畢業(yè)論文第二章 光伏電池的基本原理及工作電路

1、 第二章 光伏電池模型及MPPT技術(shù)原理 光伏電池是可以將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的電子器件，其輸出功率尤其受光照強(qiáng)度、電子器件溫度的影響。為了將太陽(yáng)能最大限度地轉(zhuǎn)化為電能，提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率，對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤則是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，必須對(duì)光伏電池的工作原理和特性進(jìn)行詳盡的研究，了解其是如何將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能，其轉(zhuǎn)化過(guò)程受哪些因素的影響，以及如何提高光電轉(zhuǎn)化的效率?；诖?，研究光伏電池的工作特性勢(shì)在必行。1、 太陽(yáng)能光伏電池模型1、光伏電池的工作原理光伏電池的基本結(jié)構(gòu)是PN結(jié)，當(dāng)受到外界光照時(shí)，PN結(jié)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象就稱為光生伏特效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)

2、光照射到光伏電池表面時(shí)，一部分光子被反射回去，如光子1；一部分光子會(huì)在離PN結(jié)較遠(yuǎn)的地方被吸收，如光子2，它們?cè)趶?fù)合還原的過(guò)程中無(wú)法產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)；一部分光子因其本身動(dòng)能較小，在剛進(jìn)入PN結(jié)時(shí)，就被吸收，無(wú)法產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，而且會(huì)使光伏電池本身的溫度升高，如光子3；還有一部分光子在射入光伏電池沒(méi)有被吸收，如光子4；而真正產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的是那些在PN結(jié)附近被吸收的光子，如光子5；在PN結(jié)內(nèi)部原子的價(jià)電子受到太陽(yáng)光子的激發(fā)產(chǎn)生處于非平衡狀態(tài)的空穴-電子對(duì)，在PN結(jié)內(nèi)部形成勢(shì)壘電場(chǎng)，此時(shí)，我們可以把空穴理解為正電荷，電子理解為負(fù)電荷，當(dāng)空穴-電子對(duì)處在勢(shì)壘電場(chǎng)時(shí)，會(huì)受到電場(chǎng)力的作用，使得空穴向P區(qū)漂移，而電子則

3、向N區(qū)漂移，至此，在PN結(jié)附近會(huì)形成一個(gè)與勢(shì)壘電場(chǎng)相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)的一部分與勢(shì)壘電場(chǎng)相抵消，另一部分則使得P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，而在P區(qū)和N區(qū)之間，就產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，只要在外部接上負(fù)載，便可以向負(fù)載輸出直流電，形成一個(gè)小小的直流電源，使負(fù)載獲得電能。以上的整個(gè)過(guò)程就是光生伏特效應(yīng)，而這同樣也是光伏電池的基本工作原理。 圖2-1 PN結(jié)受光照激發(fā)空穴-電子對(duì)圖 圖2-2 光伏電池的光生伏特效應(yīng)圖 2、光伏電池模型 光伏電池模型有兩類，一類是物理模型，另一類是外部特性模型。物理模型比較復(fù)雜，主要通過(guò)仔細(xì)研究光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。外部特性是指通過(guò)分析其運(yùn)行特性，來(lái)得出一個(gè)等效的模型電路?；?/p>

4、上述，光伏電池是利用光生伏特效應(yīng)的原理而制成，PN結(jié)是光伏電池的核心部件，每一個(gè)小的光伏電池單元的外特性模型可以看成是一個(gè)恒流源與一只正向二極管的并聯(lián)，這種形式被稱作是光伏電池的單二極管形式，如下圖（a）所示。在此基礎(chǔ)上，為了更好更精確地反映光伏電池的非線性特性，還會(huì)把它看做一個(gè)恒流源與兩只正向的二極管相并聯(lián)，這種形式稱為光伏電池的雙二極管形式，如下圖（b）所示。 圖2-3 光伏電池的等效電路圖2-3中，Iph表示光伏電池內(nèi)部的光生電流，與光伏電池的采光面積、太陽(yáng)光的入射強(qiáng)度成正比；ID表示光伏電池內(nèi)部的暗電流，反映在當(dāng)前環(huán)境溫度下，光伏電池PN結(jié)的總擴(kuò)散電流變化情況，是指在沒(méi)有光照的情況下，

