光伏发电技术及其应用 教学课件 ppt 作者 魏学业 第二章

《光伏发电技术及其应用 教学课件 ppt 作者 魏学业 第二章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光伏发电技术及其应用 教学课件 ppt 作者 魏学业 第二章（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第二章 光 伏 电 池,光伏电池实际上是一个PN结，PN结在光照下产生电动势的现象称为光生伏特效应。当光照射到PN结上时，PN结受光激发而产生电子空穴对，从而产生势垒电场，空穴在势垒电场的作用下向P区移动，而电子则向N区移动，这样就在PN结附近形成与势垒电场相反的光生电动势。光生电动势的一部分抵消势垒电场，另一部分使P区带正电，N区带负电，从而在P区与N区之间产生光生伏特效应。这就是光伏电池的最小单元。,2.1 光伏电池的分类、结构和发电原理,2.1.1 光伏电池的分类 光伏电池是由半导体材料制造的，表2-1中是对常见光伏电池种类的总结。,表2-1 常见光伏电池种类,2.1.2 光伏电池的结构

2、,光伏电池是一种能直接把太阳的光照直接转化为电能的半导体器件，它受光照射后就会产生电流和电压。这个过程的发生需要两个条件： 1）太阳光的照射，把低能级的电子激发到了高能级。 2）处于高能级的电子，从电池内部移动到外部电路中，然后经过负载后又回到了电池内部中。图2-1展示了能实现这种功能的光伏电池封装结构图。,图2-1 光伏电池封装结构图 2.1.3 光生电流的产生过程 光伏电池在光照下产生的电流叫做“光生电流”，它的产生包括了两个主要的过程： 1产生电子空穴对的过程 2PN结对光生载流子收集的过程,第二章 光 伏 电 池,光伏电池实际上是一个PN结，PN结在光照下产生电动势的现象称为光生伏特效

3、应。当光照射到PN结上时，PN结受光激发而产生电子空穴对，从而产生势垒电场，空穴在势垒电场的作用下向P区移动，而电子则向N区移动，这样就在PN结附近形成与势垒电场相反的光生电动势。光生电动势的一部分抵消势垒电场，另一部分使P区带正电，N区带负电，从而在P区与N区之间产生光生伏特效应。这就是光伏电池的最小单元。,图2-2 外部连接方式,2.2 光伏效应,2.2.1 光伏电池的伏安曲线 光伏电池的伏安曲线是二极管在黑暗时的伏安曲线与光生电流的叠加，用光照射电池并加上二极管的暗电流，则二极管的方程为 （2-1） 式中，n为二极管的理想系数；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；q为单位电荷量； 为二极管反

4、向饱和电流； 为光生电流。 则伏安曲线方程为 （2-2） 下面讨论用于描述光伏电池特性的重要参数。短路电流（ ）和开路电压（ ）以及功率（P）与开路电压（ ）之间的关系，如图2-3所示。,图2-3 光伏电池特性 a) ISC与UOC的关系 b) P与UOC的关系 2.2.2 电阻效应 1特征电阻 光伏电池的特征电阻就是电池在输出最大功率时的输出电阻，如图2-4所示的C点。 特征电阻也可以写成 （2-4）,2寄生电阻 光伏电池的电阻效应消耗了电池的能量，降低了电池的发电效率。其中最常见的寄生电阻为串联电阻 和并联电阻 ，如图2-5所示的电池单二极管的等效电路。 3串联电阻 串联电阻对光伏组件的I

5、-U输出特性曲线在最大功率点附近的形状有着较大的影响。图2-6所示为串联内阻分别为参考值以及参考值的两倍和1/2时，光伏组件的I-U输出特性曲线，外部环境参数为温度25、光照强度1000W/m2。,图2-4 特征电阻,图2-5 单二极管的等效电路,图2-6 不同串联内阻 下光伏组件的I-U特性曲线 4并联电阻 并联电阻 造成的功率损失通常是由制造缺陷引起的，并联电阻以分流的形式造成功率损失，减小了流经PN结的电流，同时还降低了光伏电池的电压。 5串、并联电阻的共同影响 当并联电阻和串联电阻同时存在时，光伏电池的电流 与电压 关系为 （2-5）,2.2.3 其他效应,1温度效应 2光强效应,图2

