光伏電站安裝與調(diào)試教學(xué)培訓(xùn)課件：第三章 太陽能電池的等效電路及主要技術(shù)參數(shù)

一、太陽能電池的等效電路二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)

太陽能電池的等效電路及主要技術(shù)參數(shù)一、太陽能電池的等效電路

(1)

.理想的太陽電池等效電路

理想的太陽電池等效電路如圖所示。當(dāng)連接負載的太陽電池受到光照射時，太陽電池可看做是產(chǎn)生光生電流Iph的恒流源。

與之并聯(lián)的有一個處于正偏置下的二極管，通過二極管P-N結(jié)的漏電流ID稱為暗電流，是在無光照時，由于外電壓作用下P-N結(jié)內(nèi)流過的電流，其方向與光生電流方向相反，會抵消部分光生電流。

一、太陽能電池的等效電路

(1)

.理想的太陽電池等效電路暗電流ID表達式為：式中I0——反向飽和電流，在黑暗中通過P-N結(jié)的少數(shù)載流子的空穴電流和電子電流的代數(shù)和；U——等效二極管的端電壓；q——電子電量；T——絕對溫度；A——二極管曲線因子，取值在1~2之間。因此，流過負載兩端的工作電流為：

一、太陽能電池的等效電路

(2)

實際的太陽電池等效電路太陽電池本身還有電阻，一類是串聯(lián)電阻，另一類是并聯(lián)電阻（又稱旁路電阻）;串聯(lián)電阻主要是由于半導(dǎo)體材料的體電阻、金屬電極與半導(dǎo)體材料的接觸電阻、擴散層橫向電阻以及金屬電極本身的電阻四個部分產(chǎn)生的Rs;

一、太陽能電池的等效電路

其中擴散層橫向電阻是串聯(lián)電阻的主要形式，串聯(lián)電阻通常小于1Ω；

并聯(lián)電阻是由于電池表面污染、半導(dǎo)體晶體缺陷引起的邊緣漏電或耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流等原因產(chǎn)生的旁路電阻Rsh，一般為幾千歐。實際的太陽電池等效電路如圖所示。一、太陽能電池的等效電路

顯然，太陽電池的串聯(lián)電阻越小，旁路電阻越大，越接近于理想的太陽電池，該太陽電池的性能也越好。

目前的太陽電池制造工藝水平，在要求不很嚴格時，可以認為串聯(lián)電阻接近于零，旁路電阻趨近于無窮大，也就可當(dāng)做理想的太陽電池看待。二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)伏安特性曲線

由上式可知，當(dāng)負載R從0變到無窮大時，負載R兩端的電壓U和流過的電流I之間的關(guān)系曲線，即為太陽電池的負載特性曲線，通常稱為太陽電池的伏安特性曲線，以前也按習(xí)慣稱為I-V特性曲線。

二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)(1)伏安特性曲線實際上，通常并不是通過計算，而是通過實驗測試的方法來得到。

在太陽電池的正負極兩端，連接一個可變電阻R，在一定的太陽輻照度和溫度下，改變電阻值，使其由0（即短路）變到無窮大（即開路），同時測量通過電阻的電流和電阻兩端的電壓。在直角坐標圖上，以縱坐標代表電流，橫坐標代表電壓，測得各點的連線，即為該電池在此輻照度和溫度下的伏安特性曲線，如圖所示。二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)(2)

開路電壓

在一定的溫度和輻照度條件下，太陽電池在空載（開路）情況下的端電壓，也就是伏安特性曲線與橫坐標的交點所對應(yīng)的電壓，通常用Uoc來表示。

二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)(2)

開路電壓

對于一般的太陽電池，可近似認為接近于理想的太陽電池，即太陽電池的串聯(lián)電阻值為零，旁路電阻為無窮大。當(dāng)開路時，I=0，電壓U即為開路電壓Uoc，太陽電池的開路電壓Uoc與電池面積大小無關(guān)，一般單晶硅太陽電池的開路電壓約為450~600mV，最高可達700mV左右。二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)(3)

短路電流

在一定的溫度和輻照度條件下，太陽電池在端電壓為零時的輸出電流，也就是伏安特性曲線與縱坐標的交點所對應(yīng)的電流，通常用Isc來表示。由下式可知：當(dāng)U=0時，Isc=Iph。

