度对效率的影响，增加散热或降温部件以保证太阳能电池的效率不受温度影响。参考文献1SzeSM.PhysicsofSemiconductorDevices(2)M.NewYork:JohnWileyandSons,AWiley-Intersciencepubli-cation,19812太阳能电池关于温度的综述3太阳能电池的温度特性研究通信电源技术2013年1月第30卷第1期读书的好处1、行万里路，读万卷书。2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。3、读书破万卷，下笔如有神。4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。一一达尔文5、少壮不努力，老大徒悲伤。6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。一一颜真卿7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。8、读书要三到：心到、眼到、口到9、玉不琢、