下载文档原格式
太阳能电池工作温度
太阳能电池是一种利用光能转换为电能的装置，其工作温度是
一个重要的参数。
太阳能电池的工作温度范围通常是在-40°C至
85°C之间。
在较低的温度下，太阳能电池的效率可能会下降，因
为低温会影响电池内部的化学反应速率，从而降低电池的输出功率。
另一方面，在高温下，太阳能电池的效率也会受到影响，因为高温
会导致电池内部电阻增加，从而降低电池的性能。
因此，太阳能电
池的工作温度范围是在-40°C至85°C之间，这个范围内太阳能电
池可以正常工作并保持较高的效率。
此外，太阳能电池在不同温度下的工作特性也会有所不同。
在
低温下，太阳能电池的开路电压和短路电流会减小，而在高温下，
开路电压会增加而短路电流会减小。
因此，对于不同的工作温度，
太阳能电池的输出特性也会有所变化。
除了工作温度范围外，太阳能电池的设计和材料选择也会影响
其在不同温度下的性能。
一些高性能的太阳能电池会采用特殊的材
料和结构设计，以提高在不同温度下的工作性能。
因此，在实际应
用中，需要根据具体的工作环境和要求选择合适的太阳能电池类型
和工作温度范围，以确保其性能和稳定性。
太阳能电池组成
太阳能电池是一种将太阳光能直接转化为电能的装置，其基本成分包括：多个太阳能电池芯片、电池支架、电池板、逆变器、电压控制器等。
1. 太阳能电池芯片：也称为光伏电池，由半导体材料制成，常见的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅等。
太阳能电池芯片通过吸收太阳光的能量来产生电荷，并将其转化为直流电。
2. 电池板：将多个太阳能电池芯片连接在一起，形成太阳能电池板。
电池板的主要作用是保护电池芯片，并提供支持和稳定的安装平台。
3. 电池支架：支撑和固定太阳能电池板的框架结构，通常采用金属或塑料材料制成。
4. 逆变器：将太阳能电池板输出的直流电转化为交流电，以供电器设备使用。
逆变器还具有调节电压和电流的作用，以保障电能的质量和稳定性。
5. 电压控制器：对太阳能电池组进行电流控制和保护，可以防止过充、过放、过压和过流等情况的发生。
以上是太阳能电池组成的基本元素，其构成的太阳能电池系统可以将太阳能转化为电能，并应用于各种领域，如家庭和商业用电、电力系统、交通工具等。
太阳能光伏电池工作原理太阳能光伏电池是一种能够将太阳能转化为电能的装置。
它通过光伏效应，将光能转化为电能。
本文将详细介绍太阳能光伏电池的工作原理及相关知识。
1. 光伏效应光伏效应是太阳能光伏电池能够工作的基础。
当光线照射到太阳能光伏电池的表面时，光子能量被吸收并转化为电子能量。
这种转化过程是通过光子将电子从原子中激发出来，使其自由移动而产生的。
2. p-n结构太阳能光伏电池通常采用p-n结构。
p-n结构是由p型半导体与n型半导体相接触所形成的区域。
在这个结构中，p型半导体的电子浓度较低，而n型半导体的电子浓度较高。
当光子被吸收时，会在p-n结区域产生电子-空穴对。
3. 动力位差在光伏电池中，p-n结的两侧形成了电场。
这个电场会产生一个动力位差，使得电子和空穴朝着相反的方向移动。
当光线照射到太阳能光伏电池上时，电子会被推向n型半导体，而空穴则会被推向p型半导体。
4. 电流产生由于电子和空穴的分离，导致了电荷的不平衡。
这个不平衡会导致一个电流的产生，从而使太阳能光伏电池输出电能。
这个电流可以通过连接电路传输，并用于驱动各种电器设备。
5. 光伏电池的结构太阳能光伏电池的结构通常由多个光伏电池单元组成。
