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物理技术研究
聚光太阳能光伏组件的特性研究＊
陈
涛 马明乐 宋春龙 陈
坚 陈东生①
（上海电力学院数理学院 上海 ２０００９０
）（收稿日期：２０１３－０４－２８
）摘要：将菲涅耳透镜应用于太阳能光伏组件的实验研究．结果显示，菲涅耳聚光透镜能大大提升太阳能的转
换效率．
关键词：菲涅耳透镜 光伏组件 转换效率
１ 引言
聚光太阳能电池是降低太阳能电池系统整体造价的一种措施．聚光太阳能电池是通过聚光器使较大面积的阳光会聚在一个较小的范围内，加大光强，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，提高光电转换效率，因此，可以用较小面积的太阳能电池获得较高的电能输出．国际上大力开展聚光太阳能电池的研究．目前，日本夏普公司研制的３结ＧａＡｓ聚光电池效率达到了３９．２％（２００倍聚光）和３８．９％（４００倍聚光）．最近，更有世界最高效率４０．７％的３结
ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ聚光电池面世［１］
．
目前太阳能聚光方式有碟式反射、抛物槽式反射、菲涅耳透镜式等．其中菲涅耳透镜具有结构简单，重量轻便，球差小，焦距短的特点，由菲涅耳透镜构成的模块具有结构紧凑、效率高、成本低廉等优点，并且能够将太阳能电池密封成模块，在聚光的过程中同时保护太阳能
电池［２］
．
２ 实验原理
菲涅耳透镜（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓ），又名螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的．镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的．菲涅耳透镜的原理
基于菲涅耳波带片，菲涅耳波带片具有类似透镜的作用，它可以使入射光汇聚起来，产生极大的光
强［３］
．
利用菲涅耳透镜将大面积分散的能量汇聚到极小面积，产生局部的高能量．在传统的平板光伏发电系统中，太阳能电池片的成本会占到系统总成本的５０％～５５％．
如果引入聚光技术，将太阳光聚焦到面积很小的太阳能电池片上，那么，就可以大幅度地降低昂贵的太阳能电池片的用量，从而明显降低光伏发电的成本，其原理如图１所示
．
图１ 聚光电池原理图
以ＦＦ是常量，
有近似效率公式［４］
η＝
ＩｓｃＶｏｃ
ＦＦＰｉｎ
（１
）又因为
Ｖｏｃ＝
ｋＴｑｌｎＩｓｃ
Ｉ０
（２
）所以η＝ＩｓｃｋＴｑｌｎＩｓｃＩ０ＦＦＰｉｎ
（３
）—
８９—①＊上海市大学生科研创新项目资助，
项目编号：２０１３１０２５６０３９；国家大学生科研创新基金资助，项目编号：２０１３１０２５６０４０作者简介：陈涛（１９９１－ ），男，在读本科生，应用物理专业．指导教师：陈东生（１９７８－ ）
，男，博士，副教授，主要研究方向为薄膜太阳能电池，综合性、设计性实验的开发等．
当ｎ倍聚光的时候，Ｐｉｎ扩大了ｎ倍，Ｉｓｃ扩大了ｎ倍，其效率为
η＝ｎＩｓｃｋＴｑｌｎｎＩｓｃＩ０Ｆ
ＦｎＰｉｎ（４） η＝ＩｓｃｋＴｑｌｎｎＩｓｃＩ０Ｆ
ＦＰｉｎ
（５
）式中，Ｖｏｃ为开路电压，Ｉｓｃ为短路电流，Ｉ０为反向饱
和电流密度，ＦＦ为理想因子，Ｐｉｎ为输入功率．
由式（５）可知，分子、分母约掉了ｎ，但是注意ｌｎ里面多了一个ｎ的系数，这就是效率提高的原因．本实验中所用实物装置如图２所示
．
图２ 实验所用实物装置
３ 实验步骤
（１
）选择实验仪器，包括菲涅耳透镜、万用表、铁架台、光源、电阻箱及导线若干．
（
２）搭建实验装置．将菲涅耳透镜固定于铁架台上适当位置，将电流表和电阻箱串联接入电路，用
于改变负载电阻和测量电流，电压表测量太阳能电池两端电压．
（３）将装置电源打开，预热３ｍｉｎ．
注意：应使用单一不变的光源，尽量避免周围非实验变量的干扰．
（４
）在无菲涅耳透镜的情况下进行测量．打开各实验仪器，调节电阻旋钮，改变输出电压Ｕ和输出电流Ｉ，电阻从零开始，每增加１０Ω记录一次，到１００Ω后，每增加１００Ω记录一次．
（５
）在有菲涅耳透镜的情况下测量．在光源和电池板之间增加菲涅耳透镜，调节菲涅耳透镜的位置，使其聚集在太阳能电池板上．调节电阻旋钮，改变输出电压Ｕ和输出电流Ｉ，电阻从零开始，每增加１０Ω记录一次，到１００Ω后，每增加１００Ω记录一次．
（６
）关闭实验仪器．４ 实验数据的测量及分析
分别在无与有菲涅耳聚光透镜下，测量其电压、电流及功率随着负载的变化，其数据如表１所示．
表１ 有无菲涅耳聚光透镜下实验数据
无菲涅耳聚光透镜
有菲涅耳聚光透镜
