基于PSIM软件的光伏电池特性的仿真建模研究
文章编号:100624710(2007)0320257204
基于PSIM 软件的光伏电池特性的仿真建模研究
任碧莹,钟彦儒,孙向东,同向前
(西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048)
摘要:针对光伏电池研究了基于物理机制的数学模型,分析了串联电阻和并联电阻对光伏电池特
性的影响。利用光伏电池特性数学表达式,提出了基于PSIM 软件的仿真模型,给出了光照强度和温度变化时光伏电池特性曲线。仿真结果与实验测试数据的对比结果表明,仿真模型正确且可行,可以应用到光伏发电系统中实现动态仿真。关键词:光伏电池;数学模型;PSIM 软件;特性曲线中图分类号:TM615 文献标识码:A
R esearch on Simulation Model of PV Cell B ased on PSIM Soft w are
REN Bi 2ying ,ZHON G Yan 2ru ,SUN Xiang 2dong ,TON G Xiang 2qian
(Faculty of Automation and Information Engineering ,Xi ’an University of Technology ,Xi ’an 710048,China )
Abstract :In t his paper ,mat h model is st udied based on p hysics t heory of PV cell ,and t he influ 2ence of series resistor Rs and parallel resistor Rsh on PV cell characteristic is analyzed.By using PV cell characteristic mat h exp ression ,simulation model is proposed based on PSIM ,and t hen PV cell characteristic curves are presented wit h light intensity and temperat ure change.By t he cont rast of t he simulation result s wit h experiment date result s ,it is validated t hat simulation model is right and feasible ,and t hat it can be used in PV system to realize t he dynamic simula 2tion.
K ey w ords :PV cell ;mat h model ;PSIM software ;characteristic curves
随着世界能源危机的加重,太阳能发电系统越来越受到人们的重视。光伏电池阵列是光伏发电系统的关键部分,由于成本较高,在研发前期一般都采用仿真方法来完成光伏电池各种特性的研究。同时在实际情况下,太阳光辐射强度不稳定,光伏电池特性还容易受到环境温度等因素影响,实现光伏电池最大功率点追踪是必要的。因此,建立光伏电池数学模型,有利于更加全面地探讨它的特性,同时也有利于在仿真平台上实现光伏发电系统的动态仿真。建立数学模型的简化做法是把光伏阵列直接等效为直流电压源[1,2]。但该模型不能实时跟踪太阳辐射强度、环境温度变化和光伏阵列参数的变化,因而这样的模型不能反映光伏电池的特性。第二种方法是基于光伏电池的伏安外特性法[3,4],在该模型中,可对开路电压、短路电流以及拟合曲线系数进行修正,使其模型的特性与实际光伏电池在不同光照和温度下的特性相似。优点是模型较简单。缺点是不能准确反映其物理特性,模型参数与实际参数不对应,对
温度、光照等外围参数设定较困难。第三种方法是从物理机制角度来建立光伏电池数学模型[5]。本文针对物理机制的光伏电池数学方程,利用PSIM 软件建立了相应仿真模型,该模型能够描述其特性,并且能够模拟外界环境变化,为光伏发电系统的研发提供良好的仿真平台。
1 光伏电池特性数学表达
单结晶硅光伏电池的电路原理如图1所示。一般光伏电池阵列是由若干个电池单体串联和并联组成,封装后可作为光伏发电系统的电源。光伏电池单元电路特性方程如下[6,7]
。
图1 单个光伏电池单元等效电路Fig.1 Single 2PV cell unit equivalent circuit
收稿日期:2007204216
作者简介:任碧莹(19712),女,河南沁阳人,讲师。E 2mail :renby @https://www.360docs.net/doc/da10852873.html, 。
7
52 西安理工大学学报Journal of Xi ’an University of Technology (2007)Vol.23No.3
由太阳能光伏电池等效电路可得出:
I array =I sc -I d -I sh
(1)
其中I array 是光伏电池输出电流,I sc 是短路电流,I d
是流过二极管的电流,I sh 是太阳能光伏电池的漏电流。
理想二极管的太阳能电池的I 2V 特性如式2所示:
I d =I do exp
q (V array +R s I array )
nA k T c -1
(2)I sh =
V array +R s I array
R sh
(3)
式中T c 是电池内部绝对温度,V array 是光伏电池输出电压,I do 是二极管饱和电流,R sh 是内部并联电阻,R s 是内部串联电阻,q 是电子电荷,为1.602×10-19C ,A 是二极管系数,通常为1.0～3.0,k 是波
尔兹曼常数,k =1.38058×10-23J ,n 是多个电池串联系数。
综合式(1)～(3)可得式(4):
I array =I sc -I do exp
q (V array +R s I array )
nA k T c
-1-
V array +R s I array
R sh
(4)
I sc =I sco [1+h t (T c -T co )]
<
(5)I do =bT 3 c exp -a T c (6) 式中I sco 是标准日照、标准温度时的短路电流,温度系数h t =6.4×10 -4 (K -1),T co 是基准绝对温度,常 数a =1.336×104,常数b =235,<是光照强度, 上述方程描述了光伏电池的I 2V 特性,式中参数来源于电池材料的物理特性。从式(5)可以看出短路电流与光照强度成正比,同时也受到温度变化的影响。从式(6)可以看出二极管饱和电流主要受温度的影响,与温度成非线性关系。从式(4)可见,光伏电池输出电流与输出电压之间呈非线性关系,同时与光照强度、温度有很大关系。由于不同厂家生产的光伏电池参数略有不同,同时当内部串联电阻R s 和并联电阻R sh 发生变化时,对电池特性也存在一定影响,因此利用Matlab 分析R s 和R sh 对光伏电池输出特性的影响。 图2是标准条件下(T =25℃,<=1000lx ),V oc =21.6V ,I sc =2 .5A ,R s =0.2Ω,R sh 从200Ω变化到无穷大的功率 2电压曲线。图3是R sh =2k Ω,R s 从0.0变化到2.0Ω的功率2电压曲线。 