太阳能电池的参数和光伏板的特性

光伏电池的参数和特性

究竟什么是太阳能光伏电池？

太阳能电池是一种可以将太阳辐射转化为电能的半导体器件。它无需中间转换即可将阳光转化为电能，这使得它能够将可用的太阳能转化为有用的电能。这就是为什么它们被称为太阳能光伏电池。图1显示了一个典型的太阳能电池。

控制太阳能电池发电的各种因素，例如；

• 光的强度：照射到电池上的阳光越多，电池产生的电就越多。
• 电池面积：通过增加电池的面积，电池产生的电流也会增加。
• 入射角：如果落在细胞上的光垂直于其表面，则其产生的功率是最佳的。理想情况下，角度应为 90 ^o 但实际上它应该接近 90 ^o .

太阳能电池是双端设备。一个是正​​极（阳极），另一个是负极（阴极）。太阳能电池布置称为太阳能模块或太阳能电池板，其中太阳能电池板布置称为光伏阵列。

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太阳能电池的工作

阳光是一组能量有限的光子。为了由电池产生电能，它必须吸收光子的能量。吸收取决于光子的能量和太阳能半导体材料的带隙能量，以电子伏特（eV）表示。

光子被半导体材料吸收，从而产生电子-空穴对，其中电子为负电荷，空穴为正电荷。当负载连接时，电子和空穴在结处分离，空穴向阳极侧移动，电子向阴极侧移动。

因此，这两种电荷的分离会产生电势差，我们会在电池端子上获得电压。该电压用于驱动电路中的电流。

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太阳能电池参数

太阳光转化为电能是由太阳能电池的各种参数决定的。要了解这些参数，我们需要看一下 I-V 曲线，如下图 2 所示。根据表1数据绘制曲线。

表一

安培	伏特	瓦
0	VOC =11.4	0
0.2	11.06	2.21
0.4	10.59	4.24
0.5	10.24	5.12
0.6	9.54	5.72
0.61	9.39	5.73
IM =0.62	VM =9.27	下午 =5.75
0.63	9.08	5.72
0.64	8.72	5.58
ISC =0.65	0	0

电池参数由制造商在STC（标准测试条件）给出。在 STC 下，相应的太阳辐射等于 1000 W/m ² 并且电池工作温度等于 25 ^o C.太阳能电池参数如下；

短路电流 (ISC)：

短路电流是太阳能电池产生的最大电流，单位为安培（A）或毫安培（mA）。从表1和图2可以看出，当电池产生最大电流（ISC=0.65A）时，开路电压为零。

短路值取决于电池面积、落在电池上的太阳辐射、电池技术等。有时制造商给出的是电流密度而不是电流的值。电流密度用“J”表示，短路电流密度用“JSC”表示。短路电流密度由短路电流除以太阳能电池的面积得到：

JSC =ISC / A

举个例子，太阳能电池的电流密度为40 mA/cm ² 在 STC 和 200 cm ² 的区域 .则短路电流可由下式确定；

ISC =Jsc × 面积 =40 mA/cm ² × 200 厘米 ² =8000 毫安 =8 安

开路电压 (VOC)：

开路电压是电池在开路条件下所能产生的最大电压。它以伏特 (V) 或毫伏特 (mV) 为单位进行测量。从表1和图2可以看出，当电池产生最大电压时，短路电流为零。 VOC的值取决于电池技术和电池的工作温度。

最大功率点（PM）：

最大功率点表示太阳能电池在 STC 处可以产生的最大功率（即太阳辐射 1000 W/m ² 电池工作温度为 25 ^o C）。它以 WPeak 或简称为 WP 来衡量。除 STC 外，太阳能电池在不同的辐射值和电池工作温度下都有 PM。

