太阳能电池板加DC-DC前后负载功率随负载电阻变化规律的实验研究

王玉清

(1.延安大学 物理与电子信息学院；2.陕西省能源大数据智能处理省市共建重点实验室，陕西 延安 716000)

太阳能作为绿色能源，具有无噪音、取之不尽、用之不竭等优点，越来越受到人们的关注。由于太阳能电池的输出功率受负载、光照强度和环境温度等诸多因素的影响，有时不能保证各种负载获得足够的能量。因此，如何进一步提高太阳能电池的转换效率，如何充分利用太阳能电池转换的能量，一直是光伏发电系统研究的主要方向[1-11]。文献[2-3]在串联、并联以及混联方式下，用实验方法研究了电池板的特性，实际使用时，可根据需要选择满足要求的电池板连接方式。本文用实验方法研究相同电池板不同个数、不同连接方式构成的不同电源，加DC-DC直流电压变换电路前后负载获得功率随负载电阻变化的规律，为更好地利用太阳能提供参考和借鉴。

1 实验仪器

实验所用仪器为成都世纪中科仪器有限公司研制的太阳能电池特性实验仪，实验线路如图1、图2所示。

图2中DC-DC为直流电压变换电路，相当于交流电路中的变压器，当电源电压与负载电压不匹配时，通过DC-DC调节负载端电压，就可使负载正常工作。

图1 太阳能电池加DC-DC前负载获得功率接线

图2 太阳能电池加DC-DC后负载获得功率接线

2 实验数据处理与分析

由于实验数据繁多，负载电阻R>120 Ω时的数据没有在文中给出，负载电阻R≤120 Ω的实验数据如表1、表2、表3和表4所示。太阳能电池板加DC-DC前负载获得功率用P前表示，太阳能电池板加DC-DC后负载获得功率用P后表示。所有曲线均利用Origin软件进行绘制。

2.1 1个太阳能电池板加DC-DC前后负载获得功率随负载电阻变化的研究

为了形象、直观地反映1个太阳能电池板加DC-DC前后负载获得功率随负载电阻变化的规律，利用表1数据作负载获得功率P随负载电阻R变化的曲线如图3A所示，选取负载在300～5 000 Ω之间的有代表性数据作负载获得功率P随负载电阻R变化的曲线如图3B所示。

表1 1个太阳能电池板加DC-DC前后负载获得功率随负载电阻变化的数据

图3 1个太阳能电池板加DC-DC前后负载获得功率随负载电阻变化曲线

由图3A可以看出，当负载电阻R<55 Ω时，1个太阳能电池板加DC-DC后，负载获得功率明显增大；当负载电阻R≥55 Ω时，负载获得功率明显减小。由图3B可以看出，随着负载电阻继续增大，开始时不加DC-DC时负载获得功率大于加上DC-DC时负载获得功率，但是，当继续增大负载电阻时，则加上DC-DC时负载获得功率大于不加DC-DC时负载获得功率。

