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晶体硅光伏组件中的热性能研究及对组件NOCT的影响

2013-12-3 11:18| 发布者: echo| 查看: 16294| 评论: 0|来自: 张付特 中盛光电集团研发部

摘要: 摘要本论文从晶体硅光伏组件中的热量来源着手,研究光伏组件的正常工作温度(NOCT)。结果表明,晶体硅电池片的结构以及光伏组件的串联电阻对光伏组件的NOCT具有较大的影响。可以通过改变电池片的结构以及改善组件制 ...

3.4 光伏组件中的电流的热效应分析
晶体硅光伏电池中热量的来源除了上述的光热转换之外,由于电池中电流通过而产生的热效应也是热量来源的一个重要因素。众所周知,电流具有热效应,在电流流经过导体时由于导体具有一定的电阻会产生热量,这就是著名的焦耳定律。理想光伏电池的等效电路模型可以表示为一个感光电流源并联一个二极管[7],如图5a所示。光源中的光子被太阳能电池材料吸收,如果光子的能量高于电池材料的能带,那么电子就被激发到导带中。如果将一个外部负载连接到光伏电池的输出端,那么就会产生电流。而在实际的光伏电池中存在着寄生电阻——串联电阻Rs和并联(或旁路)电阻Rsh[7],其等效电路图可图5b表示。其中串联电阻主要来源于电池本身的体电阻、前电极金属栅线的接触电阻、栅线之间横向电流对应的电阻、背电极的接触电阻以及金属本身的电阻等。并联(旁路)电阻则表示由于沿电池边缘的表面漏流或晶格缺陷造成的损耗。在理想情况下,光伏电池的串联电阻应为零,而并联电阻应为无穷大。由图可以看出,在光伏电池外接负载产生电流后经过串联电阻的电流会由于电流的热效应而产生一定的热量,这些热量也会是的光伏电池工作温度上升而导致光伏电池的输出功率降低。在分析讨论光伏组件中串联电阻产生的焦耳热对组件工作温度的影响时,可以把一块光伏组件作为一个面积较大的光伏电池来进行研究。
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 图5: a)理想光伏电池的等效电路图;b)实际光伏电池的等效电路图。

我们制作了一块P660的光伏组件(由60片6英寸常规单面多晶硅电池片组成的光伏组件)来对此进行研究分析。在标准的太阳光强下(1000 W/m2),组件的电学性能参数如下:Voc=37.533 V,Isc=8.939 A,Pmax=251.651 W,Vpm=29.949 V,Ipm=8.403 A,Rs=0.500 Ω,Rsh=166.200 Ω,FF=0.750。测试结果表明此光伏组件在一个标准太阳光强下接通负载时,输出电流为8.403 A,则此组件在串联电阻Rs所消耗的功率可以根据焦耳定律来进行计算,计算结果为35.305 W。这些功率消耗全都转化为热量而会使得组件的工作温度升高。

我们用理论分析对组件进行了电流热效应的评估。在晶体硅光伏电池中,在理想状态下开路电压(Voc)与填充因子(FF)有以下的关系[8,9]:
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公式中,n为光伏电池的品质因子,k为波尔兹曼常数,T为室温温度298K,q为基元电荷电量,FF0为光伏电池的理想填充因子。根据公式1我们可以得出在我们制备的光伏组件中,的数值为1501.32。将此数值带入公式2中可以计算出我们制备的光伏组件的理想填充因子应为0.994。

在光伏组件的并联电阻远远大于其串联电阻时,组件的串联电阻对组件的性能具有较大的影响。我们可以引入一个参数——特征电阻Rch,其数值为组件的开路电压与短路电流的比值。可以通过下述公式来计算光伏组件在并联电阻保持不变的情况下串联电阻与组件填充因子之间的关系[8,9]:
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