每个光伏电池单元都是由p-n结及其他辅助材料构成的。
这种结构可以大大提高太阳能的转化效率，并提供更稳定的电流输出。
6. 太阳辐射和效率太阳辐射是太阳能光伏电池工作的关键因素之一。
不同地区和季节的太阳辐射强度不同，会直接影响光伏电池的发电效率。
一般来说，太阳辐射越强，光伏电池的发电效率越高。
7. 光伏发电系统太阳能光伏电池通常与其他组件组成光伏发电系统。
这些组件包括充电控制器、逆变器和电池组等。
光伏发电系统可以将太阳能转化为可用的电能，并用于各种领域，如家庭供电、农业灌溉和航天技术等。
结论太阳能光伏电池通过光伏效应将太阳能转化为电能。
它的工作原理基于光子将电子从原子中激发出来，并通过p-n结的电场推动电子和空穴的分离和移动。
1.1 太阳能电池原理1.1.1半导体材料对光的吸收太阳能电池，又叫光伏电池，是一种利用太阳光直接发电的光电器件。
太阳能电池之所以能够把太阳光转化为电能是由于它是利用太阳能光电材料制成的，而太阳能光电材料是一类重要的半导体材料，常温下它的导电性能介于导体与绝缘体之间。
半导体可以是元素，如硅（Si）和锗（Ge），也可以是化合物，如硫化镉（CdS）和砷化镓（GaAs），还可以是合金，如GaxAL1-xAs，其中x为0-1之间的任意数。
许多有机化合物，如蒽也是半导体。
当一束强度为I0的光正交入射到半导体表面时，一部分被半导体表面反射回来，一部分进入半导体被吸收，还有一部分将透过半导体。
在半导体内离前表面距离为x处的光强I(x)由吸收定律决定：I(x) = I0 （1—R）e—αx （3—1）其中α为与波长相关的吸收系数，R为半导体表面的反射率。
在半导体中的吸收过程可以分为本征吸收和非本征吸收两类。
如图3－1所示，位于价带的一个电子，吸收一个能量为hf的光子后越过禁带进入导带，在价带中留下一个空穴，形成了一个电子空穴对。
这种在能带间跃迁并形成载流子的过程称为本征吸收。
这实际上是半导体本身的原子对光子的吸收。
在晶格图象中，硅原子间共价键的一个电子吸收了一个能量为hf的光子后成为自由电子，同时在共价键断裂处留下一个空穴。
图3－1 载流子的本征吸收一个电子吸收一个光子的能量hf并具有能量以跃迁过禁带而进入价带，则被吸收的光子必定要满足：hf≥Eg（3—2）或者：h c/ λ≥Eg（3—3）硅的禁带宽度Eg = 1.119eV，因此硅材料可以本征吸收的光波波长应小于1.109nm。
与本征吸收对应的是非本征吸收，非本征吸收包括激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收和晶格振动吸收等。
激子吸收指价带中的电子吸收一个能量为hf∠Eg 的光子而离开价带，但却无法进入导带成为自由电子。
该电子实际上还和空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个新的电中性系统，称为激子。
太阳能电池的定义
太阳能电池，也称为光伏电池，是一种能够将太阳能直接转换为电能的设备。
它利用光电效应原理，将太阳光中的光子能量转化为电子能量，最终产生电流。
太阳能电池通常由多个薄片或膜层组成，其中包含半导体材料如硅。
当太阳光照射到太阳能电池表面时，光子与半导体材料相互作用，将电子从半导体的价带中激发到导带中，形成电流。
这种电流可以直接供电使用，或者储存在电池中供以后使用。
太阳能电池广泛应用于太阳能发电系统、太阳能灯具、太阳能充电器等领域。
太阳能电池存在的问题
尽管太阳能电池是一种环保、可再生的能源，但仍然存在一些问题：