可以看出当电阻R sh 越小时,最大功率点越小, 图2 并联电阻R sh 对最大功率的影响Fig.2 Parallel resistant effect on the MPPT 图3 串联电阻R s 对最大功率的影响Fig.3 Series resistant effect on the MPPT 当R sh >1k Ω时,R sh 的变化对最大功率点的影响很小。当电阻R s 越大时,同样会导致最大功率点越小。当R s <0.1Ω时,R s 的变化对最大功率点的影响也很小。因此,对于该参数条件下,当R sh >1k Ω以及R s <0.1Ω时,式(4)可以简化为式(7)。 I array =I sc -I do exp qV array nA k T c -1 (7) 可以看出,式(7)是一个超越指数方程,无法用线性方程表示。而太阳能电池阵列的I 2V 特性是光伏系统分析最重要的技术数据之一,所以建立合理而且准确的物理模型是非常关键的。式(4～7)中,k 、A 、 a 、 b 、 h t 、T co 均为常数,电池组件厂家提供的参数有V oc 、n 、R s 、R sh 和I sco ,与外界环境相关的参数有光照强度<和环境温度T 。 2 基于PSIM 软件的光伏电池仿真模型 PSIM 是针对电力电子电路以及电力拖动而设 852 西安理工大学学报(2007)第23卷第3期 计的软件。其中的器件基本都采用理想模型,计算速度非常快。虽然不能直接分析复杂的电力电子开关过程,但是用户可建立自己的器件模型,给建模带 来了很大的灵活性。由式(4)、 (5)和(6),利用压控流源等元件,在PSIM 的仿真环境下建立的光伏电 池的仿真模型如图4所示。A 点对应公式(5)得出I sc ,B 点对应由公式(6)得出的I do 的仿真电路。C 点对应公式(4)中的第二部分内容得出I d 的仿真电路。通过电压传感器V sensor 得出端电压。图4中,T o 为绝对零度273K ;T 为外界温度,单位为℃ 。 图4 基于物理机制的光伏阵列PSIM 软件仿真模型 Fig.4 PSIM simulation model of the PV cell based on the physic mechanism 图5是将仿真模型进行封装,建立的通用仿真模型。该模型内部封装了环境参数<和T 、电池组件厂家提供的参数V oc 、I sco 、R sh 、R s ,用户使用该模型,只需修改相关的参数即可 。图5 电池组件仿真模型封装 Fig.5 Package of the PV cell simulation model 从图5可以看出,T 发生变化时,该模型可以模拟外界温度变化对光伏电池特性的影响。光照强度<(S 端)发生变化时,该模型也可以模拟光照强度变化对光伏电池特性的影响。因此,此仿真模型完全 可以模拟外界条件变化对光伏电池特性的影响。另外此模型因为基于光伏阵列物理本质,并且模型参数与实际参数严格对应,所以该模型具有准确反应其物理特性并且仿真精度高等特点。 3 仿真结果和实验数据 针对某一光伏电池组件,标准条件下,内部串联电阻R s =0.24Ω,内部并联电阻R sh =260Ω,二极管系数A =1.11,开路电压V oc =21.6V ,短路电流I sc =2.5A 。 对上述仿真模型在不同光照强度和温度条件下进行了仿真,仿真结果以及相同条件下的实验测试数据如表1和表2所示。表中I sc 是短路电流,I opt 是最佳电流,V oc 是开路电压,V opt 是最佳电压,P opt 是输出最大功率。 表1 温度不变(25℃ )光照强度变化条件下的光伏电池特性对比Tab.1 The PV cell characteristic comparation at the same temperature (25℃ )and different solar intensity 光照强 度/lx 仿真结果I sc /A I opt /A V oc /V V opt /V P opt /W 实验结果 I sc /A I opt /A V oc /V V opt /V P opt /W 300 1.00.8520.517.114.5 1.00.7821.417.914.0500 1.5 1.220.817.921.5 1.5 1.2221.517.621.51000 2.5 2.15 21.6 17.9 38.5 2.5 2.1 21.3 17.8 37.5 9 52 任碧莹等:基于PSIM 软件的光伏电池特性的仿真建模研究 表2 光照强度一定(1000lx)时温度变化条件下的光伏电池特性对比 Tab.2 The PV cell characteristic comparation at the same irradiation(1000lx)and different temperature 温强/℃ 仿真结果 I sc/A I opt/A V oc/V V opt/V P opt/W 实验结果 I sc/A I opt/A V oc/V V opt/V P opt/W 15.5 2.35 2.122.018.138.0 2.3 2.0522.517.836.5 25 2.5 2.1521.617.938.5 2.5 2.121.117.536.8 30.3 2.6 2.2520.917.940.2 2.6 2.220.517.739.0 由表1和表2可知仿真结果基本上和实验数据 吻合。光照强度的变化对最大功率P opt和对应的电 流I opt有很大影响,电流I opt与光照强度呈正比例关 系;开路电压随着光照强度的变化发生轻微的变化; 温度变化对开路电压有较大影响,对最大功率P opt 和对应的电流I opt也有不同程度的影响。 4 仿真模型在光伏发电系统中的应用 将通用的模块应用于光伏发电系统进行动态仿 真。图6中,系统的输入电源为本文所建的通用仿 真模块,后级是光伏发电系统中的斩波电路,控制电 路实现最大功率点跟踪。其中Pert urb.dll控件是 使用VC编程实现最大功率算法生成的动态连接 库。图7为光伏发电系统输出功率随太阳光照变化 而变化的波形。在0.7s和0.9s时,光照强度分别 从800lx到1000lx和1200lx,电池输出功率也相 应地在对应光照下的最大功率点输出 。 图6 仿真模型在光伏发电系统中的应用 Fig.6 The simulation model applied in the PV generation system 图7 光照变化下的电池最大功率跟踪 Fig.7 The PV cell traced the MPPT when the solar intensity variation 可以看出,该模型可以直观地模拟外界环境,能 够应用它来提供验证相关的光伏发电系统中的最大 功率点算法的平台,实现最大功率输出。也可验证 相关的控制电路的可行性和相关算法的正确性。该 模型可以应用到独立光伏发电和光伏并网系统中, 以及风光互补复合发电系统中。 5 结 论 通过基于物理机制的光伏电池数学表达式,针 对具体光伏电池阵列,讨论了进行简化的前提条件。 同时提出了基于PSIM软件的仿真模型。对其模拟 结果和实验数据对比来看,由于该模型是基于物理 本质,模型参数与实际参数严格对应,所以能够准确 反映其物理特性,仿真精度高,同时也证明了该仿真 模型正确性和可行性。该模型能够模拟外界环境, 其结果随光照强度、电池温度等参数的变化而变化, 因此该模型的建立对于模拟实时动态跟踪最大功率 点,以及为光伏发电系统的研发提供了良好的仿真 平台。 