6、-7 不同温度T下光伏组件的I-U特性曲线,2.3 光伏电池板,1简介 一块光伏电池板是由许多单光伏电池连接而成的，这样能增加输出功率。电池互联起来形成的光伏电池阵列最主要的问题是：不匹配的电池之间的互联引起的损耗；电池板的温度；电池板的故障模式。光伏电池板如图2-10所示。,图2-10 光伏电池板 a) 单晶硅 b) 多晶硅,2电池板的结构 一块光伏电池板是由许多互相连接的光伏电池单元封装而成的。,2.4 互联效应,2.4.1 组件电路的设计 通常将多块光伏电池单元串联成一块光伏电池板，以提高输出电压，如图2-11所示。独立光伏系统中，光伏组件的输出电压通常被设计成与12V蓄电池相匹配。由3

7、6块电池片组成的光伏电池组件，在标准测试条件下，输出的开路电压将达到21V左右，最大功率点处的工作电压大约为17V或18V。,图2-11 光伏电池组件的外形和连接形式,2.4.2 错配效应 错配损耗是由互相连接的电池或组件，因为性能不相同或者工作条件不同造成的。在工作条件相同的情况下，错配损耗是由其性能不相同造成的，这是一个相当严重的问题，因为整个光伏模组的输出是取决于那个表现最差光伏电池的输出。 一个电池与其余电池在I-U曲线的上任何一处的差异都将引起错配损耗。图2-13展示了光伏电池在非理想下的I-U曲线。,图2-13 理想光伏电池和非理想光伏电池的比较,2.4.3 串联电池的错配 因为大

8、多数光伏组件都是串联形式连接的，所以串联错配是最常遇到的错配类型，如图2-14所示。在两种最简单的错配类型中（短路电流错配和开路电压错配），短路电流的错配比较常见，它很容易被组件的阴影部分所引起。同时，这种错配类型也是最严重的。,图2-14 两个互相串联的电池,2.4.4 旁路二极管 通过使用旁路二极管可以避免错配对组件造成的破坏，二极管与电池并联且方向相反，如图2-18所示，这是通常避免错配的方法,图2-18 接有旁路二极管的串联光伏电池,图2-19 有、无旁路二极管的I-U曲线,要计算旁路二极管对I-U曲线的影响，首先要画出单个光伏电池（带有旁路二极管）的I-U曲线，然后再与其他电池的I-

9、U曲线进行比较。旁路二极管只在电池出现电压反向时才对电池产生影响。如果反向电压高于电池的反向电压，则二极管将导通并让电流流过。图2-19是两种情况的I-U曲线。 图2-20给出了一种带有旁路二极管的电池组件示意图。图中画出了9个光伏电池，其中有8个正常电池和1个问题电池。典型的光伏组件由36个电池组成，如果没有旁路二极管，错配效应的破坏将更严重。,图2-20 带有旁路二极管的电池组件,2.4.5 并联电池的错配 在小的电池组件中，电池都是以串联形式相接的，所以不用考虑并联错配问题。通常在大型光伏阵列中组件才以并联形式连接，所以错配通常发生在组件与组件之间，而不是电池与电池之间图2-21a是电池

10、的并联示意图，图2-21b所示，电池1产生的光生电流小于电池2。并联错配对电流的影响不大，总的电流总是比单个电池电流大。图2-21c是并联电池的电压错配，电池2较高的电压实际上起到了降低正常电池开路电压的作用。,a),b) c),图2-21 并联电池及其电压错配 a) 电池的并联 b) 电池1的输出电流小于电池2 c) 电池2的电压的增加事实上降低了正常电池的开路电压,2.4.6 光伏阵列中的错配效应,图2-23 光伏阵列的错配效应,图2-24 并联组件中的旁路二极管,图2-25 并联组件中的阻塞二极管,2.5 局部阴影特性,光伏组件作为光伏发电系统的基本单元，在均匀光照下，光伏组件的输出呈现

