光伏陣列基本原理及工作特性

1、第3章 光伏陣列基本原理及工作特性3.1 光伏電池的工作原理 光伏發(fā)電首先要解決的問題是怎樣將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。光伏電池就是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成，它是一種能將太陽能輻射直接轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換器件。由若干個這種器件封裝成光伏電池組件，再根據(jù)需要將若干個組件組合成一定功率的光伏陣列。光伏陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其輸出特性受外界環(huán)境影響較大。太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。這種把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是光伏電池。光伏電池是以光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)，可以把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。所謂的光生伏打效應(yīng)是指某種材料在吸收了光能之后產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)。在氣體，液

2、體和固體中均可產(chǎn)生這種效應(yīng)。在固體，特別是半導(dǎo)體中，光能轉(zhuǎn)換成電能的效率相對較高。圖3-1 光生伏打效應(yīng)當(dāng)光照射在距光伏電池表面很近的PN結(jié)時，只要入射光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 ，則在P區(qū)、N區(qū)和結(jié)區(qū)光子被吸收會產(chǎn)生電子空穴對。那些在結(jié)附近N區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子由于存在濃度梯度而要擴(kuò)散。只要少數(shù)載流子離PN結(jié)的距離小于它的擴(kuò)散長度，總有一定幾率擴(kuò)散到結(jié)界面處。在P區(qū)與N區(qū)交界面的兩側(cè)即結(jié)區(qū)，存在一個空間電荷區(qū)，也稱為耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)中，正負(fù)電荷間形成電場，電場方向由N區(qū)指向P區(qū)，這個電場稱為內(nèi)建電場。這些擴(kuò)散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子（空穴）在內(nèi)建電場的作用下被拉向P區(qū)。同樣，如果在結(jié)區(qū)

3、附近P區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子（電子）擴(kuò)散到結(jié)界面處，也會被內(nèi)建電場迅速被拉向N區(qū)結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對在內(nèi)建電場的作用下分別移向N區(qū)和P區(qū)。如果外電路處于開路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在PN結(jié)附近，使P區(qū)獲得附加正電荷，N區(qū)獲得附加負(fù)電荷，這樣在PN結(jié)上產(chǎn)生一個光生電動勢。若果外電路與負(fù)載連接，處于通路狀態(tài)，PN結(jié)產(chǎn)生的光生電動勢就開始供電， 產(chǎn)生從P區(qū)流出，N區(qū)流入的電流，從而帶動負(fù)載工作。3.2光伏電池等效電路圖3-2光伏電池等效電路上圖是光伏電池的等效電路模型圖。它由理想電流源、并聯(lián)二極管、并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻組成。光伏電池經(jīng)由光照射后所產(chǎn)生的電流；材料內(nèi)部等效并聯(lián)電阻，旁路電阻； 材

4、料內(nèi)部等效串聯(lián)電阻；光伏電池輸出電流；光伏電池輸出電壓；暗電流，無光照情況時，有外電壓作用下PN結(jié)內(nèi)流過的單向電流；電流源大小受光伏電池所處的外部環(huán)境如光照強(qiáng)度、溫度等的影響；并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻受材料本省影響，由硅片邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的，一般為幾千歐；主要由電池的體電阻、表面電阻、電極電阻和電極與硅表面間接接觸電阻所組成，一般小于，是考慮橫向電流時的等效電阻；是由于PN結(jié)缺陷造成的漏電流。當(dāng)光照射太陽電池時，將產(chǎn)生一個由N區(qū)到P區(qū)的光生電流Iph同時，由于PN結(jié)二極管的特性，存在正向二極管電流ID，此電流方向從p區(qū)到n區(qū)，與光生電流相反。因此，根據(jù)圖2.1的光伏電池等效電路模型圖可以得

5、出光伏電池的輸出特性方程式：上式中：參考條件下短路電流，單位：A；二極管暗電流，單位：A；光伏電池反向飽和電流，單位：A；二極管反向飽和電流，單位：A；短路電流溫度系數(shù)，單位：A/K，一般取值為2.6×10-3；光伏電池表而溫度，單位:K,；參考溫度，單位：K，一般取值為301.18；半導(dǎo)體材料禁帶寬度，單位：eV，取值范圍在1-3之間；光照強(qiáng)度，單位：W/m2；二極管品質(zhì)因子,取值范圍在1-2之間；玻爾茲曼常數(shù),單位：J/K，一般取值為1.38×10-23；電子電荷，單位：C，一般取值為1.6×10-19；當(dāng)太陽電池的輸出端短路時，U= 0（），此時光伏電流全部