5、光伏電池在外電壓作用下，PN結(jié)流過(guò)的單向電流；IL表示光伏電池輸出給外部負(fù)載的電流；UD表示等效二極管的端電壓；Uoc表示光伏電池的開(kāi)路電壓，它與入射光的光照強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比，與環(huán)境溫度成反比，與光伏電池的采光面積大小無(wú)關(guān)；RL表示外部負(fù)載電阻；Rs表示光伏電池內(nèi)部等效串聯(lián)電阻，大小一般不超過(guò)1k，主要由光伏電池的體電阻、PN結(jié)擴(kuò)散層橫向電阻、電極導(dǎo)體電阻、與硅表面間接觸電阻、線路導(dǎo)體電阻等組成；Rsh表示光伏電池內(nèi)部等效旁路電阻，大小一般為幾千歐，由光伏電池外表面污濁、半導(dǎo)體晶體缺陷引起的漏電流對(duì)應(yīng)的PN結(jié)的泄露電阻、光伏電池邊緣的漏泄電阻等組成。 3、光伏電池的伏安特性與電阻效應(yīng) （1）伏

6、安特性光伏電池的電壓-電流關(guān)系曲線稱為光伏電池的伏安特性曲線。如圖2-4所示，光伏電池的短路電流Isc是伏安特性曲線與電流軸的交點(diǎn)，而開(kāi)路電壓則是伏安特性曲線與電壓軸的交點(diǎn)。由電功率P=UI可知，當(dāng)P一定時(shí)，可以在伏安特性曲線圖上作出幾條等功率曲線，其中必有一條曲線與光伏電池的伏安特性曲線相切，而切點(diǎn)就被稱作為光伏電池的最大功率工作點(diǎn)M，該條功率曲線就是光伏電池的最大輸出功率曲線，Im電流值稱為最佳輸出電流，Um電壓值稱為最佳輸出電壓，而Im與Um所圍的矩形面積即為伏安特性曲線所能包圍的最大面積，通常稱作光伏電池的最大輸出功率Pm，從原點(diǎn)到M點(diǎn)的直線被稱作最佳負(fù)載線（RL=Rm）。 圖2-4

7、光伏電池的伏安特性曲線 （2）電阻效應(yīng)光伏電池的特征電阻就是電池在輸出最大功率時(shí)的輸出電阻，如圖2-4所示的M點(diǎn)。如果外部的電阻大小與光伏電池的電阻大小相等，則電池的輸出功率達(dá)到最大值，即光伏電池工作在最大功率點(diǎn)。光伏電池的電阻效應(yīng)降低了光伏電池本身的發(fā)電效率。常見(jiàn)的寄生電阻為上述所提到的串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh。串聯(lián)電阻對(duì)光伏電池的伏安特性曲線在最大功率點(diǎn)附近的形狀有較大的影響，并且隨著串聯(lián)電阻的增加，光伏電池的效率近似呈指數(shù)衰減。并聯(lián)電阻對(duì)光伏電池造成的功率損失通常是由于其本身的制造工藝缺陷而引起，由于并聯(lián)電阻的分流作用，使得流過(guò)PN結(jié)的電流減小，同時(shí)光伏電池的電壓也隨之降低，尤其在光

8、照強(qiáng)度很弱的時(shí)候，并聯(lián)電阻的存在，使得光伏電池的電流很小很小，對(duì)光伏電池的影響非常大。二、MPPT技術(shù)1、影響最大功率點(diǎn)的因素光伏電池的輸出特性受很多因素的影響，例如：光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、負(fù)載狀態(tài)等都會(huì)使光伏電池的輸出特性發(fā)生明顯的變化。誠(chéng)然，光伏電池在不同條件下的最大功率點(diǎn)的位置也會(huì)有不同的變化。圖2-5表示在環(huán)境溫度為25時(shí)，光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池的電壓（U）-電流（I）特性的影響；圖2-6表示光照強(qiáng)度為1000W/時(shí)，不同的環(huán)境溫度對(duì)光伏電池電壓（U）-電流（I）特性的影響。 圖2-5 不同光照（25） 圖2-6 不同溫度（1000W/）從圖2-5中可以看出，在一定的環(huán)境溫度下，電壓（U）-

