王玉清

(1.延安大學 物理與電子信息學院；2.陜西省能源大數(shù)據(jù)智能處理省市共建重點實驗室，陜西 延安 716000)

太陽能作為綠色能源，具有無噪音、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點，越來越受到人們的關注。由于太陽能電池的輸出功率受負載、光照強度和環(huán)境溫度等諸多因素的影響，有時不能保證各種負載獲得足夠的能量。因此，如何進一步提高太陽能電池的轉換效率，如何充分利用太陽能電池轉換的能量，一直是光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的主要方向[1-11]。文獻[2-3]在串聯(lián)、并聯(lián)以及混聯(lián)方式下，用實驗方法研究了電池板的特性，實際使用時，可根據(jù)需要選擇滿足要求的電池板連接方式。本文用實驗方法研究相同電池板不同個數(shù)、不同連接方式構成的不同電源，加DC-DC直流電壓變換電路前后負載獲得功率隨負載電阻變化的規(guī)律，為更好地利用太陽能提供參考和借鑒。

1 實驗儀器

實驗所用儀器為成都世紀中科儀器有限公司研制的太陽能電池特性實驗儀，實驗線路如圖1、圖2所示。

圖2中DC-DC為直流電壓變換電路，相當于交流電路中的變壓器，當電源電壓與負載電壓不匹配時，通過DC-DC調節(jié)負載端電壓，就可使負載正常工作。

圖1 太陽能電池加DC-DC前負載獲得功率接線

圖2 太陽能電池加DC-DC后負載獲得功率接線

2 實驗數(shù)據(jù)處理與分析

由于實驗數(shù)據(jù)繁多，負載電阻R>120 Ω時的數(shù)據(jù)沒有在文中給出，負載電阻R≤120 Ω的實驗數(shù)據(jù)如表1、表2、表3和表4所示。太陽能電池板加DC-DC前負載獲得功率用P前表示，太陽能電池板加DC-DC后負載獲得功率用P后表示。所有曲線均利用Origin軟件進行繪制。

2.1 1個太陽能電池板加DC-DC前后負載獲得功率隨負載電阻變化的研究

為了形象、直觀地反映1個太陽能電池板加DC-DC前后負載獲得功率隨負載電阻變化的規(guī)律，利用表1數(shù)據(jù)作負載獲得功率P隨負載電阻R變化的曲線如圖3A所示，選取負載在300～5 000 Ω之間的有代表性數(shù)據(jù)作負載獲得功率P隨負載電阻R變化的曲線如圖3B所示。

表1 1個太陽能電池板加DC-DC前后負載獲得功率隨負載電阻變化的數(shù)據(jù)

圖3 1個太陽能電池板加DC-DC前后負載獲得功率隨負載電阻變化曲線

由圖3A可以看出，當負載電阻R<55 Ω時，1個太陽能電池板加DC-DC后，負載獲得功率明顯增大；當負載電阻R≥55 Ω時，負載獲得功率明顯減小。由圖3B可以看出，隨著負載電阻繼續(xù)增大，開始時不加DC-DC時負載獲得功率大于加上DC-DC時負載獲得功率，但是，當繼續(xù)增大負載電阻時，則加上DC-DC時負載獲得功率大于不加DC-DC時負載獲得功率。

2.2 2個太陽能電池板串聯(lián)加DC-DC前后負載獲得功率隨負載電阻變化的研究

根據(jù)表2數(shù)據(jù)作負載獲得功率隨負載電阻R變化的曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，2個太陽能電池板串聯(lián)加DC-DC后，當負載電阻R<50 Ω時，負載獲得功率明顯增大，當負載電阻R≥50 Ω時，負載獲得功率明顯減小。

表2 2個太陽能電池板串聯(lián)加DC-DC前后負載獲得功率隨負載電阻變化的數(shù)據(jù)

圖4 2個太陽能電池板串聯(lián)加DC-DC前后 負載獲得功率隨負載電阻變化曲線

隨著負載的繼續(xù)增大，在實驗室條件許可范圍內，加上DC-DC時負載獲得功率都小于不加DC-DC時負載獲得功率。

2.3 2個太陽能電池板并聯(lián)加DC-DC前后負載獲得功率隨負載電阻變化的研究

根據(jù)表3數(shù)據(jù)作負載獲得功率隨負載電阻R變化的曲線如圖5A所示。

表3 2個太陽能電池板并聯(lián)加DC-DC前后負載 獲得功率隨負載電阻變化的數(shù)據(jù)

