能源是人類面對經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境維護平衡時要解決的最根本最重要的問題。能源儲存的有限量問題促使人類去開發(fā)、尋找、應用新的替代能源。太陽能是一種極為豐富的清潔能源，地球每年接受的太陽能總量為l×1018kwh，相當于5×1014桶原油(是探明原油儲量的近干倍)，是世界年耗總能量的一萬多倍。由于通常最普遍的而且最方便使用的是電能，太陽光伏發(fā)電技術(shù)能將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，因而是最有應用前景的太陽能利用方式。

目前，太陽光伏發(fā)電在航天技術(shù)上已發(fā)揮了很大用途，成為航天器的重要電源，在地面上的應用也愈來愈廣泛。但光伏發(fā)電的成本太高，還無法與常規(guī)能源發(fā)電相競爭。因此降低光伏發(fā)電的成本，關于提高光伏發(fā)電的競爭力，促進光伏發(fā)電的推廣應用具有重要意義。通過改進電池制造工藝、采用新技術(shù)提高轉(zhuǎn)換效率，可以降低光伏發(fā)電的成本，但降低的步伐比較緩慢。采取聚光方法，可以使太陽電池工作在幾倍乃至幾百倍的光強條件下，從而可以大大降低光伏發(fā)電的成本，具有良好的應用前景。但目前聚光光伏發(fā)電技術(shù)還很不成熟，從而限制了這一技術(shù)的廣泛應用。

本文建立了聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型，然后對不同聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)方法的熱電特性進行了計算和分析，得到了太陽電池的串聯(lián)電阻和換熱系數(shù)對系統(tǒng)輸出性能的影響規(guī)律以及不同冷卻方式下太陽電池工作溫度隨光強的變化規(guī)律。

1數(shù)學物理模型的建立

1.1太陽電池的電學特性方程

假如在太陽電池兩端接上一個負載電阻RI，那么太陽電池在工作狀態(tài)下的等效電路如圖l所示。它相當于一個電流為J9h的恒流源與一只正向二極管并聯(lián)。流過二極管的正向電流在太陽電池中稱為暗電流Id。Rsh稱為旁路電阻.重要由下列幾種因素引起：如表面沾污而出現(xiàn)的沿著電池邊緣的表面漏電流;沿著位錯微觀裂縫、晶粒間界和晶體缺陷等形成的細小橋路而出現(xiàn)的漏電流。Rs稱為串聯(lián)電阻，系由擴散頂區(qū)的表面電阻、電池的體電阻和上下電極與太陽電池之間的歐姆電阻及金屬導體的電阻構(gòu)成的。

根據(jù)圖l所示的等效電路可知，流過負載的電流為：

由上述模型可以看出，太陽電他的輸出特性和工作溫度不可能通過分析解來得到，必須通過迭代和數(shù)值模擬的方法得到。計算方法是通過熱平衡方程得到太陽電他的工作溫度，然后通過太陽電他的電特性方程計算電他的伏安特性，得到太陽電他的峰值輸出功率、轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)，然后再把新的轉(zhuǎn)換效率代入熱平衡方程進行新一輪計算，直到滿足計算精度為止。

2計算結(jié)果和分析

本文以直徑為10cm的圓形單晶硅太陽電池為例，對不同串聯(lián)內(nèi)阻和換熱系數(shù)下的太陽電池輸出特性和工作溫度進行了數(shù)值模擬，下面就計算結(jié)果進行詳細討論。

2.1串聯(lián)內(nèi)阻的影響

由前面太陽電池的等效電路可以看出，串聯(lián)內(nèi)阻會降低短路電流，降低負載兩端的電壓，引起電池轉(zhuǎn)換效率的下降。圖2和圖3分別為不同串聯(lián)內(nèi)阻的太陽電池峰值功率和轉(zhuǎn)換效率隨光強的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著光強的新增，串聯(lián)電阻的影響越來越顯著，串聯(lián)內(nèi)阻越高，隨著光強的升高，其轉(zhuǎn)換效率下降的越快。