参考文献: [1]赵为(Zhao Wei).太阳能光伏并网发电系统的研究(Re2 search on Grid2Connected Photovoltaic System)[D].合 肥:合肥工业大学(Hefei:Hefei University of Technolo2 gy),2003. 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(责任编辑 王卫勋) 062 西安理工大学学报(2007)第23卷第3期 由于光伏电池、组件的输出功率取决于太阳光照强度、太阳能光谱的分布和光伏电池的温度、阴影、晶体结构。因此光伏电池、组件的测量在标准条件下(STC进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：光谱辐照度为1000瓦/平米;光谱 AM1.5;电池温度25摄氏度。 在该条件下，太阳能光伏、电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，其单位表示为瓦(Wp。在很多情况下，太阳能电池的光照、温度都是不断变化的，所以组件的峰值功率通常用模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的光伏电池进行比较。 (1温度对光伏电池、组件输出特性的影响 大家都知道，光伏电池、组件温度较高时，工作效率下降。随着光伏电池温度的升高，开路电压减小，在20-100摄氏度范围，大约每升高1摄氏度，光伏电池的电压减小2mV;而光电流随温度的升高略有上升，大约每升高1摄氏度电池的光电流增加千分之一。总的来说，温度每升高1摄氏度，则功率减少0.35%。这就是温度系数的基本概念，不同的光伏电池，温度系数也不一样，所以温度系数是光伏电池性能的评判标准之一。 (2光照强度对光伏电池组建输出特性的影响 光照强度与光伏电池、组件的光电流成正比，在光强由100-1000瓦每平米范围内，光电流始终随光强的增长而线性增长;而光 照强度对电压的影响很小，在温度固定的条件下，当光照强度在400-1000哇每平米范围内变化，光伏电池、组件的开路电压基本保持不变。所以，光伏电池的功率与光强也基本保持成正比。 (3阴影对光伏电池、组件输出特性的影响 阴影对光伏电池、组件性能的影响不可低估，甚至光伏组件上的局部阴影也会引起输出功率的明显减少。所以要注意避免阴影的产生，及时清理组件表面，防止热斑效应的产生。一个单电池被完全遮挡时，太阳电池组件输出减少75%左右。虽然组件安装了二极管来减少阴影的影响，但如果低估局部阴影的影响，建成的光伏系统性能和投资收效都将大大降低。 探究太阳能电池的输出特性 一、引言 能源危机与环境污染是人类正面临的重大挑战，开发新能源和可再生清洁能源是21世纪最具决定影响的技术领域之一。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，对太阳能电池的研究与开发也变得日益重要。 二、实验目的 1、在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。 2、测量太阳能电池在光照时的输出伏安特性，作出伏安特性曲线图，从图中求得它的短路电流 I SC 、开路电压U OC 、最大输出功率Pm 及填充因子 FF ， [FF=Pm/(I SC *U OC )]。 三、实验原理 1、太阳能电池工作原理： 太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压 U 与通过电流I 的关系式为：(1)式中，o I 和β是常数。 )1e (I I U o -?=β (1) 由半导体理论，二极管主要是由能隙为V C E E -的半导体构成，如图1所示。 C E 为半导体导电带，V E 为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。 图1 电子和空穴在电场的作用下产生光电流 假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻sh R 与一个电阻s R 所组成，如图2所示。 图2 太阳能电池的理论模型电路图 图2中，ph I 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，d I 为光照时通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得： 0R )I I I (U IR sh d ph s =---+ （2） （2）式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。由（1）式可得， d sh ph sh s I R U I )R R 1(I --=+ （3） 假定∞=sh R 和0R s =，太阳能电池可简化为图3所示电路。 图3 太阳能电池的简化电路图 太阳能电池基本特性测定实验 太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。 太阳能电池根据所用材料的不同，可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为23%,规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。 太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。我们开设此太阳能电池的特性研究实验，通过实验了解太阳能电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量。该实验作为一个综合设计性的物理实验，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。 【实验目的】 1. 无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线； UI U I曲线图；并测量太阳能变化关系，画出2. 有光照时，测量电池在不同负载电阻下，对IUP FF；及填充因子电池的短路电流、开路电压、最大输出功率SCaxOCm IU L的关系，求出它们的近似函数关系。与光照度 3. 测量太阳能电池的短路电流、开路电压SCOC 【实验仪器】 白炽灯源、太阳能电池板、光照度计、电压表、电流表、滑线变阻器、稳压电源、单刀开关 连接导线若干 供参考． 】【实验原理 区，pn区流向结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由太阳光照在半导体 体硅太阳电池组件有指导作用，而且也有利于人们正确判断光伏发电系统输 ... 配等因素是导致输出功率降低的主要原因，研究这些因素的影响不仅对制造晶体硅太阳电池组件有指导作用，而且也有利于人们正确判断光伏发电系统输出降低或失效的原因。 国外曾经有人报道一些在现场用了10到15年的组件电特性已经恶化。其I-V特性曲线已经和一些普通的光伏组件差别很大，而这种变化的I-V曲线可以用来分析晶体硅太阳电池组件输出降低的原因。本文主要讨论了遮挡部分电池组件输出特性的影响，并用计算机对核过程进行了模拟。 