武涛 侯国青 胡孟川
（北京太阳能电力研究院有限公司 北京市 101102）
摘要：由于光伏组件的半导体PN结特性，对电池组件施加正向直流电压，会使电子从具有高费米能级的N型半导体区域移动到低费米能级的P型半导体区域，释放光子和声子，最终转化为热能，从而使光伏组件表面发热。本文针对这一特性进行了实验验证，并介绍了一种用于融化光伏电站组件表面积雪的系统设计。
关键词：太阳电池组件，PN结，二极管，光生伏特效应，费米能级， 半导体
0 引言
太阳能光伏系统中光伏组件是在室外露天放置，在某些地区，可能会因在电池组件有积雪而造成电池组件不能接受太阳光辐射。如果只靠阳光自然融化积雪，将使光伏电站的发电量会受到一定的损失。现有除雪方式有人工除雪、融雪剂除雪、在电池组件的背面及侧面加电热丝通电加热除雪等方式。也有利用机械结构使电池组件可以产生翻转，当下雪时使电池组件正面翻转朝下避免积雪附着在电池组件正面，当无雪后再将电池组件翻转正面朝上的避雪的方式。笔者主要针对晶硅电池组件，设计了一种利用电池组件PN结正向通电使用电池组件发热而融化表面积雪的方式。
1 电池组件PN结原理简述
1.1 PN结的结构
晶硅太阳能电池通常是由P型和N型掺杂的硅材料连接组成的二级管设备。通过在纯硅中掺入最外层有5个电子的原子如磷原子，就成为带负电的N型半导体；若在纯硅中掺入最外层有3个电子的原子如硼原子，形成带正电的P型半导体。在P型半导体和N型半导体的交界处，由于不同区域的载流子存在浓度梯度，因N型区内的电子很多而空穴很少，P型区内的空穴而电子很少，这样电子和空穴很多都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散， 在扩散过程中要产生复合（中和），结果使P区和N区中原来的电中性被破坏。在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结。当PN结施加电压时，内建电场E会发生不同的变化：
1.2 太阳能电池的光生伏特效应及单向导电性
如果没有电压加在电池组件的PN结上，光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。这就是光生伏特效应，电池组件正是将多组PN结并联串联后形成所需要的直流电压、电流而发电工作的。
2. 光伏组件融雪系统原理简述
当把光伏组件作为一个负载，有正电压施加在组件正负两极时，由于组件内部的PN结结构，会产生单向导通电流，此时的工作原理类似于发光二极管LED。由于PN结的能级差，以及半导体区电阻的存在，当电子通过时会在光伏组件内部的半导体区域内产生能量转化为热能，从而使组件温度升高，起到融雪的作用。
以下通过固体物理学和焦耳效应原理对上述现象进行解释。
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2.1 固体物理学解释：
由于外加电源电压的存在，推动了光伏组件内部半导体区域内的电子由N区向P区做定向移动。N区的费米能级靠近导带，P区的费米能级靠近价带，所以N型区域内的费米能级要高于P型区域内的费米能级（PN结能带图见图X），当电子从N区向P区移动并在P区内与空穴复合形成P区内的价电子时，多余的能量就会以光子或声子的形式释放。所释放的光子波长频率与电子跃迁的能级差Eg相关，光子光谱不在可见光范围内，最终光子的能量大多以辐射的形式被转换为热能吸收；还有一大部分能量在电子移动时被传递给晶格，引起晶格的振动，产生声子，最终转化成为热能被释放掉。
3. 组件通电融雪实验
实验一：组件通电升温实验
选用140W多晶硅光伏组件（Vmp=17.6V, Imp=7.95A, Voc = 21.96V，Isc=8.41A）水平放置于恒温17°的车间内桌面上，为减少热传导，组件与桌面间放置一块树脂绝缘板。待测量组件温度稳定后，使用直流稳压电源对组件进行供电，使电流从组件接头正极流入，正向流经组件内部P-N结从负极流出。电流源开始时设置为8A恒流进行供电，实验开始后每隔两分钟使用红外测温仪器测量组件表面的温度变化，记录下温度数据。
实验二： 组件通电融雪对比实验
为减少阳光辐射对融雪的影响，实验时间选在下午4:30以后。选用两块与实验一中相同的140W多晶硅光伏组件（Vmp=17.6V, Imp=7.95A, Voc = 21.96V，Isc=8.41A），在两块组件表面进行人工积雪，两块组件的表面人工均匀堆积相同重量的3KG新下的积雪，测量组件表面积雪平均厚度约为1.5cm。对其中一块光伏组件通电进行融雪，直流电源电压26.5V，电流8.00A。另外一块组件作为对照组不通电，让其自然融雪。每隔10分钟，观察记录下两块组件表面积雪随时间变化，待实验组组件积雪融化后，测量对照组组件表面剩余积雪重量约为2.19Kg。
4. 融雪系统设计及工作原理说明
本设计包括直流电源和若干个光伏组件，所述直流电源连接汇流箱内的电源总线，电源总线分别连接有若干连接电缆，电源总线与连接电缆之间设有并联的供电开关和充电开关，连接电缆上串联若干个光伏组件。
直流电源为经过整流的交流市电，或是使用积雪已经融化以后的其他光伏组件来作为电源。通常，多串光伏组件通过汇流箱中的汇流排进行汇流，正极为“﹢”，负极为“﹣”，直流电源的正负极分别接在，流箱中汇流排的正负两极。开关K1负控制流电源正负两极的接入，以及充电加热时充电回路导通；开关K2控制光伏组件的正常供电；光伏组件的串联数不同，则直流电源的通电电压不同，所需融雪的电源功率不同，可以由连接插头T1及T2换插在不同的位置。当光伏组件正常工作时，开关K2处于闭合状态，开关K1处于断开状态；当有积雪在光伏组件表面需要融雪时，断开开关K2，并且闭合开关K1，此时直流电源为光伏组件通电，使组件产生热量进行融雪。
5结论
本文提出的针对晶硅电池组件施加正向电压时使电池组件表面发热而产生热量融化表面积雪的方法是可行的，给光伏组件施加直流电源的电流和电压可以方便的进行控制，因此可以对融雪系统速度进行控制，也可以控制需要融雪的组件块数，对于因融雪系统而耗费的能源与自然融雪而造成的发电量损失之间的较为系统的对比数据以及系统的性价比还需要进一步进行实际实验后确定。
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论文作者:武涛,侯国青,胡孟川
论文发表刊物:《电力设备》2016年第8期
论文发表时间:2016/7/19
标签：组件论文; 光伏论文; 积雪论文; 半导体论文; 电池论文; 费米论文; 电子论文; 《电力设备》2016年第8期论文;