2021第三章光伏陣列基本原理及工作特性

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1、第三章 光伏陣列基本原理及工作特性 第3章光伏陣列基本原理及工作特性 3.1 光伏電池的工作原理 光伏發(fā)電首先要解決的問題是怎樣將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。光伏電池就是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成，它是一種能將太陽能輻射直接轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換器件。由若干個(gè)這種器件封裝成光伏電池組件，再根據(jù)需要將若干個(gè)組件組合成一定功率的光伏陣列。光伏陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其輸出特性受外界環(huán)境影響較大。 太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。這種把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是光伏電池。光伏電池是以光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)，可以把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。所謂的光生伏打效應(yīng)是指某種

2、材料在吸收了光能之后產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。在氣體，液體和固體中均可產(chǎn)生這種效應(yīng)。在固體，特別是半導(dǎo)體中，光能轉(zhuǎn)換成電能的效率相對(duì)較高。 圖3-1 光生伏打效應(yīng) 當(dāng)光照射在距光伏電池表面很近的PN結(jié)時(shí)，只要入射光子的能量大于 E，則在P區(qū)、N區(qū)和結(jié)區(qū)光子被吸收會(huì)產(chǎn)生電子半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 g –空穴對(duì)。那些在結(jié)附近N區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子由于存在濃度梯度而要擴(kuò)散。只要少數(shù)載流子離PN結(jié)的距離小于它的擴(kuò)散長(zhǎng)度，總有一定幾率擴(kuò)散到結(jié)界面處。在P區(qū)與N區(qū)交界面的兩側(cè)即結(jié)區(qū)，存在一個(gè)空間電荷區(qū)， 也稱為耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)中，正負(fù)電荷間形成電場(chǎng)，電場(chǎng)方向由N 區(qū)指向P 區(qū)，這個(gè)電場(chǎng)稱為內(nèi)建電場(chǎng)。這些

3、擴(kuò)散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子（空穴）在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下被拉向P 區(qū)。同樣，如果在結(jié)區(qū)附近P 區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子（電子）擴(kuò)散到結(jié)界面處，也會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)迅速被拉向N 區(qū)結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子–空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分別移向N 區(qū)和P 區(qū)。如果外電路處于開路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在PN 結(jié)附近，使P 區(qū)獲得附加正電荷，N 區(qū)獲得附加負(fù)電荷，這樣在PN 結(jié)上產(chǎn)生一個(gè)光生電動(dòng)勢(shì)。若果外電路與負(fù)載連接，處于通路狀態(tài)，PN 結(jié)產(chǎn)生的光生電動(dòng)勢(shì)就開始供電， 產(chǎn)生從P 區(qū)流出，N 區(qū)流入的電流，從而帶動(dòng)負(fù)載工作。 3.2光伏電池等效電路 I 圖3-2光伏電池等效電路 上圖是光伏電池的等效電路模型圖

4、。它由理想電流源ph I 、并聯(lián)二極管D 、并聯(lián)電阻sh R 和串聯(lián)電阻s R 組成。 ph I ——光伏電池經(jīng)由光照射后所產(chǎn)生的電流； sh R ——材料內(nèi)部等效并聯(lián)電阻，旁路電阻； s R ——材料內(nèi)部等效串聯(lián)電阻； I ——光伏電池輸出電流； oc U ——光伏電池輸出電壓； D I ——暗電流，無光照情況時(shí)，有外電壓作用下PN 結(jié)內(nèi)流過的單向電流； 電流源ph I 大小受光伏電池所處的外部環(huán)境如光照強(qiáng)度、溫度等的影響； 并聯(lián)電阻sh R 和串聯(lián)電阻s R 受材料本省影響，sh R 由硅片邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的，一般為幾千歐；s R 主要由電池的體電阻、表面電阻、電