1. 昂贵的成本：太阳能电池的制造成本相对较高，使得其价格较高，限制了其普及程度。
2. 依赖天气条件：太阳能电池需要阳光才能产生电能，因此在阴雨天或夜晚效能较低，需要其
他能源作为补充。
3. 大面积需求：太阳能电池的能量转化效率相对较低，需要大面积的太阳能电池板才能满足大
规模电力需求。
4. 能量储存问题：太阳能电池产生的电能往往不能直接用于供电，需要进行储存或转换。
目前
常用的储能技术仍然存在一些问题，如储能成本高、能量密度低等。
5. 稳定性和耐久性问题：太阳能电池板在长时间使用后效能会逐渐下降，需要定期维护和更换，增加了维护成本。
6. 环境污染：太阳能电池的制造过程中使用的某些化学物质可能对环境造成污染，如铅、硫酸等。
尽管存在这些问题，太阳能电池作为一种可再生能源仍然具有很高的发展潜力，可以在改善相
关技术和降低成本的基础上更广泛地应用。
太阳能电池原理，很基础的东西，值得一看啊一,基础知识(1)太阳能电池的发电原理太阳能电池是利用半导体材料的光电效应,将太阳能转换成电能的装置.●半导体的光电效应所有的物质均有原子组成,原子由原子核和围绕原子核旋转的电子组成.半导体材料在正常状态下,原子核和电子紧密结合(处于非导体状态),但在某种外界因素的刺激下,原子核和电子的结合力降低,电子摆脱原子核的束搏,成为自由电子.●PN 结合型太阳能电池太阳能电池是由P 型半导体和N 型半导体结合而成,N 型半导体中含有较多的空穴,而P 型半导体中含有较多的电子,当P 型和N 型半导体结合时在结合处会形成电势当芯片在受光过程中,带正电的空穴往P 型区移动,带负电子的电子往N 型区移动,在接上连线和负载后,就形成电流..(2)太阳能电池种类※在现在的太阳能电池产品中,以硅半导体材料为主,其中又以单晶硅和多晶硅为代表.由于其原材料的广泛性,较高的转换效率和可靠性,被市场广泛接受.非晶硅在民用产品上也有广泛的应用(如电子手表,计算器等),但是它的稳定性和转换效率劣于结晶类半导体材料.化合物太阳能电池由于其材料的稀有性和部分材料具有公害,现阶段未被市场广泛采用. ※现在太阳能电池的主流产品的材料是半导体硅,是现代电子工业的必不可少的材料,同时以氧化状态的硅原料是世界上第二大的储藏物质.(3)多晶硅太阳能电池的制造方法(4)太阳能电池关连的名称和含义●转换效率太阳能电池的转换效率是指电池将接收到的光能转换成电能的比率※标准测试状态由于太阳能电池的输出受太阳能的辐射强度,温度等自然条件的影响,为了表述太阳能电池的输出和评价其性能,设定在太阳能电池板的表面温度为25 度,太阳能辐射强度为1000 ｗ/㎡、分光分布AM1.5 的模拟光源条件下的测试为标准测试状态.小知识晶硅类理论转换效率极限为29%,而现在的太阳能电池的转换效率为17%～19%,因此,太阳能电池的技术上还有很大的发展空间●太阳能电池输出特性【太阳能电池电流---电压特性(I-V 曲线)】●太阳能电池对环境的贡献①对防止地球温暖化,减轻对地球环境的贡献从太阳能发电系统排放的二氧化碳,即使是考虑其生产过程的排放量,也绝对少于传统的燃料发电设备,是防止地球温暖化的环保设备.同时在发电时,不排放氧化硫,氧化氮等污染物,减轻了对环境的压力.例:3ｋW 太阳能发电系统对环境污染物的削减量石油替代量:729L/年减排放CO2 能力:540kg-C/ 年森林面积换算:5544 ㎡②对能源和节能的贡献太阳能电池2。
■ 國立雲林科技大學電機工程研究所／華志強、吳俊緯■本文主要在市電及太陽能電池對電動車電池的快速充電。
在市電方面，針對高峰值充電電流進行充電以縮短充電時間，並且探討電池充電時間、充電電流、溫度變化、切換頻率及脈衝週期等。