一、模拟方法 在晶体硅太阳电池组件中，当有电池被遮挡时，组件的输出特性可以用下式表示： 这些参数估算时可以用一下参数代替：n=1.96，I0=3.86X10-5（A）,Rsh=15.29（Ω）。a=2.0x10-3，Vbr=-21.29（V），nn=3.R3=0.008. 组件中有电池被遮盖时的电路可以用图片三来表示，正常的电池和被遮盖住的电池在组建中是串联关系，因此电压V和电流I满足以下等式： 组件中电池被遮挡时的模拟电路 其中，Iph1代表组件中普通电池的光电流，Iph2代表遮挡电池产生的光电流，与等式（2）中的遮挡透过率有关系，例如，当遮挡透过率为35%时，Iph2是Iph1的0.35倍。通过解（3）-（6）式可以计算出I-V的特性。 二、实验 图2（a）和（b）是通过改变阴影透过率的情况下分别计算和实际测量的I-V 特性曲线。当组件上的一个电池用不同的透过率（一个组件由36块电池组成）时，短路电流大致变化不大。结果是透过率越低，电流随着电压的升高下降越快。另一方面，开路电压基本上相同。由图可看出：测量结果与计算的结果相吻合。 E I I 圏&全暗吋太阳能电池在外加偏压吋的伏安特性测量电路之二 四、实验步骤 1 ?在没有光源(全黑)的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的I ~ U特性，用实验测得的正向偏压时I ~ U关 系数据，画出I ~ U曲线并求得常数1和I。的值。 2?在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持为20cm。 (1 )画出测量实验线路图。 (2)测量太阳能电池在不同负载电阻下，|对U变化关系，画出I ~ U曲线图。 (3)用外推法求短路电流| sc和开路电压U oc。 (4)求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。 (5)计算填充因子［FF =P m/(l sc ?U°c)］。 五、实验数据和数据处理 1.在没有光源(全黑)的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的I ~ U特性。 表1 图-(b)全暗情况下太阳能电池外加偏压时的伏安特性半对数曲线 二V ,丨0二mA，相关系数0.9996，电流与电压的指数关系得到验证。 2 ?在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。 图9恒定光强无偏压时太阳能电池输出功率与负载电阻关系曲线 太阳能电池的最大输出功率 P m 二 ，最大输出功率时负载电阻 R L 二 1. 2 I (inA) 3在恒定光照下太阳能电池不加偏压时的伏安特性曲线 填充因子[FF 二P m/(l sc ?U°c)]= = 。 六.实验结果 - V ' , I o = mA, 短路电流l sc= ,开路电压U OC=。 填充因子[FF =P m/(l sc ?U°c)]= 七.分析讨论(实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等) 八.思考题 电池组件技术参数功率输出特性分析 1.电池主要参数指标 与硅太阳能电池的主要性能参数类似，太阳能电池组件的性能参数也主要有：短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因子和转换效率等。这些性能参数的概念与前面所定义的硅太阳能电池的主要性能参数相同，只是在具体的数值上有所区别。 (1)短路电流I S 当将太阳能电池组件的正负极短路，使U=0时，此时的电流就是电池组件的短路电流，短路电流的单位是A，短路电流随着光强的变化而变化。 (2)开路电压Uo 当太阳能电池组件的正负极不接负载时，组件正负极间的电压就是开路电压，开路电压的单位是V。太阳能电池组件的开路电压随电池片串联数量的增减而变化。 (3)峰值电流I m 峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流。峰值电流是指太阳能电池组件输出最大功率时的工作电流，峰值电流的单位是A。 (4)峰值电压U m 峰值电压也叫最大工作电压或最佳工作电压。峰值电压是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电压，峰值电压的单位是V。 (5)峰值功率Pm 峰值功率也叫最大输出功率或最佳输出功率。峰值功率是指太阳能电池组件在正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积：Pm =I m×U m。峰值功率的单位是W。太阳能电池组件的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和组件的工作温度，因此太阳能电池组件的测量要在标准条件下进行，测量标准为：辐照度lkW/mz、光谱AMl.5、测试温度25℃。 (6)填充因子 填充因子也叫曲线因子，是指太阳能电池组件的最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值。填充因子是反应太阳能电池组件所用电池片输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明所用太阳能电池组件输出特性越趋于矩形，电池组件的光电转换效率越高。太阳能电池组件的填充因子系数一般在0.5～0.8之间，也可以用百分数表示。 1、太阳能电池的基本特性 太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电池的伏安特性三个基本特性。具体解释如下 1、太阳能电池的极性 硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+,表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；N和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。 2、太阳电池的性能参数 太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。 3 太阳能电池的伏安特性 P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时,能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg,大于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此,在太阳能电池的设计和制造过程中,必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。 2、有关太阳电池的性能参数 1、开路电压 开路电压UOC：即将太阳能电池置于100 mW/cm2的光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。 2、短路电流 短路电流ISC：就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。 