二極管在光伏陣列中的作用

1、太陽能光電工程學(xué)院應(yīng)用光伏學(xué)課程設(shè)計報告書題 目：二極管在光伏陣列中的作用及原理分析姓 名：專 業(yè)： 10班 級： 10準(zhǔn)考證號：設(shè)計成績：指導(dǎo)教師：摘要二極管在光伏系統(tǒng)中發(fā)揮著重大的作用，本文首先從二極管的作用及原 理入手，系統(tǒng)的介紹了光伏陣列所需二極管的種類、特性及在系統(tǒng)中的作用， 并系統(tǒng)闡述了二極管在光伏陣列的工作原理。在本文我們用圖表的形式來描 述太陽能電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、伏安特性，并以此為基礎(chǔ)建立等效電路圖。利用 Matlab和Simulink仿真工具，建立光伏陣列的仿真模型，通過仿真計算和分 析可知，在太陽電池模型中的二極管D是起到分流光生電流的作用，二極管的導(dǎo) 通電壓的大小可以影響太

2、陽電池輸出電流，提高二極管D的導(dǎo)通電壓，可以減小 太陽電池的暗電流，提高太陽電池的輸出功率，而在光伏組件中反向并聯(lián)旁路二 極管作用是可以減小熱斑現(xiàn)象對光伏組件影響，選擇導(dǎo)通電壓低的旁路二極管可 以提高組件或光伏陣列的輸出功率，得出在組成光伏陣列的支路中串聯(lián)二極管 可以起到電壓鉗位作用，但能引起附加損耗的結(jié)論。研究結(jié)果表明正確選擇 二極管的導(dǎo)通電壓對提高光伏組件和陣列輸出功率是有益的。太陽能電池陣列對于遮擋十分敏感。中間解釋了在串聯(lián)回路中，每個組件或部分電池被遮光，就 可能造成該組件或電池上產(chǎn)生反向電壓，嚴(yán)重時可能對組件造成永久性的損壞。 由此引起的熱斑效應(yīng)。關(guān)鍵詞：太陽能電池 二極管 光伏陣列

3、目 錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 緒言 3 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 二極管原理4 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 1.1二極管概要4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 1.2二極管特性4 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 二極管在光伏陣列中的作用 4 HYPERLINK l bookmark29 o

4、Current Document 2.1太陽能電池特性4 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 2.2二極管在光伏陣列中的作用 6 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 光伏陣列的仿真9 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 參考文獻(xiàn) 11緒言隨著全球氣候變暖、污染問。題日益嚴(yán)重，從傳統(tǒng)能源向可再生能源 的轉(zhuǎn)變勢在必行。其中太陽能作為可再生能源的重要部分，最近幾年已經(jīng) 得到了很廣泛的應(yīng)用，如何提高太陽能的利用效率成為研究熱點(diǎn)之一。本 文首先對二極管的工作原理

5、入手，利用太陽能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、伏安特性建立 等效電路，再根據(jù)電路分析的知識解答伏安特性的表達(dá)式。分析二極管在 太陽能電池、組件及陣列中的作用，及其導(dǎo)通電壓的大小對光伏應(yīng)用效果 的影響。詳細(xì)的介紹了旁路二極管，以及在光伏陣列中的作用。利用 Matlab 和Simulink仿真工具建立光伏陣列的仿真模型，從而更加系統(tǒng)的說明二極管對 光伏陣列的影響，其分析結(jié)果具有較好的實(shí)踐價值。通過仿真計算和分析可知， 在太陽電池模型中的二極管D是起到分流光生電流的作用，二極管的導(dǎo)通電壓的 大小可以影響太陽電池輸出電流，提高二極管D的導(dǎo)通電壓，可以減小太陽電池 的暗電流，提高太陽電池的輸出功率，而在光伏組件中反向并聯(lián)

6、旁路二極管作用 是可以減小熱斑現(xiàn)象對光伏組件影響，選擇導(dǎo)通電壓低的旁路二極管可以提高組 件或光伏陣列的輸出功率。在組成光伏陣列的支路中串聯(lián)二極管可以起到電壓鉗 位作用，但能引起附加損耗;而在陣列支路中沒有串聯(lián)二極管，在出現(xiàn)光斑現(xiàn)象 嚴(yán)重時，可能出現(xiàn)支路間的回路電流，增加了電路的附加損耗。由于二極管導(dǎo)通 時有損耗，建議使用導(dǎo)通電壓低的二極管。二極管原理1.1二極管概要二極管又稱晶體二極管，簡稱二極管(diode);它只往一個方向傳送電 流的電子零件。它是一種具有1個零件號接合的2個端子的器件，具有按 照外加電壓的方向，使電流流動或不流動的性質(zhì)。品體二極管為一個由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n

7、結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層， 并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時，由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。1.2二極管特性二極管的單向?qū)щ娞匦?，幾乎在所有的電子電路中，都要用到半?dǎo)體 二極管，它在許多的電路中起著重要的作用，它是誕生最早的半導(dǎo)體器件 之一，其應(yīng)用也非常廣泛。二極管的管壓降：硅二極管(不發(fā)光類型)正 向管壓降0.7v，鍺管正向壓降為0.3v發(fā)光二極管正向管壓降為隨不同發(fā) 光顏色而不同。二極管的電壓與電流不是線性關(guān)系，所以在將不同的二極管并聯(lián)的時 候要接相適應(yīng)的電阻。晶體二極管為一個由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界