從圖2也可以看出，太陽電池的峰值功率隨光強的升高而首先直線上升，升高到一定程度后，曲線變得平緩。不同串聯(lián)內(nèi)阻的太陽電池峰值功率變化曲線的拐點如表l所示。關于直徑為10cm的常規(guī)太陽電池，其串聯(lián)內(nèi)阻一般在0.05—0.010之間。由表l可知，若采用聚光系統(tǒng)性能好(串聯(lián)內(nèi)阻小)的常規(guī)太陽電池最多可以在20倍光強下工作，能得到較好的效果，若再新增光強，收效很小，反而新增了成本。關于一般常規(guī)太陽電池可能只能在幾倍光強下得到較好的收益。若想使太陽電池工作在更高的光強下，必須采取措施，降低電池的串聯(lián)內(nèi)阻，這樣勢必會新增大陽電池的成本，而且串聯(lián)電阻越小，其成本會越高，因此并不是光強越高越好，而是存在一個成本最低的最佳光強。

2.2換熱系數(shù)的影響

太陽光照射到太陽電池上，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡姡蟛糠謪s轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔固栯姵販囟壬撸瑥亩绊懱栯姵氐男阅堋Ｔ谕瑯訔l件下，不同的冷卻方式和工況，太陽電池的工作溫度也不同，也就是電池的性能也不同。而冷卻方式和工況的不同重要表現(xiàn)為換熱系數(shù)的不同。圖4—圖6給出了換熱系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。從圖中可以看出，換熱系數(shù)越高，系統(tǒng)的性能越好，而且隨著光強的升高，換熱系數(shù)的影響越來越顯著。

2.2換熱系數(shù)的影響

太陽光照射到太陽電池上，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡姡蟛糠謪s轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔固栯姵販囟壬撸瑥亩绊懱栯姵氐男阅堋Ｔ谕瑯訔l件下，不同的冷卻方式和工況，太陽電池的工作溫度也不同，也就是電池的性能也不同。而冷卻方式和工況的不同重要表現(xiàn)為換熱系數(shù)的不同。圖4—圖6給出了換熱系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。從圖中可以看出，換熱系數(shù)越高，系統(tǒng)的性能越好，而且隨著光強的升高，換熱系數(shù)的影響越來越顯著。

空氣自然對流換熱系數(shù)的最高值為10W/(m2·K)，從圖中可以看出，在該換熱系數(shù)下時，在5個太陽下，太陽電池的溫度就超過了U2℃。因此關于采用空氣自然對流的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)，最多可以工作在4個太陽下。水自然對流的換熱系數(shù)在200一1000W/(m2·K)之間，從圖中可以看出，當換熱系數(shù)為200W/(m2·K)時，在29個太陽下，太陽電他的溫度達到100℃;當換熱系數(shù)為1000W/(m2·K)時，在134個太陽下，太陽電他的溫度達到100℃。因此關于采用水自然對流冷卻的聚光發(fā)電系統(tǒng)來說，根據(jù)水流速的不同，可以工作在29一134個太陽下。若再進一步提高光強，就要采用水的強制對流來實現(xiàn)。

結(jié)論

1)在特定的串聯(lián)內(nèi)阻下，太陽電他的峰值功率首先隨光強的升高而直線升高，升高到一定程度后曲線曲線變得平緩。曲線的拐點隨串聯(lián)內(nèi)阻的降低而升高。一般常規(guī)電池只能工作在幾個到20個太陽之間，能夠得到較好的收益。若想進一步提高光強，必須采用小串聯(lián)內(nèi)阻的太陽電池。

2)換熱系數(shù)越高，系統(tǒng)的性能越好，而且隨著光強的升高，換熱系數(shù)的影響越來越顯著。采用空氣自然對流的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)，最多可以工作在29一134個太陽下。