3、大输出功率 太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大,即可获得最 光伏组件问题系列总结——部分遮挡对组件输出特性的影响 1.0绪论 众所周知，晶体硅太阳电池组件的表面阴影、焊接不良及单体电池功率不匹配等因素是导致输出功率降低的主要原因，研究这些因素的影响不仅对制造晶体硅太阳电池组件有指导作用，而且也有利于人们正确判断光伏发电系统输出降低或失效的原因。 国外曾经有人报道一些在现场用了10到15年的组件电特性已经恶化。其I-V特性曲线已经和一些普通的光伏组件差别很大，而这种变化的I-V曲线可以用来分析晶体硅太阳电池组件输出降低的原因。本文主要讨论了遮挡部分电池组件输出特性的影响，并用计算机对核过程进行了模拟。 2.0模拟方法 在晶体硅太阳电池组件中，当有电池被遮挡时，组件的输出特性可以用下式表示： 这些参数估算时可以用一些参数代替：n=1.96，I0=3.86X10-5（A）,Rsh=15.29（Ω）。 a=2.0x10-3，Vbr=-21.29（V），nn=3.R3=0.008. 组件中有电池被遮盖时的电路可以用图片三来表示，正常的电池和被遮盖住的电池在组件中是串联关系，因此电压V和电流I满足以下等式： 组件中电池被遮挡时的模拟电路 其中，Iph1代表组件中普通电池的光电流，Iph2代表遮挡电池产生的光电流，与等式（2）中的遮挡透过率有关系，例如，当遮挡透过率为35%时，Iph2是Iph1的0.35倍。通过解（3）-（6）式可以计算出I-V的特性。 二、实验 图2（a）和（b）是通过改变阴影透过率的情况下分别计算和实际测量的I-V特性曲线。当组件上的一个电池用不同的透过率（一个组件由36块电池组成）时，短路电流大致变化不 太阳能电池基本特性测定实验 目对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。太阳能是一种新能源， 一是利利用太阳能发电目前有两种方法，前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。太阳能的利用和太阳能电池的特性研究二是太阳能电池。用热能产生蒸气驱动发电机发电，为此，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。是21 世纪的热门课题，介绍太阳能电池的电学性质我们尝试在普通物理实验中开设了太阳能电池的特性研究实验，联系科并对两种性质进行测量。该实验作为一个综合设计性的普通物理实验，和光学性质，技开发实际，有一定的新颖性和实用价值，能激发学生的学习兴趣。 】实验目的【无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线1. IPU FF、开路电压及填充因子、最大输出功率2. 测量太阳能电池的短路电流SCaxmOC IJJU的关系，求出它与相对光强3. 测量太阳能电池的短路电流、开路电压SC0OC们的近似函数关系。【实验仪器】 光具座、滑块、白炽灯、太阳能电池、光功率计、遮光罩、电压表、电流表、电阻箱 】【实验原理, 在没有光照时太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。UI的关系为可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压与通过的电流qU???? 1?I?Ie nKT (1) ??0??In qK,1。是二极管的反向饱和电流,是玻尔兹曼常量是理想二极管参数,理论值为其中0q T为热力学温度。（可令）为电子的电荷量,??nKT EEE?由半导体理论知,二极管主要是由如图所示的能隙为的半导体所构成。CVC E当入射光子能量大于能隙时，光子被半导体所吸为半导体价电带。为半导体导电带，V空穴对受到二极管内电场的影响而产生光生电动势，这一电子-收，并产生电子-空穴对。 现象称为光伏效应。 光电流示意图 IPU, 和外太阳能电池的基本技术参数除短路电流和开路电压还有最大输出功率 SCaxOCm P IUFFFF。最大输出功率也就是定义为的最大值。填充因子填充因子axm P?FF max (2) UI OCSC FFFF,说明太阳能电池对光的利用值越大是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。率越高。 】【实验内容及步骤U?I特性（直流偏压从1.在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池正向偏压时的V00?3.））设计测量电路图，并连接。（1 1 图q I UI?I?U的值。和曲线并求出常数关系数据，利用测得的正向偏压时（2）画出??0nKT 注意此时光源到太阳能电池距在不加偏压时，用白色光照射，测量太阳能电池一些特性。2.cm20 光伏组件测试标准内容对比 郭素琴李娜武耀忠傅冬华 （阿特斯阳光电力科技有限公司测试中心，常熟215562 ）摘要：对光伏行业内主要的组件测试标准中预处理试验、基本检查试验、电击危害试验、火灾试验、机械应力试验、结构试验和性能测试的试验内容进行对比总结，包括IEC 61215:2005地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型、UL1703:2004平板组件安全测试、IEC 61730-2:2004 光伏组件安全鉴定。 关键词：组件测试标准IEC 61215 IEC 61730 UL1703 Comparison of PV module test standards Suqin Guo, Na Li, Willon Wu, Albert Fu （Changshu CSI Advanced Solar Inc,Changshu 215562 ） Abstract：According to PV module test standards including IEC 61215:2005, UL1703:2004 and IEC 61730-2:2004 Comparation of the Preconditioning tests, General inspection test, Electrical shock hazard tests, Fire hazard tests, Mechanical stress tests, Component tests and performance test were studied in this paper. Keywords：Photovoltaic modules, Test standards, IEC 61215, IEC 61730, UL 1703 1.引言 在低碳经济成为热点，节能减排成为目标时，使用光伏组件的进行发电能大量减少温室气体的排放。随着光伏电站建设的增多与光伏组件应用领域的扩大，越来越多的客户和光伏组件生产厂商认识到光伏组件使用时安全性能的重要性。现在已有很多国际知名的认证机构开展了对光伏组件的可靠性检测，而且也有很多的生产厂商在公司内部建立实验室对光伏组件进行可靠性检测。故本文对IEC 61215:2005、IEC 61730-2:2004、UL 1703:2004三份光伏组件测试标准的内容进行对比。 2.标准介绍 2.1 IEC 61215:2005《地面用晶体硅光伏组件:设计鉴定和定型》，该标准规定了地面用光伏组件设计鉴定和定型的要求，表明组件能够在规定的气候条件下长期使用。 