2.2 2个太阳能电池板串联加DC-DC前后负载获得功率随负载电阻变化的研究

根据表2数据作负载获得功率随负载电阻R变化的曲线如图4所示。

由图4可以看出，2个太阳能电池板串联加DC-DC后，当负载电阻R<50 Ω时，负载获得功率明显增大，当负载电阻R≥50 Ω时，负载获得功率明显减小。

表2 2个太阳能电池板串联加DC-DC前后负载获得功率随负载电阻变化的数据

图4 2个太阳能电池板串联加DC-DC前后 负载获得功率随负载电阻变化曲线

随着负载的继续增大，在实验室条件许可范围内，加上DC-DC时负载获得功率都小于不加DC-DC时负载获得功率。

2.3 2个太阳能电池板并联加DC-DC前后负载获得功率随负载电阻变化的研究

根据表3数据作负载获得功率随负载电阻R变化的曲线如图5A所示。

表3 2个太阳能电池板并联加DC-DC前后负载 获得功率随负载电阻变化的数据

图5 2个太阳能电池板并联加DC-DC前后负载获得功率随负载电阻变化曲线

由表3数据及图5A可以看出，2个太阳能电池板并联加DC-DC后，当负载电阻R<35 Ω时，负载获得功率明显增大，当负载电阻R≥35 Ω时，负载获得功率明显减小。

选取负载在300～5000 Ω之间的有代表性的数据作负载获得功率P随负载电阻R变化的曲线如图5B所示。由图5B可以看出，随着负载继续增大，不加DC-DC时负载获得功率大于加上DC-DC时负载获得功率，可再继续增大负载，则加上DC-DC时负载获得功率大于不加DC-DC时负载获得功率。

2.4 4个太阳能电池板两两串联再并联加DC-DC前后负载获得功率随负载电阻变化的研究

根据表4数据作负载获得功率随负载电阻R变化的曲线如图6所示。

表4 4个太阳能电池板两两串联再并联加DC-DC前后负载获得功率随负载电阻变化的数据

图6 4个太阳能电池板两两串联再并联加DC-DC前后负载获得功率随负载电阻变化曲线

由图6可以看出，4个太阳能电池板两两串联再并联加DC-DC后，当负载电阻R<35 Ω时，负载获得功率明显增大，当负载电阻R≥35 Ω时，负载获得功率明显减小。随着负载的继续增大，在我们实验室条件范围内，加上DC-DC时负载获得功率都小于不加DC-DC时负载获得功率。

3 实验结论

由以上4种情况的太阳能电池板构成的不同电源加DC-DC前后负载获得功率的对比研究可知，负载获得的功率不仅与太阳能电池板的连接方式有关，而且与加不加DC-DC直流变换电路也有关。不论哪种电源情况，加DC-DC后，基本按照恒定功率输出，负载电阻较小时(如2个太阳能电池并联时，R<35 Ω)获得功率明显增大。负载电阻较大时，对于2个电池板串联、4个电池板两两串联再并联构成的电源来说，在我们实验室条件范围内，加上DC-DC时负载获得功率都小于不加DC-DC时负载获得功率；对于1个电池板、2个电池板并联构成的电源来说，小电阻加上DC-DC时负载获得功率大于不加DC-DC时负载获得功率，随着负载电阻的继续增大，加上DC-DC时负载获得功率小于不加DC-DC时负载获得功率，可再继续增大负载，则加上DC-DC时负载获得功率大于不加DC-DC时负载获得功率。这就要求我们在实际需求中，不仅要考虑太阳能电池板不同连接方式时的输出特性[2]，还需要根据负载电阻大小来选择满足要求的DC-DC连接方式，分析其优缺点，从而更好地利用太阳能。

4 应用场景

根据以上所得结论，本文解决了文献[3]中强调的一个问题，即由于小灯泡的内阻较小(几欧)，用1个太阳能电池板或将几个电池板串联，不管太阳光怎样照射，不可能使小灯泡亮起来。当光照强度适中的情况下，仅用1个太阳能电池板加DC-DC直流变换电路给小灯泡供电，小灯泡很容易亮起来。

根据图1线路图连接好线路，小灯泡为负载，测量小灯泡获得功率；根据图2线路图连接好线路，测量小灯泡获得功率。实验数据如表5所示。

表5 加DC-DC前后测量小灯泡获得功率的实验数据

未加DC-DC时，负载获得的功率很小，为0.012 W，小灯泡不能正常工作，表现为灯不亮。加上DC-DC，并调节DC-DC旋钮使输出最大(即电压、电流表读数达到最大)，负载获得的功率大大增加，为0.23 W，说明太阳能电池的输出功率增加了，接近小灯泡正常工作状态，表现为小灯泡变亮了。

5 结语

本文采用的实验方法得出的有关结论，可以应用在某些场景中，同时为更好地利用太阳能提供参考和借鉴。太阳能电池板加DC-DC直流电压变换电路前后负载功率随负载电阻变化新的规律及物理机理还有待进一步研究。