8、 面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時，由于 p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等 而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載 流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。二極管在光伏陣列中的作用2.1太陽能電池特性太陽電池發(fā)電的能量來源于太陽，當(dāng)受光照射的光伏電池接上負(fù)載時，光生 電流流過負(fù)載，并在負(fù)載的兩端建立起端電壓，這時晶硅太陽電池的等效電路圖 如圖1所示，太陽電池通常用半導(dǎo)體制成的p-n結(jié)的光伏器件，因而太陽電池的 基本特性和二極管相似，它的伏安特性曲線是單調(diào)增長或單調(diào)下降的，它同時是 電流控制又是電壓控制

9、的。具有單調(diào)型非線性電阻的特性，非線性電阻是單向性的，當(dāng)加在非線性電阻兩端的電壓方向不同時，流過它的電流完全不同。圖1光伏電池等效電路圖圖1中太陽電池看作為穩(wěn)定地光生電流Iph的電流源，與之并聯(lián)的有一個處 于正偏壓下的二極管及一個并聯(lián)電阻Rsh。顯然正向二極管的暗電流Id和并聯(lián)電 阻的旁路電流Ish都要靠Iph來提供，剩余的電流經(jīng)過一個串聯(lián)電阻RS流出太陽電 池而進(jìn)入負(fù)載RL。利用Simulink建立太陽電池模型并對1 000W/m2的光照強(qiáng)度 下的太陽電池進(jìn)行仿真，由此得到單元太陽電池特性曲線如圖2,從太陽電池特 性曲線中可以看出，太陽電池是一種非線性直流電源，從負(fù)載端看太陽電池具有 電流源

10、的特性即可以短路，也具有電壓源的特性即可以開路，其動態(tài)電阻是電壓 對電流的導(dǎo)數(shù)，對不同日照情況每條曲線都存在一個最大輸出功率點(diǎn)，這個功率 點(diǎn)對應(yīng)唯一的輸出電壓和電流。硅太陽電池的工作點(diǎn)是太陽電池V-I曲線與負(fù)載 特性曲線的交點(diǎn)。最大功率跟蹤就是改變負(fù)載電阻從太陽電池電源中獲得最大功 率。負(fù)載電阻的改變可以通過PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)，這樣就實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)的跟 蹤控制。但是值得注意的是硅太陽電池具有非線性特性，即使相同的太陽電池， 在不同的光強(qiáng)照射下，它的等效匹配電阻也是不同的，當(dāng)光照強(qiáng)度改變時，其端 口的等效匹配電阻就發(fā)生變化，為了獲得最大的輸出功率，必須通過改變負(fù)載電 阻以匹配。光照強(qiáng)度對晶硅太

11、陽電池最大功率點(diǎn)處的電壓Ums影響不大，但是流 過負(fù)載的電流卻隨著光強(qiáng)度的增加而大幅增加，因此最佳匹配等效電阻減小。具 有近似反比例函數(shù)關(guān)系。b 5 4 3 a 2 V）光照強(qiáng)度J（W m 2）支路【二極管 損耗圭路n二極曾損耗/W支路1電流支路I】屯流門工作電壓W工作電流M最大功率/瓊1 0000.909 00.909 04 4474.447342.98.8953 050晰0. 874 6(k 808 44.2813LJ63354.08. 24.52 9196000.961 9(1 862 84例4.225317.38.9242 832表S苴路中無串聯(lián).極管Table 5 The resul

12、ts wiLh-out by-pass diades光照強(qiáng)度，m 3）支路1二芝菅 損耗/w支路11 .械管 損耗m支隔r屯流u支路H屯流苗工作電壓/v工作電流/ A最大功率1 000004. 4704. 47034L48.9393 052800004 2833.964354. 18.2472 920600004 6974.218317.88.9152 833從表4可以看出在支路中串聯(lián)二極管引起附加損耗，并且當(dāng)二極管的導(dǎo)通電 壓提高損耗會隨之增加，但會對支路的工作電壓起到鉗位作用，當(dāng)出現(xiàn)光線遮擋 時，支路I、支路II的工作電流不同，互不影響。從表 得到由于沒有二極管的 損耗，陣列總輸出功率比陣

13、列中串聯(lián)二極管的總輸出功率高，由于光強(qiáng)度對硅太 陽電池最大功率點(diǎn)處的電壓影響不大，因而對陣列的最佳工作電壓影響較小，支 路I、支路II的工作電流也是不同的，在最大輸出功率工作點(diǎn)處，支路I、支路 II聯(lián)合向負(fù)載提供功率，但需要說明的是，在陣列的端電壓接近開路電壓時，支 路II的電流為負(fù)，等于支路I的電流，在兩條支路中形成了回路，也就是說，支 路II分流了支路I的電流，減小了向負(fù)載提供電流，引起回路中的附加損耗，并 且這種現(xiàn)象隨著光強(qiáng)度的減弱而加重。通過仿真計算和分析可知，在太陽電池模型中的二極管D是起到分流光生電 流的作用，二極管的導(dǎo)通電壓的大小可以影響太陽電池輸出電流，提高二極管D 的導(dǎo)通電壓，可以減小太陽電池的暗電流，提高太陽電池的輸出功率，而在光伏 組件中反向并聯(lián)旁路二極管作用是可以減小熱斑現(xiàn)象對光伏組件影響，選擇導(dǎo)通 電壓低的旁路二極管可以提高組件或光伏陣列的輸出功率。在組成光伏陣列的支 路中串聯(lián)二極管可以起到電壓鉗位作用，但能引起附加損耗;而在陣列支路中沒 有串聯(lián)二極管，在出現(xiàn)光斑現(xiàn)象嚴(yán)重時