2.2 IEC 61730-2:2004《光伏（PV）组件安全鉴定 第二部分：试验要求》，IEC 61730-2部分规定了光伏组件的试验要求，以使其在预期的使用期内提供安全的电气和机械运行。对由机械或外界环境影响造成的电击、火灾和人身伤害的保护措施进行评估。 2.3 UL 1703:2004《平面组件安全测试》，该标准适用于安装在建筑物或与建筑物连为一体的平面光伏电池板，也适用于独立应用的太阳能电池平板。适用于在电压小于等于1000伏的系统中应用的光伏电池板，还适用于连接在或是装置在光伏电池板上的设备部分。不适于从组件中获得电压、电流的输出设备，任何追踪装置，在强光下照射下的应用的电池组件，光学集中器，光电热结合的模块及面板。 3.预处理试验对比 3.1 IEC 61215:2005有温度循环（50或200次循环、-40℃至+85℃）、湿冻试验（10次循环、-40℃至+85℃、85%RH）、湿热试验（1000小时、85℃，85%RH）、紫外预处理试验（15KWh/m2）、室外曝晒试验（60KWh/m2）。 作者简介：郭素琴（1979-），女，江西兴国人，阿特斯光伏测试中心质量监督员，主要从事太阳能 光伏组件可靠性检测室的监督工作。 太阳能电池特性实验仪 能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。本世纪初进行的世界能源储量调查显示，全球剩余煤炭只能维持约216年，石油只能维持45年，天然气只能维持61年，用于核发电的铀也只能维持71年。另一方面，煤炭、石油等矿物能源的使用，产生大量的CO 2、SO 2等温室气体，造成全球变暖，冰川融化，海平面升高，暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生，给人类带来无穷的烦恼。根据计算，现在全球每年排放的CO 2已经超过500亿吨。我国能源消费以煤为主，CO 2的排放量占世界的15%，仅次于美国，所以减少排放CO 2、SO 2广义地说，太阳光的辐射能、水能、风能、生物质能、潮汐能都属于太阳能,它们随着太阳和地球的活动，周而复始地循环，几十亿年内不会枯竭，因此我们把它们称为可再生能源。太阳的光辐射可以说是取之不尽、用之不竭的能源。太阳与地球的平均距离为1亿5千万公里。 在地球大气圈外，太阳辐射的功率密度为1.353kW /m 等温室气体，已经成为刻不容缓的大事。推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。 2 ，称为太阳常数。到达地球表面时，部分太阳光被大气层吸收，光辐射的强度降低。在地球海平面上，正午垂直入射时，太阳辐射 的功率密度约为1kW /m 2 太阳能发电有两种方式。光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电，太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高。光—电直接转换方式是利用光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。 ，通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。太阳光辐射的能量非常巨大，从太阳到地球的总辐射功率比目前全世界的平均消费电力还要大数十万倍。每年到达地球的辐射能相当于49000亿吨标准煤的燃烧能。太阳能不但数量巨大，用之不竭，而且是不会产生环境污染的绿色能源，所以大力推广太阳能的应用是世界性的趋势。 与传统发电方式相比，太阳能发电目前成本较高，所以通常用于远离传统电源的偏远地区，2002年，国家有关部委启动了“西部省区无电乡通电计划”，通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。随着研究工作的深入与生产规模的扩大，太阳能发电的成本下降很快，而资源枯竭与环境保护导致传统电源成本上升。太阳能发电有望在不久的将来在价格上可以与传统电源竞争，太阳能应用具有光明的前景。 根据所用材料的不同，太阳能电池可分为硅太阳能电池，化合物太阳能电池，聚合物太阳能电池，有机太阳能电池等。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。 本实验研究单晶硅，多晶硅，非晶硅3种太阳能电池的特性。 实验内容 1． 太阳能电池的暗伏安特性测量 2． 测量太阳能电池的开路电压和光强之间的关系 3． 测量太阳能电池的短路电流和光强之间的关系 4． 太阳能电池的输出特性测量 实验目的 1. 测量不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压U 0和短路电流I s 。 2. 在不同照度下，测定太阳能电池的输出功率P 和负载电阻R 的函数关系。 3. 确定太阳能电池的最大输出功率P max 以及相应的负载电阻R max 和填充因数。 原理 当光照射在距太阳电池表面很近的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（如图1）。那些在 pn 结附近n 区中产生的少数载流子由于浓度梯度而要扩散。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，存在一空间电流区，也称为耗尽区。在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n 区指向p 区，这个电场称为内建电场。只有p 区的光生电子和n 区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向n 区，光生空穴被拉向p 区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在n 区边界附近有光生电子积累，在p 区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡pn 结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由p 区指向n 区。这一现象称为光伏效应（Photovoltaic effect ）。 图1 太阳能电池的工作原理 太阳能电池的工作原理是基于光伏效应的。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 s 。同时，由于pn 结二极管的特性，存在正向二级管电流I D ，此电流方向从p 区到n 区，与光生电流相反。因此，实际获得的电流I 为两个电流之差： )()(D S U I ΦI I -= （1） 如果连接一个负载电阻R ，电流I 可以被认为是两个电流之差，即取决于辐照度Φ的 负方向电流I s ，以及取决于端电压U 的正方向电流I D 。 由此可以得到太阳能电池伏安特性的典型曲线（见图2）。在负载电阻小的情况下，太阳能电池可以看成一个恒流源，因为正向电流I D 可以被忽略。在负载电阻大的情况下，太阳能电池相当于一个恒压源，因为如果电压变化略有下降那么电流I D （U ）迅速增加。 