高倍聚光光伏系统中影响多结砷化镓电池特性的机理研究及仿真

The high concentration photovoltaic technology which using optical elements to make sunlight concentrated will not only improved the efficiency of solar cell, but also reduced the running cost of photovoltaic system. Therefore, the research of concentration photovoltaic solar cells has important significance in the natural science and engineering technology field. The electrical properties of solar cell that under the condition of high concentration will be depreciation, which is easily affected by unsteady high heat flux. Based on the background of electrical characteristics of solar cells in concentration photovoltaic system, two major scientific problems will be researched in this project. One is the.influence mechanism of carrier recombination by unsteady high heat flux. The other is the calculation methods of series and parallel connection resistance of solar cell under high concentration. Based on the two-diode equivalent circuit cell model, the mathematical model of the triple-junction solar cell which is consists of three different band gap sub-cells has been establishing respectively under photo-thermal-electrical coupling. The mechanism of influence on the electrical properties of triple-junction solar cell by unsteady high heat flux has been analysis. The electrical characteristics experiment of triple-junction solar cell will be further develop. Improving the coupling mathematical model by comparison inspection theoretical analysis results in order to suitable for outdoor, especially on numerical simulation of electrical properties under complicated meteorological conditions. The mathematical model which established in this project can be used to analyze the influence of relevant parameters on the performance of high concentration photovoltaic systems. It can offer a stability base for the large-scale application of high concentration photovoltaic system.

通过光学元件将太阳光汇聚再进行发电的聚光光伏技术，不仅提高了光伏电池的工作效率，同时大大降低运行成本，因此，对聚光光伏电池的研究在科学与工程技术领域上都具有重要的意义。处于高倍聚光条件下工作的光伏电池，其电学特性容易受非稳态高热流密度的影响，从而降低其性能。本项目以高倍聚光光伏系统中光伏电池的电学特性问题为背景，研究两个主要科学问题：非稳态高热流密度对载流子复合的影响机理；高倍聚光条件下光伏电池串、并联电阻的计算方法。并基于双二极管数学模型，利用三结砷化镓电池是由不同禁带宽度的子电池串联构成，分别对子电池建立光、热、电耦合条件下的数学模型，分析非稳态高热流密度对三结砷化镓光伏电池电学特性的影响机理。进一步开展高倍聚光条件下三结砷化镓光伏电池的电学特性试验，比对和验证理论分析结果，改进耦合数学模型，以适用于户外条件，特别是复杂气象条件下电池特性的数值模拟，为其大规模应用奠定坚实的理论基础。

在当今世界经济迅速增长的同时，由此带来的环境问题也日益严重。煤、石油以及天然气等化石能源的过度使用造成严重的环境污染。太阳能作为一种清洁能源，既对环境无任何污染，又可随时随地使用。2017年太阳能发电投资约占可再生能源投资总额的57%。因此，应用前景广阔。然而，光伏发电的成本及原材料的缺乏制约了其大规模发展，因此， 用比较廉价的聚光系统来部分代替价格昂贵的太阳电池，以减少给定功率所需的电池面积从而降低成本的聚光光伏技术,在降低光伏发电成本方面被人们寄予厚望。.本项目主要研究了温度和聚光比对三结砷化镓电池特性的影响机理，主要包括：.1.研究电池温度和聚光比对三结砷化镓聚光光伏电池电学特性的影响机理，主要研究其对开路电压、短路电流、峰值功率、电池效率和填充因子的影响机理；.2.研究聚光比对电学特性温度系数的影响机理；.3.三结砷化镓电池串联电阻的计算方法，以及其变化对电池性能的影响规律；.4. 建立的三结砷化镓聚光光伏电池数学模型，并分析理论值和实验值之间的误差大小及其产生原因。.本项目的研究成果如下：.1. 建立了三结砷化镓聚光光伏模组的数学模型并提出了串联电阻的计算方法，且分析了温度及聚光倍数对串联电阻的影响，结果表明电池的串联电阻随着温度和聚光倍数的增加而增加。同时，拟合出电池串联电阻与电池温度及聚光倍数的参数关联式，实际值与参数关联式得到的结果的最大的相对误差为9.65%。.2. 在室内标准条件下，得到了三结砷化镓光伏电池的短路电流、开路电压、峰值功率、填充因子、填充效率值以及各自的温度系数等基本参数。在标准条件下，电池短路电流为2.15mA、其温度系数为0.0016mA∙℃-1；开路电压为2.555V、其温度系数为-0.0064V∙℃-1；峰值功率为4.50mW、其温度系数为-0.0012mW∙℃-1；填充因子为84.62%、其温度系数为-0.0006%∙℃-1；转化效率为27.96%, 其温度系数为-0.0007%∙℃-1。.3. 搭建了室外反射式高倍聚光光伏系统，研究结果表明，随着温度的升高，电池的短路电流略微升高，开路电压、峰值功率、填充因子以及转换效率逐渐降低。同时，随着聚光倍数的增大，电池的短路电流、开路电压、峰值功率以及转化效率都随之升高，电池的填充因子逐渐降低。.研究成果具有一定的普遍性，可应用于以聚光光伏电池为基础的聚光光伏系统中。