第三章--光伏阵列基本原理及工作特性

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。

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 g，则在P区、N区和结区光子被吸收会产生电子 -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

图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I⑷、并联二极管D、并联电阻R sh和串联电阻R s组成。

I ph ――光伏电池经由光照射后所产生的电流；

R sh——材料内部等效并联电阻，旁路电阻；

R s——材料内部等效串联电阻；

I——光伏电池输出电流；

U 0C --------- 光伏电池输出电压；

I D --------- 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 ph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;

并联电阻R sh 和串联电阻R s 受材料本省影响，R sh 由硅片边缘不清洁或体内 的缺陷引起的，一般为几千欧；R s 主要由电池的体电阻、表面电阻、电极 电阻和电极与硅表面间接接触电阻所组成，一般小于 1 ，是考虑横向电流 时的等效电阻；I sh 是由于PN 结缺陷造成的漏电流。

当光照射太阳电池时，将产生一个由N 区到P 区的光生电流I ph.同时， 由于PN 结二极管的特性，存在正向二极管电流I D ，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:

I sc ――参考条件下短路电流，单位：A ；

I D ――二极管暗电流，单位：A ;

I o 光伏电池反向饱和电流，单位： A ;

l or ――二极管反向饱和电流，单位：A ；

K t ――短路电流温度系数，单位：A/K , —般取值为2.6 X 10-3；

T ——光伏电池表而温度，单位：K, T t 273 C ;

T r ――参考温度，单位：K , 一般取值为301.18 ；

E G ――半导体材料禁带宽度，单位：eV,取值范围在1-3之间; G ――光照强度，单位：W/吊；

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1.38 X 10-23；

q ----- 电子电荷，单位：C, 一般取值为1.6 X 10-19；

1 1 ph 1 D 1 sh 上式中: 1 ph

G I sc K t T T r 倔 I o exp qU IR s

AkT I 。 or T r

exp qE g Ak T r I sh IR s

2 1

2 2

2 3

2 4 2 5

当太阳电池的输出端短路时，U= 0（U D 0 ），此时光伏电流I ph全部流向外部的短路负载，短路电流I sc几乎等于光电流I ph

I sc I 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，U D即为太阳电池的端电压I 阳电池的输出端开路时，

I I ph I D I sh 0

将式（2-3）带入式（2-7）整理可获得开路电压

I ph

1 丨0

可以推出光伏电池的I-U

(2 6) U,当太

.. AkT. U oc In

q

根据对上面的光伏电池等效电路分析,

性方程为输出特

G | q U IR s 彳U IR s

I I sc K t T T r丨0 exp - 1 -

1000 AkT R sh 上文提到，由于R sh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，当光照较强时，光电流咕远远大于流经并联电阻R sh的U IR

-，所以我们将忽略R sh，得到简化后的I-U输出特性方程R sh 电流I sh

I I sc K t T T r — I o exp qU 1

1000 AkT

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25C,日照强度为1000W/m称之为标准测试条件。

当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏汝特性曲线如图3所示•负载R 可以从零到无穷大•当负载R m使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率P m为

P m I m U m (2 10)