圖5 2個太陽能電池板并聯(lián)加DC-DC前后負載獲得功率隨負載電阻變化曲線

由表3數(shù)據(jù)及圖5A可以看出，2個太陽能電池板并聯(lián)加DC-DC后，當負載電阻R<35 Ω時，負載獲得功率明顯增大，當負載電阻R≥35 Ω時，負載獲得功率明顯減小。

選取負載在300～5000 Ω之間的有代表性的數(shù)據(jù)作負載獲得功率P隨負載電阻R變化的曲線如圖5B所示。由圖5B可以看出，隨著負載繼續(xù)增大，不加DC-DC時負載獲得功率大于加上DC-DC時負載獲得功率，可再繼續(xù)增大負載，則加上DC-DC時負載獲得功率大于不加DC-DC時負載獲得功率。

2.4 4個太陽能電池板兩兩串聯(lián)再并聯(lián)加DC-DC前后負載獲得功率隨負載電阻變化的研究

根據(jù)表4數(shù)據(jù)作負載獲得功率隨負載電阻R變化的曲線如圖6所示。

表4 4個太陽能電池板兩兩串聯(lián)再并聯(lián)加DC-DC前后負載獲得功率隨負載電阻變化的數(shù)據(jù)

圖6 4個太陽能電池板兩兩串聯(lián)再并聯(lián)加DC-DC前后負載獲得功率隨負載電阻變化曲線

由圖6可以看出，4個太陽能電池板兩兩串聯(lián)再并聯(lián)加DC-DC后，當負載電阻R<35 Ω時，負載獲得功率明顯增大，當負載電阻R≥35 Ω時，負載獲得功率明顯減小。隨著負載的繼續(xù)增大，在我們實驗室條件范圍內，加上DC-DC時負載獲得功率都小于不加DC-DC時負載獲得功率。

3 實驗結論

由以上4種情況的太陽能電池板構成的不同電源加DC-DC前后負載獲得功率的對比研究可知，負載獲得的功率不僅與太陽能電池板的連接方式有關，而且與加不加DC-DC直流變換電路也有關。不論哪種電源情況，加DC-DC后，基本按照恒定功率輸出，負載電阻較小時(如2個太陽能電池并聯(lián)時，R<35 Ω)獲得功率明顯增大。負載電阻較大時，對于2個電池板串聯(lián)、4個電池板兩兩串聯(lián)再并聯(lián)構成的電源來說，在我們實驗室條件范圍內，加上DC-DC時負載獲得功率都小于不加DC-DC時負載獲得功率；對于1個電池板、2個電池板并聯(lián)構成的電源來說，小電阻加上DC-DC時負載獲得功率大于不加DC-DC時負載獲得功率，隨著負載電阻的繼續(xù)增大，加上DC-DC時負載獲得功率小于不加DC-DC時負載獲得功率，可再繼續(xù)增大負載，則加上DC-DC時負載獲得功率大于不加DC-DC時負載獲得功率。這就要求我們在實際需求中，不僅要考慮太陽能電池板不同連接方式時的輸出特性[2]，還需要根據(jù)負載電阻大小來選擇滿足要求的DC-DC連接方式，分析其優(yōu)缺點，從而更好地利用太陽能。

4 應用場景

根據(jù)以上所得結論，本文解決了文獻[3]中強調的一個問題，即由于小燈泡的內阻較小(幾歐)，用1個太陽能電池板或將幾個電池板串聯(lián)，不管太陽光怎樣照射，不可能使小燈泡亮起來。當光照強度適中的情況下，僅用1個太陽能電池板加DC-DC直流變換電路給小燈泡供電，小燈泡很容易亮起來。

根據(jù)圖1線路圖連接好線路，小燈泡為負載，測量小燈泡獲得功率；根據(jù)圖2線路圖連接好線路，測量小燈泡獲得功率。實驗數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 加DC-DC前后測量小燈泡獲得功率的實驗數(shù)據(jù)

未加DC-DC時，負載獲得的功率很小，為0.012 W，小燈泡不能正常工作，表現(xiàn)為燈不亮。加上DC-DC，并調節(jié)DC-DC旋鈕使輸出最大(即電壓、電流表讀數(shù)達到最大)，負載獲得的功率大大增加，為0.23 W，說明太陽能電池的輸出功率增加了，接近小燈泡正常工作狀態(tài)，表現(xiàn)為小燈泡變亮了。

5 結語

本文采用的實驗方法得出的有關結論，可以應用在某些場景中，同時為更好地利用太陽能提供參考和借鑒。太陽能電池板加DC-DC直流電壓變換電路前后負載功率隨負載電阻變化新的規(guī)律及物理機理還有待進一步研究。