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灰尘，湿度和风速对光伏电池效率的影响

作者: S. Mekhilefａ , R. Saidurｂ , M. Kamalisarvestani

ａ马来西亚大学电气工程系，马来西亚吉隆坡50603

ｂ马来西亚大学机械工程系，马来西亚吉隆坡50603

摘要：近年来,由于通过光伏将太阳能转换为电能在环境和经济方面具有显著优势，发达国家和发展中国家开始分配更多的光伏系统预算来提高他们的效率。除了材料和设计参数之外，还有几个常见的因素可以影响光伏电池的性能，如灰尘，湿度和风速。科学家们已经做了关于各种影响参数对光伏电池的研究。在本研究中我们将对灰尘积累，湿度水平和风速的影响分别详细阐述，并且将阐述在一个因素的条件下另一个因素的影响。研究这三个因素中的每一个因素在另两个因素条件下的影响，并得出结论，为了深刻洞察太阳能电池设计，应当平行地考虑这些因素的影响。

copy;2012 Elsevier Ltd.保留所有权利

文章历史：收到2011年8月12日；接受2012年2月5日；在线可用2012年3月22日。

关键词：太阳能电池 光伏效率 灰尘 湿度 空气速度 光伏

1、引言

太阳能是一个免费、不可估量和清洁的能源。最近在能源领域研究的重点是建立克服太阳能发电效率低的系统。通过这个部分的介绍，感兴趣的读者可以思考如何使用半导体将太阳光转换成电能，以及什么是可以影响光伏系统的转换效率的关键参数。

1.1太阳能

在一小时内从地球表面上接收的太阳能量大约等于地球一年的能量需求量。太阳的作用就像一个黑体辐射器，表面温度为5800K，这导致大气中的能量密度为1367W / m²[1–3]。在设计光伏系统时，应该研究和考虑光谱因子，深入了解太阳光谱的重要性。因为这一知识可以帮助理解大气对辐射的影响，并指导我们选择太阳能电池的最佳材料[4]。

如图1所示，在低温下几乎整个光谱位于可见光范围之外，特别是在红外线部分。可见光范围包含最高的能量密度。因此，为太阳能电池选择的材料应当具有吸收可见光范围内的能量的能力。阳光包括直接辐射 - 也称为束辐射，这是地球表面接收的阳光，漫射辐射也称为散射阳光和反照辐射，反射阳光是来自地面的反射阳光。光的这三个分量的总和被称为全球辐射[6,7]。当全球辐射进入地球大气时，大气中的分子可能引起三种情况，它们可以吸收，散射或通过不受影响的光[8]。日光的紫外区域主要被大气的臭氧层吸收，而CO₂和水蒸汽颗粒影响可见光和红外区域[9]。地平面上的物体也可能反射或吸收光。

空气质量是影响地面上吸收能量的一个关键因素。 由于大气中存在颗粒物质并且太阳光通过大气的路径的长度，AM0辐照度水平 - 恰好在大气之上 - 从对应于AM1的海平面的1367降低到1000W / m2。AM1.5 是太阳能电池设计中的标准测试条件[10]。

图1、关于波长的太阳辐射光谱[5]

1.2 光伏电池的光伏现象和物理特性

当光照射材料的表面时，其可能被反射、透射或吸收，大多数是将光子能量转换成热能。然而，一些材料具有将入射光子的能量转换成电能的特性。光子基于动量和能量原理的守恒将它们的能量给予电子。 释放的电子可以在晶体上移动。 这被称为光伏效应[3,11]。

这些在导带和价带之间具有能带隙的材料被称为半导体。由于价带是其中电子结合到主体原子的能级，而导带是从外部源取得的电子的能级，所以导致它们不再结合到主体原子。在绝对零度下，没有电子处于导带中。随着温度升高，一些电子接收能量并从价带上升到导带，产生能量 - 空穴对（EHP）。如果入射光子的能量大于半导体的能带隙，则光子能量将被吸收并且将产生EHP。光子能量和带隙之间的差的剩余部分消散成热。半导体被分为两组，直接带隙半导体和间接带隙半导体。直接带隙材料可以比所述间接带隙材料薄，但仍然能够吸收相当大量的入射辐射[3,11,12]。

在半导体材料中存在被释放的电子可以漂移的电场。由该电场引起的力导致电子行进到结的n侧，而空穴行进到其p侧。通过掺杂添加一些材料激发电场。为了更清楚，作为例子，磷给予电子到硅，并且硼分别添加空穴，分别产生n型和p型硅。从侧面通过外部导线的电流取决于在结中产生的EHP的数量；这个电流被命名为光电流。为了使光电流最大化，应当增加在任一结中吸收的光子数或扩散长度[3,12]。

命名

AM 气团

Il 基于光子的电池电流(A)

Is 反向饱和电流(A)

T 电池温度(K)

q 电子电荷(C)

k 玻尔兹曼常数(J/K)

v 二极管两端的电压(V)/粘度 (m2/s)

G0 参考辐照度(KW/m2)

Il(G0) 电池在G0点电流(A)

G 辐照度(KW/m2)

NOCT 额定工作电池温度

Ta 环境温度(◦C)

Tc 电池温度(◦C)

Ts 电池表面温度(◦C)

eta; 太阳能电池的转换效率

Ac 模块的有效面积(m2)

V 风速(m/s)

Tref 参考温度(◦C)

beta;Tref 温度系数

EHP 电子空穴对

Gs 太阳辐照度(KW/m2)