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; 如何设计锂离子电池充电器，以从太阳能电池板获得最大电力 作者：Jinrong Qian，德州仪器(TI) 应用工程设计经理和Nigel Smith，TI 系统工程师摘要 太阳能对便携式设备供电而言相当有吸引力，也一度广泛应用于计算器和航天飞行器等应用中。近期，我们正考虑将太阳能应用于包括移动电话充电器在内的更广泛的消费类产品应用中。 不过，太阳能电池板能提供的电力主要取决于工作环境，如光照强度、时间、地点等因素。电池通常用作能量存储设备，如果太阳能电池板能提供更多电力，就可给电池充电；如果太阳能电池板提供的电力不足，那么反过来电池就给系统供电。我们要如何设计锂离子电池充电器才能尽可能地利用太阳能电池并给锂离子电池充电呢？首先，我们来讨论太阳能电池的工作原理与电子输出特性，然后，我们再讨论电池充电系统的要求以及系统解决方案与太阳能电池特性相匹配的问题，从而尽可能地利用太阳能电池。 太阳能电池的I-V 特性 基本上，太阳能电池包括一个p-n 接点，光能（光子）在此使得电子和空穴重新组合，从而产生电流。由于p-n接点的特性类似于二极管，因此我们通常将图1 所示的电路用作太阳能电池特性的简化模型。 此处插入图1 图1 ：太阳能电池的简化电路模型 电流源IPH 生成的电流与太阳能电池接收的光照量成正比。在不接负载时，几乎所有生成的电流都流经二极管D，其正向电压决定着太阳能电池的开路电压(VOC)。VOC 因不同类型太阳能电池的具体特性而有所差异。但对大多数硅电池来说，VOC 值都在0.5V～0.6V 之间，这也是p-n 接点二极管的正常正向电压范围。 并行电阻(RP) 表示实际电池发生的较小漏电流，而Rs 则表示连接损耗。随着负载电流的增加，太阳能电池生成的电流会有更多一部分偏离二极管而进入负载。对大多数负载电流值来说，这对输出电压仅产生很小的影响。 图2 显示了太阳能电池的输出特性。太阳能电池的输出随着二极管的I-V 特性不同而略有变化，且串联电阻(RS) 也会造成较小的压降，但输出电压基本保持为常量。不过，在某一时刻，通过内部二极管的电流会非常小，导致偏置不足，这样二极管上的电压会随负载电流的上升而快速下降。最后，当所有生成的电流都流经负载而不通过二极管时，输出电压为零。这种电流称作太阳能电池的短路电流(ISC)，它与VOC 都是决定电池工作性能的主要参数，因此，我们将太阳能电池视为“电流有限的”电源。当输出电流增加时，输出电压会下降，最后降为零，这时负载电流为短路电流。 此处插入图2 图2 ：典型的太阳能电池I-V 特性 在大多数应用中，理想情况是尽可能从太阳能电池获得最大电力。由于输出功率是输出电压与电流的乘积，因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电流乘积值，即所谓的最大功率点(MPP)。在一种极端情况下，输出电压为最大值(VOC)，但输出电流为零；在另一种极端情况下，输出电流为最大值(ISC)，但输出电压为零。在上述两种情况下，输出电压与电流的乘积均为零，因此，MPP 必须在两种极端情况之间。 我们可以很容易地证明（或通过实验观察到），不管在何种应用，MPP 实际上总会出现在太阳能电池输出特性图的转弯处（见图3）。实践中的问题在于，太阳能电池MPP 的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化，因此，为了尽可能利用太阳能，系统设计时必须在实际工作条件下实现或接近MPP。 大学物理科学与技术学院 大学物理综合实验训练论文实验名称：太阳能电池探究亮特性光照强度关系 班级：物教1201班 ：清华 学号：120801117 指导老师：俊来 太阳能电池探究亮特性光照强度关系 物教1201 清华指导老师：俊来 摘要：本文介绍了太阳能电池研究背景、实验原理等。在不同光强条件对单晶硅太阳电尺进行了测试.研究发现,当光强为3433.56—10617.33W/2m时,开路电压随着光强的增加呈对数关系增加,短路电流几乎呈线性变化。效率随着光强的增加先增加后减小,最大效率值1、21%。填充因子随着光强的增加减小。 关键词：太阳能电池;输出特性；光强特性。 一、研究背景 随着经济社会的不断发展，能量与能源问题的重要性日益凸显。人类对能源的需求，随着社会经济而急剧膨胀，专家估计目前每年能源总消耗量为200亿吨标准煤，并且其中90%左右为不可再生的化石能源来维持。就目前情况，全球化石能源储备只能维持100年左右。太阳能以其清洁、长久、无害等优点自然而然成为人类可持续发展不得不考虑的能源方式。太阳每年通过大气向地球输送的能量高达3×1024焦耳，而地球上人类一年的能源总需求达到约4.363×1020焦耳，也就是说，如果我们可以收集其中的万分之一到万分之二就足够我们的需求。太阳能是最为清洁的能源，并且不受任何地域限制，随处可取。此外，将太阳能转换为电能后，电能又是应用围最广，输送最方便的一种能源。 太阳能一般指太的辐射能量。我们知道在太阳部无时无刻不在进行着氢转变为氦的热核反应，反应过程中伴随着巨大的能量释放到宇宙空间。太阳释放到宇 宙空间的所有能量都属于太阳能的畴。太阳能电池是目前太阳能利用的关键环节，核心概念是pn结和光生伏特效应 晶体硅太阳电池在如今的光伏市场中占据了绝对主导的地位,而且这一地位在今后很长一段时间不会改变,因此提高晶体硅太阳电池效率,降低生产成本,使晶体硅太阳电池能与常规能源进行竞争成为现今光伏时代的主题.太阳能是最具发展潜力的新能源。光伏发电是解决能源危机，实现能源可持续发展的重要途径之一。硅太阳能电池是当今市场的主流产品，其最高效率是24.7%，由新南威尔士大学马丁·格林教授研制的PERL单晶硅电池取得单并保持至今。继续提高转换效率十分困难，但电池的效率会随温度和光强变化而变化。因此，研究温度和光强对太阳能电池的影响是必要的。 二、太阳能光伏电池实验 （一）实验目的 1.了解pn结的基本结构与工作原理。 2.了解太阳能电池组件的基本结构，理解其工作原理。 3.掌握pn结的I-V特性（整流特性）及其对温度的依赖关系。 4.掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与测试方法，理解波长因素对太阳能电池输出特性的影响。 5.通过分析太阳能电池基本特性参数测试数据，进一步熟悉实验数据分析与处理的方法，分析实验数据与理论结果间存在差异的原因。 （二）实验原理 光伏组件中电池遮挡与伏安特性曲线变化的关系 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 光伏组件中电池遮挡与I-V曲线特性变化关系 收藏分享2011-4-26 11:06|发布者: 么西么西|查看数: 1668|评论数: 0 摘要: 众所周知，晶体硅太阳电池组件的表面阴影、焊接不良及单体电池功率不匹配等因素是导致输出功率降低的主要原因，研究这些因素的影响不仅对制造晶体硅太阳电池组件有指导作用，而且也有利于人们正确判断光伏发电系统输 ... 众所周知，晶体硅太阳电池组件的表面阴影、焊接不良及单体电池功率不匹配等因素是导致输出功率降低的主要原因，研究这些因素的影响不仅对制造晶体硅太阳电池组件有指导作用，而且也有利于人们正确判断光伏发电系统输出降低或失效的原因。 国外曾经有人报道一些在现场用了10到15年的组件电特性已经恶化。其I-V特性曲线已经和一些普通的光伏组件差别很大，而这种变化的I-V曲线可以用来分析晶体硅太阳电池组件输出降低的原因。本文主要讨论了遮挡部分电池组件输出特性的影响，并用计算机对核过程进行了模拟。 