非平面布片對太陽電池電壓及電流的影響

劉博

【摘 要】本文主要介紹了在非平面的基板上進行太陽電池陣布片的情況下，不同的太陽光照角對太陽電池陣電壓及電流的影響，以及在非平面的基板上進行太陽電池陣布片的方法及注意事項。

【關鍵詞】太陽電池；非平面；太陽電池陣電流、電壓

1.前言

衛星的太陽帆板多為平面結構，太陽電池陣對日定向或者對日成一定的角度呈周期性變化。部分衛星由于結構設計和功能作用不同，而采用體裝式太陽電池陣的設計方法，如風云系列衛星，但是采用體裝式太陽電池陣的設計面臨的問題是太陽電池陣的入射角度變化大，這就導致太陽電池陣只能有部分太陽電池接收到光照，另一部分電池無法接收到光照。從而對太陽電池陣的電壓電流產生影響。

2.太陽入射角對電壓電流的影響

太陽電池陣的輸出功率P=U×I，U代表太陽電池陣的輸出電壓，由太陽電池陣的串聯數量決定，I代表太陽電池陣的輸出電流，由太陽電池陣的并聯數量決定。同時，太陽電池陣的輸出電壓與輸出電流還受光照角的影響。太陽光線與太陽電池法相的夾角成為這片電池的光照角，如圖1所示：

一般來講，光照角越小，太陽電池的最佳工作點電壓及最佳工作點電流越大，太陽電池產生的功率越大。若太陽電池陣的電池均不再同一個平面則每一片太陽電池的光照角則不相同，這導致每一片太陽電池的電流及電壓均不相同。這就對太陽電池陣的輸出功率造成了影響，下面主要討論球形體裝式布片對太陽電池的電流及電壓的影響。

2.1非平面布片對電流的影響

若太陽光成光照角θ斜照太陽電池時，如圖2所示，先假設太陽光以相同狀態正照太陽電池，計算出太陽電池產生的電流I，然后乘以光照角的余弦值cosθ得出此時的太陽電池的最佳工作點電流I0[2]，即：I0=I×cosθ。

按照上述原理可以得到在AM0下，不同太陽光照角下的太陽電池的最佳工作點電流，如圖2所示：

由上圖可以看出，隨著光照角度的變大，太陽電池的最佳工作點電流在逐漸變小，并且光照角度在0度到60度之間的時候，太陽電池的最佳工作點電流與余弦值的變化基本吻合，但是當光照角度在60度到90度之間時，太陽電池的最佳工作點電流要小于正照下太陽電池的最佳工作點電流的余弦值。這是由于在太陽電池蓋片正面的入射角較大時，會在蓋片、蓋片膠粘劑、太陽電池以及蓋片/膠粘劑和膠粘劑/電池的界面中發生不同程度的反射和透射損失。發生這些效應的原因是由于在較大的入射角時，太陽電池上的減反射涂層會增大它們的表現光學厚度，太陽電池的表現光譜發生變化，在蓋片上的多層藍光反射涂層使它們的表現起始波長變得較短，以及吸收濾光層增大它們的表現厚度，因而使起始波長變得較長。若衛星的太陽電池入射角確定的時候，可以根據衛星太陽電池陣的入射角優化設計太陽電池和蓋片的參數，已達到增加電流輸出的目的[3]。

由于每一串的電池輸出電流受該串電池中輸出電流最差的太陽電池影響較大，所以每一串電池要盡可能的布在光照角相同的地方，并且盡量將太陽電池布置在光照角度小的地方[4]。

2.2非平面布片對電壓的影響

不同的太陽電池光照角與電壓的關系如下圖所示：

由上圖可以看出，隨著光照角度的變大，太陽電池的最佳工作點電壓在逐漸減小，但是減小的并不明顯。在0度到70度的光照角變化下，太陽電池電壓降了約0.2V。所以在太陽電池陣串聯數設計的時候，應考慮太陽電池壓降產生的影響。在80度到90度的光照角下，太陽電池的電壓在顯著降低，此時會出現串聯電池電壓小于母線電壓的情況，此時該串聯電池組會變成負載，出現漏流，如下圖所示：

上圖所示為隨著電壓變化產生的漏流的圖，由此圖可以看出，隨著反向電壓的增加，漏流會逐漸增加，當反向電壓達到臨界點之后，隨著反向電壓的增加，漏流會顯著增加。所以要在光照角大的太陽電池上增加隔離二極管，以防止漏流。

3.結論

在進行非平面的衛星太陽電池陣設計時要考慮到光照角度對太陽電池陣的影響，在太陽入射角已確定的前提下，可以根據入射角的位置優化太陽電池與蓋片的工藝參數，同時每一串的的電池在設計時要考慮將該串的太陽電池放到光照角相同的位置，減少電流損失。在進行太陽電池陣并聯設計時應考慮并聯數要按照較低的光照角下的太陽電池的電壓設計，防止出現漏流現象。

【參考文獻】

[1] 屠佳佳 光照入射角對太陽能電池輸出功率的影響 中國計量學院報 2012

[2] 常澤輝，田瑞 固定式太陽電池方陣最佳傾角的實驗研究.電源技術.2007

[3] Hans，S，Rauschenbach Solar Cell Array Design Handbook ，The Principles and Technology of Photocoltaic Enery Conversion.

[4] Chirstel Nomayr，Claus Zimmermann DEGRADATION OF SOLAR ARRAY COMPONENTS IN A COMBINED UV/VUV HIGH TEMPERARURE TEST ENVIRONMENT