Il(G) 电池在G点电流(A)

Pmax 最大功率(W)

Pmea 平均输出功率(W)

Im 最大功率时的电流(A)

Vm 最大功率时的电压(V)

Isc 短路电流(A)

Voc 开路电压(V)

FF 填充因子(%)

q'cond 通过光伏电池的传导热通量(W/m2)

q'conv 光伏电池上的对流热通量(W/m2)

K 材料导电性(W/mK)

H 对流系数(W/m2K)

Pr 普兰特数

Rex 雷诺数

Nux 努塞尔特数

1.3 光伏电池

　　太阳能电池也称为PV电池，是当光源照射在其上时可以产生电压差的器件。 当太阳能电池通过导线连接到电路时，电流流过导线，将会产生功。

　　在1839年，法国科学家Edmund Becquerel首先发现，光可以使用某些种类的材料转换成电，后来在1876年亚当斯和日注意到硒的光伏效应。几年后，美国查尔斯·弗里茨发明了第一个太阳能电池。1954年，Chapin，fuller和Pearson通过向硅太阳能电池添加一些杂质，将太阳能电池效率提高了6％。随后太空计划的进一步发展和20世纪70年代的能源危机导致太阳能电池技术有了更多发展。1988 - 2009年太阳能电池的能源发电量从35兆瓦增加到11.5吉瓦[3,13]。

有四种主要类型的PV电池，即单晶，多晶，无定形和有机电池。 纳米PV也是一种新引入的太阳能电池[12]。

　　太阳能电池主要由铜，硫化镉，砷化镓和碲化镉等材料制成。而由于其特定的光学性能，硅是其中最好的材料[12,14]。典型的硅PV电池在0.5V DC下产生的功率小于3W。串联连接PV电池导致PV模块的范围从几瓦到三百瓦。 串联和并联连接模块串可以使光伏阵列具有100W至1000W的范围[11]。

　　太空船，海洋导航设备，电信，阴极保护，抽水，偏远地区电源（RAPS）系统和许多其他在PV电池的各种应用[12,15,16]。

　　阴极PV电池的操作可以通过二极管方程来描述。 I-V曲线可以清楚地描述在不同环境条件如温度和照明下PV电池的性能[17]。

I-V特性方程如下： 　　

　　

（q = 1.6times;10-19C，k = 1.38times;10-23J / K。Is明显取决于电池温度[11]）

可以通过以下等式计算在各种辐照度水平下的电池电流：

　　

（AM 1.5时G0=1kW/m2 Il(G0)电池在G0点的电流）

从PV电池提取的功率是电流和电压的乘积：　　　　　

　　　　

　　开路电压对数依赖于电池照明水平。短路电流也是独立的一次照明级别[18]

　　对于太阳能电池产生的最大功率，可以使用以下等式。

　　　　

FF显示太阳能电池的质量[19]。

　　NOCT是在开路操作时的电池温度，在AM 1.5时环境温度为20℃，G = 0.8kW / m2的光照度和风速不大于1m / s[20]。

　　　

1.4 PV电池效率

　　商业太阳能电池当前的效率范围在12和19％之间，各种因素例如温度，光照，光照性质，污垢，灰尘会影响电池性能[15,21,22]。

　　通过增加太阳辐射，Voc对数增加，而Isc线性地增加，结果功率增加。 随着电池温度升高，效率通过降低Voc和稍微降低Isc而下降。为了提高电池效率，电池表面必须保持在较低的温度下，并且应该除去其表面污垢和灰尘[18,23]。然而，纹理化，表面钝化和添加抗反射材料也可以提高性能[24]。各种参数对太阳能电池功能的影响总结在表1中。

表1

PV电池性能的各种影响参数的总结[18,21–23]

成分	依附理论	影响因素
电池电流	依赖	辐照度和波长
ＶＯＣ	对数依赖	光照
Ｉｓｃ	依赖于	光照
填充因子	增加	Ｉｌ／ＩＳ　增加
填充因子	增加	串联电阻降低
填充因子	增加	分流电阻增加
ＶＯＣ	减少	温度上升
Ｉｓｃ	几乎不变	温度上升
填充因子	减少	温度上升

为了最大化太阳能电池的输出功率和效率，只需将Voc，Isc和FF提高。同样，在尝试最大化Il/ Is比率时，Is必须保持最小,类似地，为了优化Il，应当使扩散长度和结宽度最大化并使入射光子的反射最小化 。

太阳能电池的转换效率可以表示为：

除了所有陈述的参数之外，还存在一些被忽视的无所不在的参数，例如灰尘，鸟粪，水渍，湿度和风速的沉积，这些参数可以影响太阳能电池性能，并且为了设计目的而理应考虑。

在本研究中，将详细阐述灰尘，湿度和风速在效率方面的影响。

2、粉尘对PV电池性能的影响

粉尘定义为直径小于500mu;m的微小固体颗粒。微小花粉例如细菌和真菌，以及从衣服，地毯和织物分离的微纤维当沉降在表面上时也称为灰尘。灰尘沉积是各种环境和天气条件的函数。行人和车辆活动，火山爆发，污染和风可以抬起灰尘并将其散布到大气中[25]。

灰尘沉降主要依赖于灰尘性质（化学性质，尺寸，形状，重量等）以及环境条件（场地特定因素，环境特征和天气条件）。表面光洁度，倾斜角，湿度和风速也会影响灰尘沉降[25,26]。

科学家已经进行了不同的研

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