光伏电池的工作原理

《光伏电池的工作原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光伏电池的工作原理（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2.1 太阳能电池板部分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。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 2 所示的电路用作太阳能电池特性的简化模型。图 2 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

2、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0.5V0.6V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 3 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

3、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。当输出电流增图 3 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，输出电压为最大値(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

4、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4)。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。我们可通过几种不同方法来跟踪太阳能电池板系统的MPP，不过这些方法通常会比较复杂，特别对卫 星等关键任务系统来说更是如此。不过，在许多低成本系统中，我们并不必强求MPP跟踪系统的精确性。 简单的低成本解决方案只要能收集到可用能量的 90% 左

5、右就可以了。充电控制系统如何让太阳能电池的 工作接近 MPP 呢？动态电源路径管理 (DPPM) 技术能满足跟踪 MPP 的设计挑战。图 5 显示了锂离子电池充电应用的电 路，可实现太阳能电池板电力的最大化，且我们能用MOSFET Q2来调节电池充电电流、充电电压或系统 总线电压。太阳能电池板用作电源，对单节锂离子电池进行充电。太阳能电池板包括一系列硅单元串，每 串包括 11 个硅单元，就好像电流有限的电压源，电池板的尺寸及光照量决定着电流的大小。DPPM 能够监控系统总线电压 (VOUT) 随电流限制电源的下降。系统总线连接的电容 (Co) 开始放 电，一旦系统和电池充电器所需电流大于太阳能

6、电池板提供的电流，就会使系统总线电压下降。一旦系统 总线电压降到预设的 DPPM 阈值，电池充电控制系统将在 DPPM 阈值位置调节系统总线电压。我们可通 过降低电池充电电流来实现上述目的，从而获得太阳能电池板的最大电力。 DPPM 控制电路设法达到稳定 状态条件，使系统获得所需的电力，并用剩余电力给电池充电，这样，我们就能最大化太阳能电池板的电 力，并提高系统的可靠性。%卩戸“=4High: 500 mALow: 100mAjCharge-Gurrent: 1A Temperature: 0ato 45DC 丄C110 pF |一WvR1r2kFSET1R2: 2k AW 氏3;乐 AVvS

7、TAT1STAT2ISET2GNDrOUT1OUT1图 5 用太阳能电池板给一节锂离子电池充电图中太阳能电池板提供的最大输出电压（VOC）通常在5.5V6.0V之间。由于该电压低于预定义的 6V输出调节电压，因此MOSFET Q1完全打开。如果系统和电池充电器所需的总电流超过太阳能电池根 据光照量决定的输出电流，那么太阳能电池板的输出电压将降低，从而减小输出电压（VOUT）。当VOUT降 至 VDPPM 时（也是太阳能电池板的输出电压），充电电流降低。如 VDPPM 设置靠近 MPP 的话，那么 太阳能电池板这时将工作在靠近 MPP 的位置。我们通过对 RDPPM 进行适当编程，使其达到一定的

8、值， 确保VOUT保持最小为4.5V,从而实现上述目的。我们之所以使用VDPPM的值，是因为它合理地对应 于太阳能电池板的 MPP。假定MOSFET Q1上的压降为300mV,那么每个单元上的压降将等于436mV,这将最大化太阳能电 池板的功率输出。如果VOUT大于4.5V，那么DPPM不起作用，太阳能电池板将远离其MPP。不过， 只有系统和电池充电器所需的电力小于太阳能电池板的供电量时，才会发生上述情况。这时，效率降低并 不会很重要。图3显示出，输出功率接近MPP时，其曲线比较平坦，随后会急剧下降，因此我们最好将 VDPPM 设得略高一些，而不要设得略低，这将尽可能降低因工作电压设置不当而对

9、输出功率产生不良影 响。假如即便电池充电电流降至零时，太阳能电池板可用的电力也不足以给系统供电的话，那么MOSFET Q 2 将完全打开， VOUT 刚好降至电池电压 VBAT 值以下，且电池可提供太阳能电池板所不能提供的电流。如充电器工作于 DPPM 中时，内部安全定时器会自动扩展。这样，在低光照或无光照等特殊工作条件 下，电池充电会非常慢，抑或电池会处于放电模式。我们几乎不可能就所有应用设置适当的充电安全定时 器，否则就可能导致安全定时器出错，因此我们可通过禁用安全定时器来解决相关问题。太阳能充电系统效率分析根据物理学可知，发电能力与负载无关，而发电设备的输出能力则是由负载所决定的，就是说

10、，电能 输出设备的输出最大能力取决于外部能量的输入和转换效率，而这些电能量能否完全被利用,则取决于负载 设备。1）电能系统分析描述发电设备能力和电能利用关系可以用下式表示:E呂=弘）其中Eg是负载情况下的输出电能，f(e)是在输入能量条件下所能转换的能量。式(1) 指出，任何时刻发电设备发出的能量都与负载设备所消耗的能量相等。对于一个发电设备来说，其最大输出能量fmax(e)是一个固定的数值，而f(e)则是由负载决定的能量。在 工程实际中，f ( e) f ( e)叫做欠负荷，f ( e)= f ( e)叫做满负荷。还有一种情况就是所需要的E f maxmaxg max( e) ，这种情况下仍

11、然有式(1) 成立，但此时并不能完全满足负载所需要的电能，因此，在这时负载系统所 得到的电能小于实际需要，而发电设备输出的电能等于人豳(e)。2) 太阳能充电系统效率分析 在太阳能充电系统中，为了尽量提供充电能力和效率，必须把充电系统划分为两个部分，一个是充电 电路，一个是控制电路，这两个电路都会消耗电能。对于充电电路，这部分消耗的能量是电池充电中所经 过电路的损耗，对于控制电路，这部分是完成所需要的充电控制所需要消耗的能量。由此可知，太阳能充 电系统中，为了尽量提高充电效率，应当尽量减少充电电路和控制电路的能量损耗。设充电电路的功率损耗为pcp，控制电路的功率损耗为pctr，电池吸收的功率为

12、pb则根据能量守恒，得到-匕(2)其中二三是充电系统的输入功率。由此(3)根据式(3)可得到充电系统的效率为(4)把式(1)带入式(4)- pcp - pctr _Pl- pcp - pctrdEg_吋(吕)dFdt如果考虑满负荷工作(5)壬、 Pl Pcp - Pctr Pl - Pcp - Pctr 血)=医=叽閒 dtdt式(5)指出，充电效率与以下因素有关(1) 充电电路和控制电路损耗；(2) 太阳电池的输出功率。3) 最大效率设计原则由以上分析可知，为了保证充电效率太阳能充电系统必须满足(1) 充电电池必须保证功率吸收能力；(2) 尽量减少充电电路和控制电路的损耗；(3) 选择合理的太阳能电池转换输出能量。