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太阳辐射能具有取之不尽、用之不竭、无污染、廉价、能够自由利用等特点,引起了人们对研究太阳电池的浓厚兴趣。太阳电池具有质量轻、使用安全、不污染环境、工作时不产生热量等优点,是一种电压稳定性良好的纯直流电源。近年来,太阳电池应用于太阳光发电的技术已经取得了很大进展,很可能成为人类未来主要电力来源之一。因此,太阳电池的研究有极其重要的意义。
随着太阳电池的广泛应用,一些影响电池寿命的不利因素也出现在我们面前。热斑就是其中之一。
一、热斑的成因
太阳电池热斑是指太阳电池组件在阳光照射下,由于部分组件受到遮挡无法工作,使得被遮盖的部分升温远远大于未被遮盖部分,致使温度过高出现烧坏的暗斑,如图1所示。热斑可能导致整个电池组件损坏,造成损失。因此,需要研究造成热斑的内在原因,从而减小热斑形成的可能性。太阳电池热斑的形成主要由两个内在因素构成,分别与内阻和太阳电池自身暗电流大小有关。
图1太阳组件出现热斑损坏的实验照片
通常简化假定其温度取决于下列几个主要因素:日照强度L、环境温度T,以及内阻产生的温升Ti,组件温度(阵列温度)T可近似地按下式计算:
式中:L=0,Ts=0,Ti=0时阵列的温度;To、a1、a2为根据实验数据按最小二乘法处理后所得的系数,与所使用的太阳电池的类型、安装地点、支架形式等因素都有关系。由式(1)可见,当光伏阵列中太阳电池被云、树叶或其它物体遮挡时,由于光照的变化,其温度将明显不同于阵列中那些未被遮挡的部分。同样,当光伏电池处于开路、短路或典型负载等不同工作状态时,由于流过的电流和内阻均有变化,其温度亦有所不同。当太阳电池组件中部分电池损坏时,其温度差异将更加明显。
二、热斑与暗电流的关系
由于一个太阳电池组件一般包含36或72块太阳电池硅片,不同的硅片的暗电流是不一样的,由图2所示太阳电池简略示意图可分析如下。
图2太阳电池简略示意图
在短路情况下,当太阳电池组件其中某个硅片被遮挡时,它就不再正常工作,发挥太阳电池的作用,而是相当于一个内阻,此时由其他太阳电池组件进行供电,由
可知,此硅片生热主要取决于电流I的大小,而
可知,此硅片生热主要取决于电流I的大小,而式中:I为逆电流;Id为暗电流;
Ish为流过并联电阻的电流)对于不同的太阳电池硅片来说,每一块太阳电池硅片的暗电流是不一样的。因此由式(2)我们可以得出结论,逆电流较大的太阳电池硅片,在外界环境相同的条件下,其产生热斑的可能性较大。
三、结语
多晶硅太阳电池用作地面上的电源时,根据需要将单片电池先进行串并联组合,然后密封在透明外壳中以构成太阳能组件。外壳通常用强化玻璃和透明的耐水性树脂构成。多晶硅太阳电池在构成组件后,已装有旁路二极管用以消除热斑。
对于暗电流的分析,由于在此实验不易单独区分出暗电流与逆电流。但二者所反映的函数特征是一致的。因为逆电流在现实实验中较暗电流容易测出,故可用逆电流代替暗电流,试验结果反映曲线的特性也是没有改变的。通过对7片电池进行遮挡,测量温度变化率及电池的暗电流,进行分析得出结论逆电流大的电池更易产生热斑。(作者互联网)
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