11、单峰特性。但光伏组件处于复杂光照条件时，如被周围建筑物、树木及乌云等遮挡时，光伏组件中将有一部分电池处于阴影状态，会造成输出效率的降低，并容易发生热斑现象而损坏电池。 2.5.1 双二极管模型,图2-26 双二极管的等效电路,图中，Iph为光生电流，ID1为流过二极管VD1的电流，ID2为流过二极管VD2的电流，Iv为反向雪崩击穿电流，UD为Rsh的端电压，Rsh、Rs分别为等效并联电阻和串联电阻，U、I分别为光伏电池单元的输出端电压和电流。由等效电路模型可得光伏电池的数学模型为,（2-7）,其中,式中， 、n1为二极管VD1的反向饱和电流和品质因子； 、n2为二极管VD2的反向饱和电流和品质

12、因子； 为雪崩击穿电压；a、b 为雪崩击穿特征常数；T为绝对温度；q 为单位电子电荷；k为波尔兹曼常数。,图2-27 具有nm个电池光伏组件的等效电路 a) n个光伏电池串联电路模型 b) nm个光伏电池串并联的光伏组件电路模型,根据电路串、并联关系，可得光伏模组的一般数学模型 式（2-8） 2.5.2 外部环境对输出特性的影响 1遮挡率对输出特性的影响 遮挡率a是指在阴影状态下，太阳光照不能被光伏电池表面能够接收光照的百分比。设a=0.1，即有10的光照被挡住，1-a即90%的光仍照在光伏阵列上，因此在局部阴影条件下光伏电池的光生电流可表达为,式中， 为标准测试条件下的光生电流；G为遮挡物之

13、前的太阳能光照强度。,2光照度的影响 当一个光伏电池的遮挡率一定时，随着光照强度的增加，如从200W/m2增至1000W/m2时，其I-U特性曲线如图2-29所示。,图2-29 不同照度下电池的I-U特性曲线（1个阴影电池）,图2-30 不同温度下电池的I-U特性曲线（1个阴影电池）,3温度的影响 考虑被遮挡电池的温度变化对阵列输出的影响。图2-30为一个电池在遮挡率为60%时，被遮挡电池温度在25、40、60、80时的光伏阵列I-U特性曲线。,4阴影电池的个数对输出特性的影响 在遮挡率为65%时，增加被遮挡电池的数目分别为0、1、2、3其I-U特性曲线如图2-31所示。,2.5.3 电池连接

14、方式对输出特性的影响 相同电池数目采用不同连接方式组成光伏模组，在部分阴影的情况下其输出特性不同。 只有一个电池在完全阴影的情况下，即a=0，其输出特性曲线如图2-32所示,图2-30 不同温度下电池的I-U特性曲线（1个阴影电池）,图2-31 不同阴影电池数目的I-U特性曲线,3不同阴影模式对输出特性的影响 对于大的光伏组件，串、并联电池数目多，所处的阴影形式也更加复杂，在阴影存在时使输出特性发生较大的变化。在阴影模式下的照度分别为1000W/m2、750W/m2、500W/m2和250W/m2。阴影模式如图2-36所示,图2-36 SP203光伏模组的阴影模式,在温度为50时，该模组在照度分别为A、B、C、D四种情况变化时的输出I-U特性曲线如图2-37所示，P-U曲线如图2-38所示。图中对比了是否有旁路二极管对输出的影响。,图2-37 组件在不同阴影情况下的 图2-38 组件在不同阴影情况下的输出特性I-U曲线 输出特性P-U曲线,由图2-37、图2-38可以看出，在有旁路二极管的情况下，呈现多峰现象，相对于没有旁路二极管的情况，功率输出能力大大提高。,