Ｒ／ΩＵ／Ｖ Ｉ／ｍＡ Ｐ／ｍＷ Ｒ／ΩＵ／Ｖ Ｉ／ｍＡ Ｐ／ｍＷ００．００５ ４．１ ０．０２０ ５ ０ ０．０１８ ７．１１ ０．１２７ ９８１０ ０．０４６ ４．１ ０．１８８ ６ １０ ０．１５１ ７．０９ １．０７０ ５９５０ ０．２１１ ４．１ ０．８６５ １ ５０ ０．３６４ ７．０７ ２．５７３ ４８１００ ０．４１７ ４．０９ １．７０５ ５３ １００ ０．７２ ７．０６ ５．０８３ ２２００ ０．８２７ ４．０８ ３．３７４ １６ ２００ １．４３１ ７．０７ １０．１１７ １７３００ １．２３５ ４．０７ ５．０２６ ４５ ３００ ２．１３１ ７．０３ １４．９８０ ９３４００ １．６３９ ４．０５ ６．６３７ ９５ ４００ ２．８１７ ６．９６ １９．６０６ ３２５００ ２．０３８ ４．０４ ８．２３３ ５２
５００ ３．４９５ ６．９３ ２４．２２０
３５……………………４ １００ ７．４７ １．８１ １３．５２０ ７ ６ ７００ ８．６１ １．２９ １１．１０６ ９４ ２００ ７．４９ １．７７ １３．２５７ ３ ７ ７００ ８．６４ １．１２ ９．６７６ ８４ ３００ ７．５１ １．７３ １２．９９２ ３ ８ ７００ ８．６６ ０．９９ ８．５７３ ４４ ４００ ７．５４ １．７ １２．８１８ １８ ７００ ８．７６ ０．４７ ４．１１７ ２４ ５００ ７．５５ １．６６ １２．５３３ ２８ ７００ ８．７８ ０．３ ２．６３４４ ６００ ７．５６ １．６３ １２．３２２ ８ ３８ ７００ ８．７９ ０．２２ １．９３３ ８５ ６００
７．７１
１．３６
１０．４８５ ６
４８ ７００
８．８
０．１７
１．４９６
—
９９—
根据记录的数据，做出两种情况下光伏组件的伏安特性曲线，如图３所示
．
图３ 不同情况下光伏组件伏安特性曲线由图３可知：
（１
）菲涅耳透镜能显著提高光伏组件的电流，本实验使电流从４ｍＡ提高到７．２ｍＡ，增幅接近２倍．这是因为菲涅耳透镜能将光强提高到原来的４０倍，就是把一个太阳，聚焦到４０ｓｕｎ，从而增加了光生载流子．
（２
）菲涅耳透镜对光伏组件的开路电压影响较小．本实验使开路电压从８．２Ｖ增大到８．８Ｖ左右．
而开路电压与短路电流、反向饱和电流之间满足式（２），反向饱和电流随着光照强度的增加而缓慢增大，高的光照强度激活了电池内部更多潜在的复合中心，
复合中心的存在减小了少子的扩散长度，从而引起反向饱和电流的增大．但与光生电流相比，其增加幅度非常小，
因而，总的效应是开路电压随着光照强度的增加而缓慢增大．
不同情况下，光伏组件的输出功率曲线如图４所示．由图４可知：
（１
）菲涅耳聚光透镜不影响光伏组件的最大功率点，且不会改变其功率特性曲线．
（２
）聚光光伏发电，将光线均匀地聚集在太阳能光伏电池板上发电，单位面积内辐照量增加，因而
效率增加，且在最大功率点增幅最大．在本实验中，其功率从２０ｍＷ增大到４０ｍＷ，
增幅将近两倍
．图４ 不同情况下光伏组件输出功率曲线
５ 实验结论
在聚光条件下，光伏组件的性能得到提高，通过聚光器的聚光，克服了太阳辐射能流密度低的缺陷，提高了光电转换效率．菲涅耳透镜不影响光伏组件的最大功率点，
而且在最大功率点功率增幅最大．对于太阳能本身密度低、间歇性、空间分布不断变化的特点，聚光太阳能电池组件可以有效地提高太阳能的光能利用率，而精确追踪太阳光的智能装置对于聚光太阳能电池来说格外重要．
聚光太阳能电池突破了普通太阳能电池高成本的制约因素，为太阳能电池的普及开辟了一条新的道路．
参考文献
１ 邓隐北，
曹淑开．聚光型高效率太阳能电池．新能源，２０１３（２）：４８～５２
２ 王振飞，
杨虹．菲涅耳透镜聚光对光伏发电效率的实验研究．大学物理实验，２０１２，２５（４）：４２～４３
３ 姚叙红，
朱林泉，薛忠晋，等．菲涅耳透镜提高太阳能利用率的研究．红外，２００９，３０（３）：３１～３２
４ ｈｔｔｐ
：／／ｗｗｗ．ｓｏｌａｒｚｏｏｍ．ｃｏｍ／ｔｈｒｅａｄ－１１２５０４－１－１．ｈｔｍｌＳｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ Ｓｏｌａｒ ＰＶ Ｍｏｄｕｌｅｓ ｂｙ
Ｍｅａｎｓ ｏｆ ＣｏｎｄｅｎｓｅｒＣｈｅｎ Ｔａｏ Ｍａ Ｍｉｎｇｌｅ Ｓｏｎｇ
Ｃｈｕｎｌｏｎｇ Ｃｈｅｎ Ｊｉａｎ Ｃｈｅｎ Ｄｏｎｇｓｈｅｎｇ（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９０）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａｐｐｌｉｅｄ Ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓ ｔｏ ＰＶ ｍｏｄｕｌｅｓ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ Ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓｃａｎ ｌａｒｇｅｌｙ
ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：Ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓ；ＰＶ ｍｏｄｕｌｅｓ；ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ—
００１—。