在太陽能供電方面，為提高太陽能電池的轉換效率，本研究以擾動觀察法追蹤太陽能電源，在最大功率下操作，使其能產生最高的電功率並傳送至電動車電池進行充電。
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧TOP現代科技發展所帶來的環境影響，以及能源可應用量的限制，能夠研發出減少環境污染及提高能源使用效率的交通工具已成為當務之急。
由於電動車不會造成環境污染，勢必將成為未來發展及應用的主要交通工具，有鑑於此，政府積極推動電動車計劃，希望在1999年時能達到一萬台以上的銷售量，但目前仍未達到此預定目標，因為發展電動車遭遇了以下三大瓶頸：1.電動車的續航力比不上一般傳統的汽油車。
2.電動車充電時間過長。
3.充電技術不成熟因而導致電池壽命減短。
本研究將針對上述之缺點加以探討及分析，以尋求最佳充電法則，達到快速充電之目標。
電動車續航力問題，主要是電池的能量密度、功率密度及蓄電容量的影響。
目前幾種比較重要之已開發或發展中的二次電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池和鋰離子電池。
本研究針對鉛酸電池加以深入探討其蓄電容量，以提高電池之使用效率，並且以脈衝與Reflex TM充電法提高充電峰值電流及提供充足的休息時間，有助於電池緩和化學反應，不但可減短充電時間，並且可提高電池使用壽命。
由於太陽能是一種取之不盡、用之不竭的天然能源，太陽能電池所產生的電力可經由電力轉換器，使之成為穩定且可靠之電力來源。
太陽能電池之可用功率取決於太陽光輻射密度及太陽能電池本身溫度等條件，太陽能電池有其最佳工作點，於此點可獲得最大之輸出功率，但太陽能電池的最佳工作點往往隨著周圍環境而改變，如果將太陽能電池之輸出電壓固定，則無法持續地產生最大輸出功率。
目前太陽能電池最大功率追蹤的方法可分為四種：1.增量電導法(Incremental and Conductance)2.擾動觀察法(Perturbation and Observeation method)3.曲線近似法(Curve Fitting)4.類神經學習法(Neural Learning)其中擾動觀察為目前四種追蹤方法中技術最為成熟以及被採用最多的方法，所以本研究使用擾動觀察法控制以達到太陽能最大功率追蹤之功能。
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧TOP 圖1為電池充電特性曲線圖，由圖可知電池充電可分為三個階段─階段一：此階段若以大電流對電池充電，將造成電池電壓急速上升，電池無法完全吸收此電流，無法吸收之能量將會損失於電池內阻，造成電池溫度上升。
為了避免損失所造成的低充電效率，本階段宜採用小電流充電。
階段二：此階段適合用大電流充電，所以採用Reflex TM充電方式快速充電。
圖1. 充電過程電池電壓變化曲線圖階段三：此階段由於電池已接近飽和，為了避免電池因大電流充電造成傷害，因此以定電壓或小電流充電，其目的在於將電池電壓保持在飽和狀態。
由於第三階段需較長的充電時間，在本文中不將此階段列入充電過程中考慮。
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧TOP本研究採用脈衝及Reflex TM充電法對26AH電池作充電測試，並探討充電器之電池充電效率。
利用DSP處理器記錄充電時間，在一週充電過程中抓取30次電池充電電流，並運算及判斷充入電池之容量。
