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

E，则在P区、N区和结区光子被吸收会产生电子半导体材料的禁带宽度

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

I

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ph I 、并联二极管D 、并联电阻sh R 和串联电阻s R 组成。

ph I ——光伏电池经由光照射后所产生的电流；

sh R ——材料内部等效并联电阻，旁路电阻；

s R ——材料内部等效串联电阻；

I ——光伏电池输出电流；

oc U ——光伏电池输出电压；

D I ——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ph 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；

并联电阻sh R 和串联电阻s R 受材料本省影响，sh R 由硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起的，一般为几千欧；s R 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1Ω，是考虑横向电流时的等效电阻；sh I 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：

()12---=sh

D ph I I I I 上式中：

()[]()221000

--+=G T T K I I r t sc ph ()()321exp 0-????????????-+=AkT

IR U q I I s D ()4211exp 30-?

????

????? ??-???? ??=T T Ak qE T T I I r G r or ()52-+=sh s sh R IR U I

sc I ——参考条件下短路电流，单位：A ；

D I ——二极管暗电流，单位：A ；

o I ——光伏电池反向饱和电流，单位：A ；

or I ——二极管反向饱和电流，单位：A ；

t K ——短路电流温度系数，单位：A/K ，一般取值为2.6×10-3； T ——光伏电池表而温度，单位:K,273+=t T ℃；

r T ——参考温度，单位：K ，一般取值为301.18；

G E ——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/m 2；

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1.38×10-23；

q ——电子电荷，单位：C ，一般取值为1.6×10-19；

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

)62(-=ph sc I I

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 ，D U 即为太阳电池的端电压U ，当太阳电池的输出端开路时，

()720

-=--=sh D ph I I I I 将式（2-3）带入式（2-7）整理可获得开路电压

()821ln 0-???

? ??+=I I q AkT U ph oc 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 ()[]()()821exp 10000-+-????????????-+--+=sh s s r t sc R IR U AkT IR U q I G T T K I I

上文提到，由于sh 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，当光照较强时，光电流ph I 远远大于流经并联电阻sh R 的电流sh s sh

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

()[]()()921exp 10000-????????????-+--+=AkT IR U q I G T T K I I s r t sc

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/m 2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–安特性曲线如图3所示．负载R 可以从零到无穷大．当负载m R 使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率m P 为

)102(-=m m m U I P

表3-1 光伏阵列STP0950S-36在标准测试条件下的参数

式中m I 和m U 分别为最佳工作电流和最佳工作电压．将oc U 与sc I 的乘积与最大功率m p 之比定义为填充因子FF ，则

)112(-==SC OC m

m SC OC m I U I U I U P FF

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 η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in P 之比，即

)122(%100-?=in m P P η

从式（2-8）可以看出，光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sc I ，并且与日照强度成正比，与温度成一定的线性关系。同时，开路电压也与二者有密切的关系，如下:

()

()112--+=r T ocs oc T T K U U

式中， ocs U ——标准测试条件下的开路电压，单位：V ；

T K ——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m I 、m U ，有

()122136exp 0-?

?????-???? ?

?+-=t s m m ph m V R I U I I I 这里取理想因子1=A ，则在温度T=25℃下，则在标准测试条件下的串联等效电阻

()13255.01ln 360-Ω=-???? ??+-=m m m ph t s I U I I I V R

若得知在不同温度T 和光照强度G 下的最大功率点(m U 、m I )，就可求得不同气候条件下的s R 。但由于数据有限，并且s R 值较小，可采用恒定s R 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ph I 、反向饱和电流o I 和串联等效电阻s R ，根据上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增大，从总体上看，温度的上升会使光伏电池的输出功率减小。

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3-4 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3-7 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。

（a ）P-U 特性曲线

（b ）I-U 特性曲线