6、流向外部的短路負(fù)載，短路電流幾乎等于光電流 即太陽電池的短路電流等于光生電流，與入射光的強(qiáng)度成正比。如果忽略太陽電池的串聯(lián)電阻Rs，即為太陽電池的端電壓U，當(dāng)太陽電池的輸出端開路時，將式（2-3）帶入式（2-7）整理可獲得開路電壓根據(jù)對上面的光伏電池等效電路分析，可以推出光伏電池的I-U輸出特性方程為上文提到，由于是由硅片邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的，其大小為數(shù)千歐姆，因此，當(dāng)光照較強(qiáng)時，光電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流經(jīng)并聯(lián)電阻的電流，所以我們將忽略，得到簡化后的I-U輸出特性方程為這里選擇無錫尚德公司生產(chǎn)的STP0950S-36型號的光伏陣列，它由36個單晶硅光伏電池串聯(lián)而成，其各項參數(shù)如表2.1所示。光

7、伏電池所處外界環(huán)境溫度為25，日照強(qiáng)度為1000W/m2稱之為標(biāo)準(zhǔn)測試條件。當(dāng)太陽電池接上負(fù)載R時，所得的負(fù)載伏安特性曲線如圖3所示負(fù)載R可以從零到無窮大當(dāng)負(fù)載使太陽電池的功率輸出為最大時，它對應(yīng)的最大功率為表3-1 光伏陣列STP0950S-36在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)測試條件下最大功率（W）94峰值工作電壓（V）21.7峰值工作電流（A）4.5開路電壓（V）24.2短路電流（A）4.8開路電壓溫度系數(shù)（V/）-0.77短路電流溫度系數(shù)（A/）2.06×10-3  式中 和分別為最佳工作電流和最佳工作電壓將與的乘積與最大功率之比定義為填充因子FF，則 FF為太陽電池的重

8、要表征參數(shù)，F(xiàn)F愈大則輸出的功率愈高FF取決于入射光強(qiáng)、材料的禁帶寬度、理想系數(shù)、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等太陽電池的轉(zhuǎn)換效率 h定義為太陽電池的最大輸出功率與照射到太陽電池的總輻射能之比，即 從式（2-8）可以看出，光伏電池的輸出電流和電壓受到外界因素，如溫度、日照強(qiáng)度等的影響。在不同的溫度、日照強(qiáng)度下有不同的短路電流，并且與日照強(qiáng)度成正比，與溫度成一定的線性關(guān)系。同時，開路電壓也與二者有密切的關(guān)系，如下:式中，標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的開路電壓，單位：V；開路電壓的溫度系數(shù)，單位：A/K；在最大功率點(diǎn)處所測得的電流和電壓分別為、，有這里取理想因子，則在溫度T=25下，則在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的串聯(lián)等效電阻若得知

9、在不同溫度和光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)(、)，就可求得不同氣候條件下的。但由于數(shù)據(jù)有限，并且值較小，可采用恒定的方法來近似模擬。3.3基于Simulink的光伏陣列仿真完成對前面光生電流、反向飽和電流和串聯(lián)等效電阻，根據(jù)上文對光伏電池的建模分析,我們運(yùn)用MATLAB對光伏電池進(jìn)行仿真,其仿真模塊如圖3.3所示： 圖3-3 基于Simulink的光伏陣列仿真模型圖3.6是光伏電池在相同光照強(qiáng)度，不同溫度下的I-U和P-U特性輸出曲線，從曲線中可以看出，在固定的光照強(qiáng)度下，當(dāng)溫度上升時光伏電池的開路電壓就會減小，但其短路電流的變化卻很小，短路電流隨著上升而略微圖3-4 光伏陣列輸出P-U特性曲線圖圖3

10、-5 光伏陣列輸出I-U特性曲線圖增大，從總體上看，溫度的上升會使光伏電池的輸出功率減小。（a）P-U特性曲線（b）I-U特性曲線圖3-6 光照強(qiáng)度不變時的特性曲線圖3-7是光伏電池在相同的溫度，不同光照強(qiáng)度下的I-U和P-U特性輸出曲線，從曲線中可以看出，在固定的溫度下，光照強(qiáng)度的增加，光伏電池的短路電流就會增加。但光伏電池的開路電壓變化卻并不十分的明顯，光伏電池的開路電壓隨著太陽光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而略微增大。從總體上看，光伏電池的輸出電流值隨著光照強(qiáng)度的增加有著較大的變化，而隨著太陽光照強(qiáng)度的減弱，光伏電池的輸出功率也將減小。（a）P-U特性曲線（b）I-U特性曲線圖3-7 溫度不變時的特性曲線3.4 本章小結(jié)在光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計中，為了更好的分析光伏陣列的輸出特性，更好的使其與光伏控制系統(tǒng)匹配，達(dá)到最佳的發(fā)電效果，本章在基于光伏電池工作原理的分析基礎(chǔ)上，建立了