第三章--光伏阵列基本原理及工作特性

第3章光伏阵列基本原理及工作特性

3.1光伏电池的工作原理

光伏发电首先要解决的问题是怎样将太阳能转换为电能。光伏电池就是

利用半导体光伏效应制成，它是一种能将太阳能辐射直接转换为电能的转换器件。由若干个这种器件封装成光伏电池组件，再根据需要将若干个组件组合成一定功率的光伏阵列。光伏阵列是光伏发电系统的关键部件，其输出特性受外界环境影响较大。

太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池。光伏电池是以光生伏打效应为基础，可以把光能直接转换成电能的一种半导体器件。所谓的光生伏

打效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应。在气体，液体和固体中均可产生这种效应。在固体，特别是半导体中，光能转换成电能的效率相对较高。

图3-1光生伏打效应

当光照射在距光伏电池表面很近的PN结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度E g，则在P区、N区和结区光子被吸收会产生电子 -空穴对。那些在结附近N区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散。只要少数载流子离PN结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处。在P区与N区交界面的两侧即结区，存在一个空间电荷区，

也称为耗尽区。在耗尽区中，正负电荷间形成电场，电场方向由N区指向P 区，这个电场称为内建电场。这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向P区。同样，如果在结区附近P区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向N区结区内

产生的电子-空穴对在内建电场的作用下分别移向N区和P区。如果外电路

处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在PN结附近，使P区获得附加正电荷，N区获得附加负电荷，这样在PN结上产生一个光生电动势。若果外电路与负载连接，处于通路状态，PN结产生的光生电动势就开始供电，产生从P 区流出，N区流入的电流，从而带动负载工作。

3.2光伏电池等效电路

图3-2光伏电池等效电路

上图是光伏电池的等效电路模型图。它由理想电流源I⑷、并联二极管D、并联电阻R sh和串联电阻R s组成。

I ph ――光伏电池经由光照射后所产生的电流；

R sh——材料内部等效并联电阻，旁路电阻；

R s——材料内部等效串联电阻；

I——光伏电池输出电流；

U 0C --------- 光伏电池输出电压；

I D --------- 暗电流，无光照情况时，有外电压作用下PN结内流过的单向电流；

电流源I ph大小受光伏电池所处的外部环境如光照强度、温度等的影响;

并联电阻R sh 和串联电阻R s 受材料本省影响，R sh 由硅片边缘不清洁或体内 的缺陷引起的，一般为几千欧；R s 主要由电池的体电阻、表面电阻、电极 电阻和电极与硅表面间接接触电阻所组成，一般小于 1 ，是考虑横向电流 时的等效电阻；I sh 是由于PN 结缺陷造成的漏电流。

当光照射太阳电池时，将产生一个由N 区到P 区的光生电流I ph.同时， 由于PN 结二极管的特性，存在正向二极管电流I D ，此电流方向从p 区到n 区,与光生电流相反。因此，根据图2.1的光伏电池等效电路模型图可以得

出光伏电池的输出特性方程式:

I sc ――参考条件下短路电流，单位：A ；

I D ――二极管暗电流，单位：A ;

I o 光伏电池反向饱和电流，单位： A ;

l or ――二极管反向饱和电流，单位：A ；

K t ――短路电流温度系数，单位：A/K , —般取值为2.6 X 10-3；

T ——光伏电池表而温度，单位：K, T t 273 C ;

T r ――参考温度，单位：K , 一般取值为301.18 ；

E G ――半导体材料禁带宽度，单位：eV,取值范围在1-3之间; G ――光照强度，单位：W/吊；

A ---- 二极管品质因子，取值范围在1-2之间；

K ――玻尔兹曼常数，单位：J/K ，一般取值为1.38 X 10-23；

q ----- 电子电荷，单位：C, 一般取值为1.6 X 10-19；

1 1 ph 1 D 1 sh 上式中: 1 ph

G I sc K t T T r 倔 I o exp qU IR s

AkT I 。 or T r

exp qE g Ak T r I sh IR s

2 1

2 2

2 3

2 4 2 5

当太阳电池的输出端短路时，U= 0（U D 0 ），此时光伏电流I ph全部流向外部的短路负载，短路电流I sc几乎等于光电流I ph

I sc I ph

即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比。

如果忽略太阳电池的串联电阻Rs，U D即为太阳电池的端电压I 阳电池的输出端开路时，

I I ph I D I sh 0

将式（2-3）带入式（2-7）整理可获得开路电压

I ph

1 丨0

可以推出光伏电池的I-U

(2 6) U,当太

.. AkT. U oc In

q

根据对上面的光伏电池等效电路分析,

性方程为输出特

G | q U IR s 彳U IR s

I I sc K t T T r丨0 exp - 1 -

1000 AkT R sh 上文提到，由于R sh是由硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起的，其大小

为数千欧姆，因此，当光照较强时，光电流咕远远大于流经并联电阻R sh的U IR

-，所以我们将忽略R sh，得到简化后的I-U输出特性方程R sh 电流I sh

I I sc K t T T r — I o exp qU 1

1000 AkT

这里选择无锡尚德公司生产的STP0950S-36型号的光伏阵列，它由36 个单晶硅光伏电池串联而成，其各项参数如表 2.1所示。

光伏电池所处外界环境温度为25C,日照强度为1000W/m称之为标准测试条件。

当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏汝特性曲线如图3所示?负载R 可以从零到无穷大?当负载R m使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率P m为

P m I m U m (2 10)

表3-1

式中I m和U m分别为最佳工作电流和最佳工作电压.将U°c与I sc的乘积与最大功率P m之比定义为填充因子FF,则

FF

P m U m l m

U OC I SC U OC I SC

(2 11)

FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高.FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等.

太阳电池的转换效率定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能P n之比，即

2100%

(2 12)

从式（2-8 ）可以看出，光伏电池的输出电流和电压受到外界因

素，如温度、日照强度等的影响。在不同的温度、日照强度下有不同的短路电

流I

与温度成一定的线性关系。同时，开路电压也与二

并且与日照强度成正比，

者有密切的关系，如下：

U oc U ocs K T T T r 2 11

式中，

U ocs ――标准测试条件下的开路电压，单位：V；

K T――开路电压的温度系数，单位：A/K;

在最大功率点处所测得的电流和电压分别为I m、u m ,有

U I R

I m I ph I o exp m m s 1 2 12

p36V t

这里取理想因子A 1，则在温度T=25C下，则在标准测试条件下的串联等效电阻

I ph I m

36V t In —- 1 U m

I o

R s ------------------ 0.55 2 13

I m

若得知在不同温度T和光照强度G下的最大功率点（U m、I m），就可求得不同气候条件下的R s。但由于数据有限，并且R s值较小，可采用恒定R s 的方法来近似模拟。

3.3基于Simulink的光伏阵列仿真

完成对前面光生电流I ph、反向饱和电流I。和串联等效电阻R s，根据上文对光伏电池的建模分析,我们运用MATLAB寸光伏电池进行仿真,其仿真模块如图

3.3所示：

图3-3基于Simulink的光伏阵列仿真模型

图3.6是光伏电池在相同光照强度，不同温度下的I-U和P-U特性输出曲线，从曲线中可以看出，在固定的光照强度下，当温度上升时光伏电池的