一、模拟方法 在晶体硅太阳电池组件中，当有电池被遮挡时，组件的输出特性可以用下式表示： 这些参数估算时可以用一下参数代替：n=1.96，I0=3.86X10-5（A）,Rsh=15.29（Ω）。a=2.0x10-3，Vbr=-21.29（V），nn=3.R3=0.008. 组件中有电池被遮盖时的电路可以用图片三来表示，正常的电池和被遮盖住的电池在组建中是串联关系，因此电压V和电流I满足以下等式： 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 E，则在P区、N区和结区光子被吸收会产生电子半导体材料的禁带宽度 g –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 I 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ph I 、并联二极管D 、并联电阻sh R 和串联电阻s R 组成。 ph I ——光伏电池经由光照射后所产生的电流； sh R ——材料内部等效并联电阻，旁路电阻； s R ——材料内部等效串联电阻； I ——光伏电池输出电流； oc U ——光伏电池输出电压； D I ——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ph I 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； 光伏组件运行特性测试 一实验目的 1.了解并掌握光伏发电的原理 2.使用软件进行仿真 3.了解功率曲线 二实验内容 1.输出特性测试 2.并联特性测试 3.串联特性测试 三实验仪器 PC机一台PSIM软件 四实验原理 运用PSIM软件进行仿真实验。PSIM是倾向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。PSIM全称Power Simulation。PSIM是由SIMCAD和SIMVIEM两个软件来组成的。 PSIM具有仿真高速、用户友好等功能组成，为电子电力电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。 本仿真解析系统，不只是回路仿真单体，还可以和其他公司的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。例如，在电机驱动开发领域，控制部分用MATLAB/Simulink实现，主回路部分以及其周边回路用PSIM实现，电机部分用电磁场分析软件JMAG实现，由此进行连成解析，实现更高精度的全面仿真系统。 基本程序包： 1.主回路元件库。包括R、L、C元件单个半导体开关与二极管、电力半导体模块、藕合电感与变压器、电动机模块(如直流电机、交流感应电机、直流无刷电机、开关磁阻电机和各种电机的机械负荷等。 2.控制回路单元库。包括各种传递函数、线性运算单元、非线性运算单元、逻辑电路单元、各种离散数字信号处理功能单元等。 3.各种开关控制驱动器、晶闸管相控触发单元、电流、电压传感器、各类电工仪表。 4.交、直流和特殊函数发生电流、电压源，各类受控电流、电压源。 5. PSIM还有专门用于分析谐波畸变、频谱分析、三相电路坐标变换（）等单元。 功能说明 1.用户界面直观、易于使用，用PSIM直观、简单的GUI操作界面?可迅速搭建电路图。 2.多功能控制电路仿真。PSIM可以仿真复杂的控制电路?模拟电路、s域传递函数、z域传递函数以及用户自己编写的C/C++程序都可用来表示控制回路。 3.高速仿真。PSIM相比其它仿真软件的最重要的特长是仿真速度快。可仿真任意大小的电力变换电路和控制回路的特点。 4.频率特性解析功能（AC SWEEP）。频率特性解析是设计控制环的重要工具。相比于其它仿真软件要在执行AC SWEEP之前把开关回路模型表示为平均模型（average models）PSIM可以对工作在开关状态 太阳电池特性测试实验 太阳能是人类一种最重要可再生能源，地球上几乎所有能源如: 生物质能、风能、水能等都来自太阳能。利用太阳能发电方式有两种：一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。其中，光—电直接转换方式是利用半导体器件的光伏效应进行光电转换的，称为太阳能光伏技术，而光—电转换的基本装置就是太阳电池。 太阳电池根据所用材料的不同可分为：硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池、聚合物多层修饰电极型太阳电池、纳米晶太阳电池、有机太阳电池。其中，硅太阳电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。硅太阳电池又分为单晶硅太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池三种。单晶硅太阳电池转换效率最高，技术也最为成熟，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但单晶硅成本价格高。多晶硅薄膜太阳电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池。非晶硅薄膜太阳电池成本低，重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力，但稳定性不高，直接影响了实际应用。 太阳电池的应用很广，已从军事、航天领域进入了工业、商业、农业、 通信、家电以及公用设施等部门，尤其是在分散的边远地区、高山、沙漠、海岛和农村等得到广泛使用。目前，中国已成为全球主要的太阳电池生产国，主要分布在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 一、 实验目的 1． 熟悉太阳电池的工作原理； 2． 太阳电池光电特性测量。 二、 实验原理 （1） 太阳电池板结构 以硅太阳电池为例：结构示意图如图1。硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积PN 结经串联、并联构成，在N 型材料层面上制作金属栅线为面接触电极，背面也制作金属膜作为接触电极，这样就形成了太阳电池板。为了减小光的反射损失，一般在表面覆盖一层减反射膜。 （2） 光伏效应 当光照射到半导体PN 结上时，半导体PN 结吸 收光能后，两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。由于P-N 结耗尽区存在着较强的 图1 太阳能电池板结构示意图影响光伏电池、组件输出特性的因素概要
@探究太阳能电池的输出特性
太阳能电池基本特性测定试验
光伏组件中电池遮挡与伏安特性曲线变化的关系
太阳能电池特性研究_实验报告参考
电池组件技术参数功率输出特性分析
太阳能电池的基本特性与性能参数
光伏组件问题系列总结——部分遮挡对组件输出特性的影响
太阳能电池基本特性测定实验
光伏组件测试标准内容对比
太阳能电池特性测量
太阳能电池的特性测量
第三章--光伏阵列基本原理及工作特性
太阳能电池特性(精)
太阳能电池探究亮特性光照强度关系
光伏组件中电池遮挡与伏安特性曲线变化的关系
第三章 光伏阵列基本原理及工作特性
光伏组件运行特性测试
太阳能电池特性测试实验报告