第3章太阳能电池的特性

第3章太阳能电池的特性
太阳能电池的特性
光伏电池的特性⼀般包括光伏电池的输⼊输出特性(伏安特性)、照度特性以及温度特性。

1. 伏安特性
当太阳光照射到电池上时，电池的电压与电流的关系(伏安特性)可以简单的⽤图2．9所⽰的特性曲线来表⽰。

图中：V oc 为开路电压；Isc 为短路电流；Vpmax 为最佳⼯作电压；Ipmax 为最佳⼯作电流。

最佳⼯作点对应电池的最⼤出⼒Pmax ，其最⼤值由最佳⼯作电压与最佳⼯作电流的乘积得到。

实际使⽤时，电池的⼯作受负载条件、⽇照条件的影响，⼯作点会偏离最佳⼯作点。

1.1 开路电压Voc
光伏电池电路将负荷断开测出两端电压，称为开路电压。

1.2 短路电流Isc
光伏电池的两端是短路状态时测定的电流，称为短路电流。

1.3 填充因⼦FF
实际情况中，PN 结在制造时由于⼯艺原因⽽产⽣缺陷，使光伏电池的漏电流增加。

为考虑这种影响，常将伏安特性加以修正，将特性的弯曲部分曲率加⼤，定义曲线因⼦FF 为
Uoc Isc P Uoc Isc Up Ip FF ?=??=max max max
曲线因⼦是⼀个⽆单位的量，是衡量电池性能的⼀个重要指标。

曲线因⼦为1被视为理想的电池特性。

⼀般地，曲线因⼦在0．5～O ．8之间。

1.4 转换效率
转换效率⽤来表⽰照射在电池上的光能量转换成电能的⼤⼩，它是衡量电池性能的另⼀个重要指标。

但是对于同⼀块电池来说，由于电池的负载的变化会影响其出⼒，导致光伏电池的转换效率发⽣变化。

为了统⼀标准，⼀般公称效率来表⽰电池的转换效率。

即对在地⾯上使⽤的电池，在太阳能辐射通量1000w ／
m2、⼤⽓质量Aml.5、环境温度25℃，与负载条件变化时的最⼤电⽓输出的⽐的百分数来表⽰。

⼚家的说明书中电池转换效率就是根据上述测量条件得出的。

2.照度特性
光伏电池的出⼒随照度(光的强度)⽽变化。

如图2．10所⽰，短路电流与照度成正⽐；图2．1l所⽰，开路电压随照度按指数函数规律增加，其特点是低照度值时，仍保持⼀定的开路电压。

因此，最⼤出⼒Pmax⼏乎与照度成⽐例增加，⽽曲线因⼦FF⼏乎不受照度的影响，基本保持⼀致。

3.温度特性
光伏电池的出⼒随温度的变化⽽变化，其特性曲线如图2．12所⽰，随着温度的上升，短路电流Isc增⼤，⽽开路电压V oc减⼩，转换效率降低。

由于温度上升导致电池的出⼒下降，因此，有时需要⽤通风的⽅法来降低电池板的温度以便提⾼电池的转换效率，使出⼒增加。

电池的温度特性⼀般⽤温度系数表⽰。

温度系数⼩说明即使温度较⾼，但出⼒的变化较⼩。

4.光伏电池的等值电路
(1)等值电路和公式推导
光伏电池本⾝是⼀个P-N结，基本特性与⼆极管类似，其等效电路由光⽣
电流源及⼀系列电阻(内部并联电阻妯和串联电阻黜)组成，如图2．13所⽰。

由光伏电池等效电路可得出公式
I I I I sh d ph --= (2-1)
式中，I 为光伏电池的输出电流(A)；Iph 为光⽣电流(A)；Id 为流过⼆极管的电流(A)；Ish 为流过内部并联电阻妯的电流(A)。

对于Id 有
式中，Io 为⼆极管反向饱和电流(⼀般⽽⾔，其数量级为104
-A)；V 为输出电压(V)；K 是玻⽿兹曼常数，为1．38×10。

23J/K ；Rs 为电阻Rs 的电阻(Q)；T 是绝对温度(K)；A 是P-N 结的理想因⼦，当温度T=300K 时，取值2．8；q 是电⼦电荷，为1．6×lO 。

9C 。

对式(2．1)中的Ish 有
将式(2．2)和(2．3)代⼊式(2．1)，可得光伏电池输出电流表达式为
(2)Rs 和Rsh 的影响
◆串联电阻黜的影响
当黜增⼤时，会引起变换效率77降低，短路电流下降，但对开路电压影响不⼤。

因此，在光伏电池组件实际使⽤中，少不了组件之间的接线或组件与电缆连接，可以认为是增⼤了串联电阻Rs ，这⽅⾯的影响不可低估。

◆并联电阻黜h 的影响
Rsh是由PN结⽣产制造过程中产⽣的，与外部参数⽆关。

Rsh增⼤会使效率降低，但短路电流基本不变，开路电压稍有下降。

(3)考虑阴影影响的等值电路
对于给定⾯积的电池，其输出电流与太阳强度成正⽐，⽽⼏乎与温度⽆关。

所以，太阳强度增加输出电压和功率都增加，这与温度下降的效果是⼀样的。

温度升⾼1℃，晶体硅电池的输出电压就降低⼤约O．5％。

因此，⽅阵的安装位置应当是⽇照最多的地⽅(任何时候都没有阴影)，并且尽量保证上⾯和下⾯的空⽓流通以保持尽可能低的温度。

光伏电池组件在使⽤过程中如果有⼀⽚光伏电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等，单独被遮挡的光伏电池在强烈阳光照射时就会发热损坏，于是就造成整个光伏电池组件损坏。

这就是所谓热岛效应。

这⼀点与⾮晶硅电池是不同的。

串联的光伏组件的电流是⼀样的，如果部分光伏电池被遮挡，它们就不能产⽣电流⽽被反偏。

这就意味着被遮挡的电池把功率以热的⽅式耗尽，时间过长就导致故障产⽣。

但是，防⽌偶尔的阴影也是可能的，可以通过在串联的组件上接旁路⼆极管实现。

⽽且多数商业产品都在接线盒⾥预置了这种旁路⼆极管。

使⽤旁路⼆极管可延长组件的使⽤寿命，但它不能阻⽌由于阴影引起的能量损失。

因此安装⽅阵时⼀定要检查潜在的阴影情况。

要考虑到不同季节植物的变化和太阳⾓的改变。

安装后，还要进⾏维护以防⽌野草或树枝的阴影。

⼀般是将光伏电池倾斜放置，使树叶等不能附着，同时在光伏电池组件上安装防鸟针。

当计及阴影的影响时，需要在组件上加装旁通⼆极管。

此外为了防⽌反向电流对电池的破坏，还需加装防反⼆极管，如图2．14所⽰。