5、極電阻和電極與硅表面間接接觸電阻所組成，一般小于1Ω，是考慮橫向電流時(shí)的等效電阻；sh I 是由于PN 結(jié)缺陷造成的漏電流。 當(dāng)光照射太陽電池時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)由N 區(qū)到P 區(qū)的光生電流I ph ．同時(shí)，由于PN 結(jié)二極管的特性，存在正向二極管電流I D ，此電流方向從p 區(qū)到n 區(qū)，與光生電流相反。因此，根據(jù)圖2.1的光伏電池等效電路模型圖可以得出光伏電池的輸出特性方程式： ()12---=sh D ph I I I I 上式中： ()[]()221000 --+=G T T K I I r t sc ph ()()321exp 0-????????????-+=AkT IR U q

6、 I I s D ()4211exp 30-? ???? ????? ??-???? ??=T T Ak qE T T I I r G r or ()52-+=sh s sh R IR U I sc I ——參考條件下短路電流，單位：A ； D I ——二極管暗電流，單位：A ； o I ——光伏電池反向飽和電流，單位：A ； or I ——二極管反向飽和電流，單位：A ； t K ——短路電流溫度系數(shù)，單位：A/K ，一般取值為2.610-3； T ——光伏電池表而溫度，單位:K,273+=t T ℃； r T ——參考溫度，單位：K ，一般取值為301.18； G E —

7、—半導(dǎo)體材料禁帶寬度，單位：eV ，取值范圍在1-3之間； G ——光照強(qiáng)度，單位：W/m 2； A ——二極管品質(zhì)因子,取值范圍在1-2之間； K ——玻爾茲曼常數(shù),單位：J/K ，一般取值為1.3810-23； q ——電子電荷，單位：C ，一般取值為1.610-19； 當(dāng)太陽電池的輸出端短路時(shí)，U= 0（0≈D U ），此時(shí)光伏電流ph I 全部流向外部的短路負(fù)載，短路電流sc I 幾乎等于光電流ph I )62(-=ph sc I I 即太陽電池的短路電流等于光生電流，與入射光的強(qiáng)度成正比。 如果忽略太陽電池的串聯(lián)電阻Rs ，D U 即為太陽電池的端電壓U ，當(dāng)太陽電池的輸

8、出端開路時(shí)， ()720 -=--=sh D ph I I I I 將式（2-3）帶入式（2-7）整理可獲得開路電壓 ()821ln 0-??? ? ??+=I I q AkT U ph oc 根據(jù)對(duì)上面的光伏電池等效電路分析，可以推出光伏電池的I-U 輸出特 性方程為 ()[]()()821exp 10000-+-????????????-+--+=sh s s r t sc R IR U AkT IR U q I G T T K I I 上文提到，由于sh R 是由硅片邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的，其大小為數(shù)千歐姆，因此，當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，光電流ph I 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流經(jīng)并聯(lián)電阻sh

9、R 的電流sh s sh R IR U I +=，所以我們將忽略sh R ，得到簡(jiǎn)化后的I-U 輸出特性方程為 ()[]()()921exp 10000-????????????-+--+=AkT IR U q I G T T K I I s r t sc 這里選擇無錫尚德公司生產(chǎn)的STP0950S-36型號(hào)的光伏陣列，它由36個(gè)單晶硅光伏電池串聯(lián)而成，其各項(xiàng)參數(shù)如表2.1所示。 光伏電池所處外界環(huán)境溫度為25℃，日照強(qiáng)度為1000W/m 2稱之為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件。 當(dāng)太陽電池接上負(fù)載R 時(shí)，所得的負(fù)載伏–安特性曲線如圖3所示．負(fù)載R 可以從零到無窮大．當(dāng)負(fù)載m R 使太陽電池的功率輸出

10、為最大時(shí)，它對(duì)應(yīng)的最大功率m P 為 )102(-=m m m U I P 表3-1 光伏陣列STP0950S-36在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的參數(shù) 式中m I 和m U 分別為最佳工作電流和最佳工作電壓．將oc U 與sc I 的乘積與最大功率m p 之比定義為填充因子FF ，則 )112(-==SC OC m m SC OC m I U I U I U P FF FF 為太陽電池的重要表征參數(shù)，F(xiàn)F 愈大則輸出的功率愈高．FF 取決于入射光強(qiáng)、材料的禁帶寬度、理想系數(shù)、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等． 太陽電池的轉(zhuǎn)換效率 η定義為太陽電池的最大輸出功率與照射到太陽電池的總輻射能i