電池充電截止點判斷條件為電池是否已充入70%電池容量或電池上升溫度大於45度，若滿足其中一項則立即中止充電過程，其充電流程如圖2。
本文採用2.6A定電流放電，利用DSP處理器記錄放電時間，並運算電池所放出之總容量。
電池放電截止點判斷條件為電池之端電壓是否到達10.7V，若滿足則立即中止放電過程，放電流程如圖3。
圖2. 充電流程圖圖3. 放電流程圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧TOP一、脈衝充電法圖4為脈衝充電電路，經由TM320F240數位信號處理器抓取電池電壓及充電電流，並經由運算結果產生所需之PWM信號來控制開關元件，因Q1充電電流約為DC電流200A，所以選用耐流80A之TOSHIBA公司所出產的絕緣閘雙極性電晶體GT80J101四顆，以平均分流達到脈衝充電之功能，並經由LabVIEW軟體記錄電池電壓、電池溫度及充電電流之變化。
圖4. 脈衝充電電路圖5(a)為第一階段脈衝充電之實測電流波形，以峰值電流200A，工作週期為10%；圖5(b)為第二階段脈衝充電之實測電流波形，以峰值電流200A，工作週期為30%。
圖6(a)至圖6(c)以LabVIEW軟體記錄脈衝充電過程中電池溫度、電池電壓及電池電流之變化，圖6(d)為放電過程中電池電壓之變化。
圖5(a). 第一階段脈衝充電電流波形(40A /div)圖5(b). 第二階段脈衝充電電流波形(40A /div)圖6(a). 脈衝充電之電池溫度變化圖6(b). 脈衝充電之電池電壓變化圖6(c). 脈衝充電之電池電流波形圖6(d). 電池放電之電池電壓變化圖7(a)至圖7(c)為脈衝充電峰值電流200A 在不同頻率及不同工作週期之充電時間、電池上升之最高溫度及充電效率作比較。
從圖7(a)可得知，在相同工作週期時，若工作頻率較大者，其所需的充電時間相對增加；在相同之工作頻率，若工作週期增加時，其所需的充電時間相對減少。
從圖7(b)可得知，在相同工作週期時，若工作頻率較高者，其電池溫度比較低；在相同之工作頻率下，若工作週期增加時，其電池溫度比較高。
有關充電效率由圖7(c)可得知，工作週期加大時其效率會上升，但電池溫度也同樣會往上升，將對電池壽命產圖7(a). 脈衝充電之電池充電時間比較生影響。
圖7(b). 脈衝充電之電池充電溫度比較圖7(c). 脈衝充電之電池充電較率比較二、Reflex TM充電法Reflex TM充電法為脈衝充電法之改善，其特色即在每一個充電脈衝之後，緊跟著一個放電脈衝，此過程可以讓電池內部的電解液獲得緩衝時間，可以去除電極之氣泡及延長電池壽命。
圖8為Reflex TM充電電路，圖9為充電開關切換及Reflex TM 電流波形，此電路架構在充電時，有三個工作模式(ModeⅠ：0~T0、ModeⅡ：T0~T1 、ModeⅢ：T1~T2)。
ModeⅠ為充電休息時段，ModeⅡ為電池充電時段，ModeⅢ為電池放電時段。
圖8. Reflex TM充電電路圖9. 電開關切換及Reflex TM電流波形圖10(a)為Reflex TM充電過程中第一階段實測電流波形，本階段是以脈衝電流充電，峰值電流100A，工作週期為10%。
圖10(b)為第二階段Reflex TM充電之實測電流波形，T1峰值電流100A，工作週期為30%；T2峰值電流-100A，工作週期為5%。
圖11(a)至圖11(c)即是將不同頻率及不同工作週期之充電時間、電池上升之最高溫度及充電效率作比較。
