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1、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
2、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。I灿电图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 ，则在P区、N区和结区光子被吸收会产生电子 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
3、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 光伏电池等效电路上图是光伏电池的等效电路模型图。它由理想电流源I 、并联二极管D、ph并联电阻R和串联电阻R组成。sh sI 光
4、伏电池经由光照射后所产生的电流；phR 材料内部等效并联电阻，旁路电阻；shR 材料内部等效串联电阻；sI 光伏电池输出电流；Uoc光伏电池输出电压；ID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;ph并联电阻 R 和串联电阻 R 受材料本省影响， R 由硅片边缘不清洁或体内sh s sh的缺陷引起的，一般为几千欧； R 主要由电池的体电阻、表面电阻、电极s电阻和电极与硅表面间接接触电阻所组成，一般小于10，是考虑横向电流时的等效电阻；I ,是由于PN结缺陷造成的漏电流。sh当光照射太阳电池时，将产生一个由N区到P
5、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：（2 -1）上式中：0（2 - 2）（2 - 3）（2 - 4 ）I 二 I -1 -1ph D shscIDorKtTTrEGG（2 - 5）丫 U + IRI 二一sh Rsh-参考条件下短路电流，单位：A;-二极管暗电流，单位：A;-光伏电池反向饱和电流，单位：A；-二极管反向饱和电流，单位：A；-短路电流温度系数，单位：A/K，般取值为2.6X10-3；光伏电池表而温度，单位:K, T =
6、t + 273C;-参考温度，单位：K，一般取值为301.18；-半导体材料禁带宽度，单位：eV,取值范围在1-3之间;-光照强度，单位：W/m2；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1.38X 10-23；q电子电荷，单位：C，一般取值为1.6X10-19；当太阳电池的输出端短路时，U= 0 ( U沁0 )，此时光伏电流I全部D ph 流向外部的短路负载，短路电流I几乎等于光电流I ,scphI 二 Isc 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U,当太 阳电池的输出端
7、开路时，（2 - 6）I 二 I I I 二 0ph D sh将式(2-3)带入式(2-7)整理可获得开路电压 (I)In +1 I -丿U =也oc q（2 - 7 ）（2 - 8）根据对上面的光伏电池等效电路分析，可以推出光伏电池的I-U输出特 性方程为I = h + K(T T )12 I exp tr 10000上文提到，由于R，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U + IR电流I =sh Rshscq（U + IR ）1 1 AkT严（2 8）Rshsh当光照较强时，光电流！远远大于流经并联电阻R的 phsh所以我们将忽略R，得到简化后的I-U输出特性方程
8、 shsc+ Kt（T -血-10 卜Pq（U + ir） iAkT（2 - 9 ）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25，日照强度为1000W/m2称之为标准 测试条件。当负载R使太阳电池的功率输出为最大时，它对 m当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏安特性曲线如图3所示.负 载 R 可以从零到无穷大 应的最大功率P为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
9、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I和U分别为最佳工作电流和最佳工作电压.将U与I的乘m m oc sc积与最大功率p之比定义为填充因子FF,则mPFF = mUIOC SCUImmUIOC 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耳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P之比，in即Pn -十 x 100%(2 -12)Pin从式（2-8）可以看出，光
10、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， sc 并且与日照强度成正比，与温度成一定的线性关系。同时，开路电压也与二(2 -11)者有密切的关系，如下:U = U + K（T - T ）ococs Tr式中，U 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I、U，有mU +1 R 36V丿 tI = I -1 expm ph 0（2 -12）这里取理想因子A二1,则在温度T=25C下，则在标准测试条件下的串联等效电阻36V In pht（I -1）m +1 - U
11、0丿m-=0.550（2 -13）m若得知在不同温度T和光照强度G下的最大功率点（U、I ），就可求 mm 得不同气候条件下的R。但由于数据有限，并且R值较小，可采用恒定Rsss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I八反向饱和电流I和串联等效电阻R，根据上phos文对光伏电池的建模分析,我们运用 MATLAB 对光伏电池进行仿真,其仿真模块如图 3.3所示：图 3-3 基于 Simulink 的光伏阵列仿真模型图3.6是光伏电池在相同光照强度，不同温度下的I-U和P-U特性输出 曲线，从曲线中可以看出，在固定的光照强度下，当温度上升时光伏电池的开路
12、电压就会减小，但其短路电流的变化却很小，短路电流随着上升而略微图3-4光伏阵列输出P-U特性曲线图图3-5光伏阵列输出I-U特性曲线图图3-6光照强度不变时的特性曲线图3-7是光伏电池在相同的温度，不同光照强度下的I-U和P-U特性输 出曲线，从曲线中可以看出，在固定的温度下，光照强度的增加，光伏电池 的短路电流就会增加。但光伏电池的开路电压变化却并不十分的明显，光伏 电池的开路电压随着太阳光照强度的增强而略微增大。从总体上看，光伏电 池的输出电流值随着光照强度的增加有着较大的变化，而随着太阳光照强度 的减弱，光伏电池的输出功率也将减小。(a) P-U特性曲线(b) I-U特性曲线图3-7温度不变时的特性曲线3.4本章小结在光伏发电系统的设计中，为了更好的分析光伏阵列的输出特性，更好 的使其与光伏控制系统匹配，达到最佳的发电效果，本章在基于光伏电池工 作原理的分析基础上，建立了光伏电池以及光伏阵列的数学模型。通过这些 数学关系，来反映出光伏阵列各项参数的变化规律，并结合某光伏阵列生产 厂家提供的光伏阵列相关参数，在Matlab/Simulink环境下建立了光伏阵列 的Simulink动态仿真模型。并得出了光伏组件在不同外部环境中的输出特 性仿真结果，仿真结果表明该模型能模拟任意环境下光伏阵列的输出特性。第3 章 光伏阵列基本原理及工作特性