11、n P 之比，即 )122(%100-?=in m P P η 從式（2-8）可以看出，光伏電池的輸出電流和電壓受到外界因素，如溫度、日照強(qiáng)度等的影響。在不同的溫度、日照強(qiáng)度下有不同的短路電流sc I ，并且與日照強(qiáng)度成正比，與溫度成一定的線性關(guān)系。同時(shí)，開路電壓也與二者有密切的關(guān)系，如下: () ()112--+=r T ocs oc T T K U U 式中， ocs U ——標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的開路電壓，單位：V ； T K ——開路電壓的溫度系數(shù)，單位：A/K ； 在最大功率點(diǎn)處所測(cè)得的電流和電壓分別為m I 、m U ，有 ()122136exp 0-? ?????-?

12、??? ? ?+-=t s m m ph m V R I U I I I 這里取理想因子1=A ，則在溫度T=25℃下，則在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的串聯(lián)等效電阻 ()13255.01ln 360-Ω=-???? ??+-=m m m ph t s I U I I I V R 若得知在不同溫度T 和光照強(qiáng)度G 下的最大功率點(diǎn)(m U 、m I )，就可求得不同氣候條件下的s R 。但由于數(shù)據(jù)有限，并且s R 值較小，可采用恒定s R 的方法來近似模擬。 3.3基于Simulink 的光伏陣列仿真 完成對(duì)前面光生電流ph I 、反向飽和電流o I 和串聯(lián)等效電阻s R ，根據(jù)上文對(duì)光伏電池的建模

13、分析,我們運(yùn)用MATLAB 對(duì)光伏電池進(jìn)行仿真,其仿真模塊如圖3.3所示： 圖3-3 基于Simulink 的光伏陣列仿真模型 圖3.6是光伏電池在相同光照強(qiáng)度，不同溫度下的I-U 和P-U 特性輸出曲線，從曲線中可以看出，在固定的光照強(qiáng)度下， 當(dāng)溫度上升時(shí)光伏電池的 開路電壓就會(huì)減小，但其短路電流的變化卻很小，短路電流隨著上升而略微增大，從總體上看，溫度的上升會(huì)使光伏電池的輸出功率減小。 圖3-6 光照強(qiáng)度不變時(shí)的特性曲線 圖3-7是光伏電池在相同的溫度，不同光照強(qiáng)度下的I-U 和P-U 特性輸出曲線，從曲線中可以看出，在固定的溫度下，光照強(qiáng)度的增加，光伏電池的短

14、路電流就會(huì)增加。但光伏電池的開路電壓變化卻并不十分的明顯，光伏電池的開路電壓隨著太陽光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而略微增大。從總體上看，光伏電池的輸出電流值隨著光照強(qiáng)度的增加有著較大的變化，而隨著太陽光照強(qiáng)度的減弱，光伏電池的輸出功率也將減小。 （a ）P-U 特性曲線 （b ）I-U 特性曲線 圖3-4 光伏陣列輸出P-U 特性曲線圖 圖3-5 光伏陣列輸出I-U 特性曲線圖 圖3-7 溫度不變時(shí)的特性曲線 3.4 本章小結(jié) 在光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了更好的分析光伏陣列的輸出特性，更好的使其與光伏控制系統(tǒng)匹配，達(dá)到最佳的發(fā)電效果，本章在基于光伏電池工作原理的分析基礎(chǔ)上，建立了光伏電池以及光伏陣列的數(shù)學(xué)模型。通過這些數(shù)學(xué)關(guān)系，來反映出光伏陣列各項(xiàng)參數(shù)的變化規(guī)律，并結(jié)合某光伏陣列生產(chǎn)廠家提供的光伏陣列相關(guān)參數(shù)，在Matlab/Simulink 環(huán)境下建立了光伏陣列的Simulink 動(dòng)態(tài)仿真模型。并得出了光伏組件在不同外部環(huán)境中的輸出特性仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明該模型能模擬任意環(huán)境下光伏陣列的輸出特性。 （a ）P-U 特性曲線 （b ）I-U 特性曲線