圖10(a). 第一階段Reflex TM充電電路(50A/div)圖10(b). 第二階段Reflex TM充電(50A/div)在Reflex TM充電方面，由圖10(b)中可知T1及T2之充放電電流各為100A 電流。
由圖11(a)可知，若頻率不同而工作週期一樣，電池充電時間約略相同。
由圖11(b)可知，充電過程中頻率及工作週期都會影響充電時之電池溫度，若充電頻率減少或工作週期加大時，電池溫度將會上升較高。
在效率方面由圖11(c)可知，工作週期減少時其充電效率會上升，電池溫度也同樣會往下降，如此對電池壽命有提升之效果，但相對的需花費更長的充電時間。
圖11(a). Reflex TM充電之電池充電時間比較圖11(b). Reflex TM充電之電池充電溫度比較圖11(c). Reflex TM充電之電池充電效率比較三、太陽能電池功率追蹤訪法及演算法擾動觀察法是目前太陽能電池最大功率追蹤技術中最為成熟以及被採用最多的方法，其系統方塊圖如圖12所示。
由圖中可以很明顯的看出此法的硬體需求較少，類比／數位轉換器節省得相當多，因此在製造的成本上將大為降低。
擾動觀察法之缺點在於最大功率追蹤過程中，當大氣條件迅速改變時，由於響應速度未能因應調整，會使追蹤的速度變緩，造成功率的損失，不過此一缺點可以用軟體技術來加以改善，賦予系統自我調整響應速度之功能，這也是本文的研究重點，亦即以軟體演算法來達到太陽能電池最大功率的追蹤，並分析系統操作於較高頻率下，其追蹤的性能。
依電路理論而言，當太陽能電池的等效輸出阻抗等於負載端的等效輸入阻抗時，太陽能電池所送出的功率為最大，這就是最大功率轉移定理。
因此當太陽能電池模組串接直流－直流轉換器之後如圖13，若要得到太陽能電池的最大功率，則轉換器的輸入阻抗必須和太陽能電池的輸出阻抗相等，但是太陽能電池的輸出功率受到大氣條件的影響，使得其等效輸出阻抗並不會固定在某一定值。
對轉換器而言，其輸入阻抗是隨著工作週期的改變而有所不同，所以轉換器若要維持太陽能電池於最大功率下操作，就必須隨時地調整其工作週期。
圖12. 擾動觀察法方塊圖圖13. 儲能系統方塊圖當輸入到轉換器的功率為一定值，且轉換器的輸出是可調時，則此轉換器即具有負阻抗的特性如圖14所示，也就是說，若輸入電壓減少則輸入電流將增加，以維持輸入到轉換器的功率為一定。
在圖14中，是輸出可調時的最小輸入電壓，即當輸入電壓小於此值，則轉換器就不具有調節功能，而轉換器所呈現的是正阻抗的特性。
由於轉換器具有負阻抗的特性，使得在追蹤最大功率的過程中易造成系統崩潰，因為當轉換器的輸入阻抗比太陽能電池的輸入阻抗小時，系統將無法追蹤到最大功率。
換句話說，當太陽能電池操作在高阻抗區時，系統為了要追蹤太陽能電池的最大功率，因此會調整開關的責任週期，使得導通時間增加，這將造成太陽能電池的輸出電壓降低，如此反複循環，最後使得開關的責任週期保持在最大，但卻不是系統的最大功率。
因此對於一個具有負阻抗特性的轉換器，太陽能電池只能操作在低阻抗區，即最大功率點的右邊區域，而不能操作在高阻抗區。
圖14. 轉換器在定功率下的特性曲線為了改善上述現象，系統控制之設計需避免轉換器操作在負阻抗特性區。
由於引起負阻抗的原因是當輸入電壓（或電流）增加時，造成輸入電流（或電壓）的減少，所以在追蹤最大功率的過程中，當電壓增加時，經由迴授與控制器的計算判斷，促使開關的導通時間增加，電流也因此而增加。
由於輸入到轉換器的功率為一定值，所以電壓將會因電流的增加而減少。
上述過程中，因電壓的增加造成電流的增加，所以負阻抗的性質就不存在了，太陽能電池也因此可以操作在高阻抗區域，系統追蹤流程如圖15所示。