太陽電池的短路電流Isc與太陽電池的面積大小有關(guān)，面積越大，Isc越大，一般1cm2的單晶硅太陽電池Isc=16~30mA。

（3）最大輸出功率（P）把太陽電池接上負載，負載電阻中便有電流流過，該電流稱為太陽電池的工作電流（I），也稱負載電流或輸出電流。負載兩端的電壓稱為太陽電池的工作電壓(U)。太陽電池的輸出功率P=UI。太陽電池的工作電壓和電流是隨負載電阻而變化的，將不同阻值所對應(yīng)的工作電壓和電流值作成曲線，就得到太陽電池的伏安特性曲線。如果選擇的負載電阻值能使輸出電壓和電流的乘積最大，即可獲得最大輸出功率（Pm）

。此時的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓（Um）和最佳工作電流（Im

），Pm=UmIm。二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)(5)最大功率點

在一定的太陽輻照度和工作溫度的條件下，伏安特性曲線上的任何一點都是工作點，工作點和原點的連線稱為負載線；

負載線斜率的倒數(shù)即為負載電阻RL的值，與工作點對應(yīng)的橫坐標為工作電壓U，縱坐標為工作電流I。電壓U和電流I的乘積即為輸出功率。二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)(5)最大功率點

調(diào)節(jié)負載電阻RL到某一值Rm時，在曲線上得到一點M，對應(yīng)的工作電流Im和工作電壓Um的乘積為最大，即

則稱M點為該太陽電池的最佳工作點（或最大功率點），Im為最佳工作電流，Um為最佳工作壓，Rm為最佳負載電阻，Pm為最大輸出功率。

二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)(5)最大功率點

由圖看出，如果太陽電池工作在最大功率點左邊，也就是電壓從最佳工作電壓下降時，輸出功率要減少；而超過最佳工作電壓后，隨著電壓的上升，輸出功率也要減少。通常太陽電池所標明的功率，是指在標準工作條件下最大功率點所對應(yīng)的功率。二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)(5)最大功率點

實際工作時，往往并不是在標準測試條件下工作，而且一般也不一定符合最佳負載的條件，再加上一天中太陽輻照度和溫度也在不斷變化，所以真正能夠達到額定輸出功率的時間很少。

有些光伏系統(tǒng)采用“最大功率跟蹤器”，可在一定程度上增加輸出的電能。

（4）填充因子（FF）太陽電池的另一個重要參數(shù)是填充因子FF，它是最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比：（5）轉(zhuǎn)換效率（

）太陽電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負載電阻時的最大能量轉(zhuǎn)換效率，等于太陽電池的最大輸出功率與入射到太陽電池表面的能量之比：二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)(4)

填充因子（曲線因子）

填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)，定義為太陽電池的最大功率與開路電壓和短路電流的乘積之比，通常用FF(或CF)表示：

式中IscUoc——極限輸出功率；

ImUm——最大輸出功率。二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)(4)

填充因子（曲線因子）

在太陽電池伏安特性曲線圖上，通過開路電壓所作垂直線與通過短路電流所作水平線和縱坐標及橫坐標所包圍的矩形面積A，是該電池有可能達到的極限輸出功率值；通過最大功率點所作垂直線和水平線與縱坐標及橫坐標所包圍的矩形面積B，是該電池的最大輸出功率值；

兩者之比，就是該電池的填充因子，即FF=B/A。二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)(4)

填充因子（曲線因子）

太陽電池的串聯(lián)電阻越小，旁路電阻越大，則填充因子越大，該電池的伏安特性曲線所包圍的面積也越大，表示伏安特性曲線越接近于正方形，這就意味著該太陽電池的最大輸出功率越接近于所能達到的極限輸出功率，因此性能越好。二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)(6)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率

太陽電池接受光照的最大功率與入射到該電池上的全部輻射功率的百分比稱為太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，即

式中Um、Im——最大輸出功率點的電壓、電流；

At——包括柵線面積在內(nèi)的太陽電池總面積（也稱全面積）；

Pin——單位面積入射光的功率。二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)(6)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率

研究表明，造成太陽能電池能量損失的主要因素有：

①第一位的損失是熱損失，光生載流子對能很快地將能帶多余的能量以熱的形式損失掉。為減少熱損失，可設(shè)法讓通過電池的光子能量恰好大于能帶能量，使光子的能量激發(fā)出的光生載流子無多余的能量可損失。

二、太陽能電池的主要技術(shù)參數(shù)

②另一主要損失是電子空穴對引起的。為減少電子空穴結(jié)合所造成的損失，可設(shè)法延長光生載流子壽命，這可通過消除不必要的缺陷來實現(xiàn)。③還有一部分能量是由p-n結(jié)和接觸電壓損失引起的。為減少p-n結(jié)的接觸電壓損失，可通過聚焦太陽光以加大光子密度的方法來實現(xiàn)。太陽電池性能的測試