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Eg，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Rsh和串联电阻Rs组成。 I ph ――光伏电池经由光照射后所产生的电流；

Rsh——材料内部等效并联电阻，旁路电阻；

Rs——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Rsh和串联电阻Rs受材料本省影响，Rsh由硅片边缘不清洁或体内 的缺陷引起的，一般为几千欧；Rs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；Ish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Iph.同时， 由于PN结二极管的特性，存在正向二极管电流ID，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；

ID ――二极管暗电流，单位：A; I o 光伏电池反向饱和电流，单位： A;

lor ――二极管反向饱和电流，单位：A；

Kt ――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; Tr――参考温度，单位：K, 一般取值为301.18 ； EG ――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

Isc KtT Tr

倔

Io exp qU IR

s

AkT

I。

or Tr exp qEg Ak Tr

I sh

IRs

2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 当太阳电池的输出端短路时，U= 0（ UD 0 ），此时光伏电流I ph全部 流向外部的短路负载，短路电流Isc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，UD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. Uoc 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 IRs 彳 U IRs

I Isc KtT Tr 丨0 exp - 1 -

1000 AkT Rsh

上文提到，由于Rsh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Rsh的 U IR -，所以我们将忽略Rsh，得到简化后的I-U输出特性方程 Rsh 电流I

sh

I I sc Kt T Tr — Io 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 Rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对 应的最大功率Pm为 Pm I mU m

(2 10) 表3-1光伏阵列STP0950S-36在标准测试条件下的参数 标准测试条件下最大功率（W 94

峰值工作电压（V） 21.7 峰值工作电流（A） 4.5 开路电压（V） 24.2 短路电流（A） 4.8 开路电压温度系数（V/C） -0.77 短路电流温度系数（A/C） 2.06 X 10-3

式中Im和Um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Pm之比定义为填充因子FF,则

FF Pm Umlm 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Pn之比，即

2100% 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

并且与日照强度成正比， 者有密切的关系，如下：

与温度成一定的线性关系。同时，开路电压也与二

Uoc Uocs KT T Tr 2 11 式中， U ocs ――标准测试条件下的开路电压，单位： V

；

KT ――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Im、u m ,有 U I R Im Iph Io exp m m s 1 2 12

p 36Vt

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

36Vt In — - 1 Um

I o

Rs ------------------ 0.55 2 13

Im

若得知在不同温度T和光照强度G下的最大功率点（Um、Im），就可求 得

不同气候条件下的Rs。但由于数据有限，并且Rs值较小，可采用恒定Rs 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Iph、反向饱和电流I。和串联等效电阻Rs，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

(2 12)