电池可以在不同的电流和电压组合下运行。但它只能在特定的电压和电流组合下产生最大功率 PM。如图2所示，最大功率点在I-V曲线的拐点处，是IM与V的乘积

PM =IM × VM =0.62 × 9.27 =5.75 WP

当前最大功率点 (IM)：

表示太阳能电池在最大PowerPoint工作时会产生的电流。用 IM 表示，从图 2 中可以看出，它的值始终小于短路电流 (ISC)。单位为安培 (A) 或毫安 (mA)。

最大功率点电压 (VM)：

表示太阳能电池在最大PowerPoint工作时会产生的电压。用VM表示，从图2中可以看出，它的值总是小于开路电压（VOC）。单位为伏特 (V) 或毫伏特 (mV)。

填充系数 (FF)：

用图2虚线表示IM-VM矩形覆盖的面积和ISC-VOC矩形覆盖的面积。填充因子表示I-的正方形V 曲线。以百分比（%）表示，百分比的填充因子越高，单元格越好。

FF =PM / (ISC ×VOC)

根据表1和图2的数据我们可以确定填充因子如下；

FF =[5.75 / (0.65 × 11.4)] × 100 =77.59 %

乘以100以百分比表示。

效率（ƞ）：

• 太阳能电池效率定义为最大输出功率 (PM) 除以输入功率 (PIN)。它以百分比 (%) 衡量，表示输入太阳光功率的该百分比转换为电能。输入功率是功率密度。因此，要计算效率，请将 STC 处的 PIN 乘以面积。效率可计算如下；

ƞ =PM / (PIN × Area)

如果单元格的给定面积是0.01 m ² , PM =5.75 WP, 则标准试验条件下的效率可表示为;

ƞ =[5.75 WP / (1000 W/m ² × 0.01 m ² )] =57.5 %

乘以100以百分比表示。

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光伏技术

市场上有各种各样的太阳能电池，太阳能电池技术的名称取决于该技术中使用的材料。因此，不同的电池具有不同的电池参数，如短路电流密度、效率、开路电压、填充因子等。下表2为市售电池列表及其参数取值范围。

表2

单元格类型	效率（%）	开路电压（V）	电流密度（mA/cm 2 )	单元面积（cm 2 )	填充系数 (FF)
单晶硅	14 - 17	0.55 – 0.68	30 - 38	5 - 156	70 - 78
多晶硅	14 - 16	0.55 – 0.65	30 - 35	5 - 156	70 - 76
非晶硅	6 - 9	0.70 – 1.1	8 - 15	5 - 200	60 - 70
碲化镉	8 - 11	0.80 – 1.0	15 - 25	5 - 200	60 - 70
铜铟镓硒	8 - 11	0.50 – 0.7	20 – 30	5 - 200	60 - 70
砷化镓	30 - 35	1.0 – 2.5	15 - 35	1 - 4	70 - 85

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影响太阳能电池发电量的因素

转换效率（ƞ）：

并不是所有落在太阳能电池上的光都转化为电能。转换效率被称为产生的电能与输入光能的比率。我们无法根据制造过程和其中使用的材料来改变电池的效率，其价值保持不变。

太阳能电池最大功率 PM 取决于它在电池端子上产生的电压和它可以提供的电流。电池面积是影响电池产生的输出功率的重要因素之一。对于给定的输入功率，可以确定输出功率的值，单位为 (W/m ² ), 电池转换效率 (%), 电池面积 (m ² )。

太阳能电池效率在STC下给出，输入功率（PIN）取为1000 W/m ² .因此，通过使用下面给出的公式，我们可以确定不同效率产生的输出功率。

PM =(PIN × 面积) × ƞ

假设我们必须计算 STC 的输出功率，其效率为 30% 和 25%，面积为 0.01 m ² .因此，我们得到 30% 的效率；

PM =(1000 W/m ² × 0.01 m ² ) × 0.30 =3 WP

我们得到 25% 的效率；

PM =(1000 W/m ² × 0.01 m ² ) × 0.25 =2.5 WP

输入光量：

照射在单元格上的光强度全天不断变化。根据落在电池上的光，电池的电流和电压会发生变化。细胞产生的电流直接取决于落在它上面的光。

从早上到下午，投在电池上的光会增加，因此电池产生的电流也会增加。从下午到日落，落在电池上的光会减少，因此电池产生的电流也会减少。由于不受阳光变化的影响，电池的输出电压没有大的变化。

假设我们要计算一个面积为 0.01 m ² 的单元格的输出功率 输入功率为 1000 W/m ² 和 800 W/m ² 效率为 25%。因此，对于 1000 W/m ² 的输入功率 我们得到输出功率如下;

PM =(1000 W/m ² × 0.01 m ² ) × 0.25 =2.5 WP

输入功率为 800 W/m ² ;

PM =(800 W/m ² × 0.01 m ² ) × 0.25 =2 WP

我们可以看到，由于输入功率的降低，输出功率也会降低。因此，电池产生的电量与阳光成正比。

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单元格区域：

太阳能电池的短路电流取决于电池的面积。输出电流与电池面积成正比。单元面积越大，产生的电流量也越大，反之亦然。例如，一个 200 厘米 ² 面积将产生 2 A 电流和 200 cm ² 对于 1000 W/m ² 的相同辐照度，将产生 4 A 电流 .

正如我们之前看到的，电流密度是用电流除以单元格的面积得到的。电流密度 (JSC) 对于给定的阳光强度是固定的，它不依赖于区域。举个例子，我们要计算面积为 20 cm ² 的太阳能电池的输出电流 和 50 厘米 ² .

具有35 mA/m的恒定电流密度 ² . 20 cm ² 的输出电流 可计算如下；

ISC =JSC × 面积 =35 mA/m ² × 20 厘米 ² =0.70 A

输出电流为50cm ² 可计算如下；

ISC =JSC × 面积 =35 mA/m ² × 50 厘米 ² =1.75 A

因此，从以上计算可知，单元面积越大，电流值越高，单元面积越小，电流值越低。

光角（θ）：

当光线和电池的角度相互垂直（即90 ^o 时，太阳能电池在给定的阳光下产生最大的输出功率 )如图3。当光线的入射角小于或大于90 ^o 如图3所示，它会产生低于电池最大输出功率能力的输出功率。

当光线落在大于或小于90的角度时 ^o 部分光被反射，细胞利用的光少于实际落在其上的光。这导致电池产生的输出功率降低。正是由于这个原因，我们必须以垂直于落光的角度安装太阳能电池，以产生最大可能的电能。

工作温度（T）：

制造商提供辐照度为 1000 W/m ² 的 STC 的电池电压、电流和额定功率 和温度 25 ^o 但在实际应用中，太阳能电池的温度会随着环境温度的变化而变化，并且将电池封装在玻璃中，因此太阳能电池的温度会进一步升高。

这种温度变化会影响电池的电压、功率和效率，电池温度高于 STC 会降低这些参数的输出。这些参数的降低因市场上不同的太阳能电池而异。

我们举个例子来理解其中一个参数（即电压）的下降。电池在 STC 处的输出电压为 0.9 V。电池工作温度为50 ^o C. 电芯输出电压下降2.1 mV/ ^o C. 输出电压的新值可以是多少？

ΔT =Tactual – Tstandard =50 – 25 =25 ^o C

降低的输出电压 =STC 处的开路电压 (VOC) – (降低电压 – ΔT) =0.9 – (2.1 × 10 ^-3 × 25) =0.84 V

从上面的计算可以得出，如果温度上升到STC以上（即25以上 ^o ，输出电压就会下降 C)。

结论

正是由于半导体技术的发展，我们可以将丰富的太阳光转化为电能。在本文中，我们研究了太阳能电池的工作原理，不同类型的电池，开路电压、短路电流等各种参数有助于我们了解电池的特性。还研究了影响电池产生功率的因素，包括功率转换效率、输入光量、电池面积等，这些因素会影响性能并帮助我们了解电池在不同场景下的行为。随着对太阳能电池技术的了解，我们可以以最佳方式利用它来满足我们日常的能源需求。