9、電流（I）特性曲線會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增加，光伏電池特性曲線近似整體向上平移，可以看出，短路電流Isc隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而明顯增大，而開(kāi)路電壓Uoc則隨著光照強(qiáng)度升高略微增大。從圖2-6中可以看出，在一定的光照強(qiáng)度下，隨著溫度的升高，光伏電池的開(kāi)路電壓Uoc向左偏移，可以看出，溫度對(duì)開(kāi)路電壓Uoc有顯著影響，而短路電流Isc則受溫度變化影響不大，只是略有增大。圖2-7表示在環(huán)境溫度為25時(shí)，不同的光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池功率（P）-電壓（U）特性的影響；圖2-8表示在光照強(qiáng)度為1000W/時(shí)，不同的環(huán)境溫度對(duì)光伏電池功率（P）-電壓（U）特性的影響。 圖2-7 不同光照（25） 圖2-8 不同溫度（10

10、00W/）從圖2-7可以看出，在一定光照強(qiáng)度下，光伏電池的功率（P）-電壓（U）特性曲線存在一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)，在該點(diǎn)左邊區(qū)域，光伏電池的輸出功率隨著輸出端電壓的升高而升高，而在該點(diǎn)的右邊區(qū)域，輸出功率隨著端電壓的升高而降低。在不同的光照強(qiáng)度下，隨著光照強(qiáng)度的增加，輸出功率（P）-電壓（U）特性曲線，近似整體向上平移。從圖2-8可以看出，在一定的光照強(qiáng)度下，隨著溫度升高，光伏電池的開(kāi)路電壓向左平移，說(shuō)明溫度對(duì)光伏電池的特性曲線有顯著的影響，而特性曲線在最大功率點(diǎn)左邊的線性區(qū)域受溫度的影響變化甚微。另外，從圖2-5、圖2-6、圖2-7、圖2-8中的四組特性曲線可以看出，光伏電池的開(kāi)路電壓Uoc、

11、短路電流Isc也會(huì)受到光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的影響。其中，開(kāi)路電壓Uoc隨著溫度升高而明顯降低，而短路電流Isc則隨著光照強(qiáng)度的增加而明顯增加。2、 MPPT過(guò)程 由上述分析我們知道，光伏電池的輸出特性呈非線性特征，而且受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度影響很明顯。但在每一個(gè)特定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池都有一個(gè)特定的最大功率輸出點(diǎn)。當(dāng)光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度一定時(shí)，光伏電池的輸出功率也會(huì)隨著外部負(fù)載的變化而變化。從理論上來(lái)講，當(dāng)光伏電池與負(fù)載完全匹配時(shí)，負(fù)載的伏安特性曲線與光伏電池的最大功率點(diǎn)軌跡曲線即可緩慢地重合，使光伏電池處于高效率的輸出狀態(tài)。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，很難滿足上述完全匹配的條件。因此。為了提高光伏

12、發(fā)電系統(tǒng)的整體效率，有一個(gè)很重要的途徑就是實(shí)時(shí)變更光伏系統(tǒng)的負(fù)載特性，也就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使其能在不同的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下始終讓光伏電池工作在最大功率點(diǎn)附近，而以上的過(guò)程就是光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)。為了在諸多的影響因素下有效地利用光伏電池，使其發(fā)出更多的電能，輸出最大的功率，通常情況下需要在光伏發(fā)電系統(tǒng)中加一個(gè)MPPT控制策略或者算法，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載與光伏電池的最佳匹配。圖2-9是一個(gè)帶有MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。 圖2-9 帶有MPPT功能的光伏充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖現(xiàn)在討論在一定的光照強(qiáng)度下時(shí)，光伏系統(tǒng)MPPT控制過(guò)程及原理。以圖2-10為例，從圖中我們可以看到

13、有兩條在不同的光照強(qiáng)度下光伏電池的輸出特性曲線1和曲線2。在最初的光照強(qiáng)度條件下，光伏電池的輸出曲線為曲線1，負(fù)載的曲線為為1，光伏系統(tǒng)此時(shí)工作在最大功率點(diǎn)A1處，滿足光伏電池在最大功率點(diǎn)的工作條件。當(dāng)減少光照強(qiáng)度時(shí)，光伏電池的輸出特性曲線降為曲線2。如果維持原有的負(fù)載1不變，光伏電池的工作點(diǎn)會(huì)移至A2點(diǎn)，偏移該光照強(qiáng)度下應(yīng)處的最大功率點(diǎn)B1。此時(shí)若想讓光伏電池追蹤最大功率點(diǎn)B1，則應(yīng)將系統(tǒng)的負(fù)載1改為負(fù)載2。同樣的道理，如果讓系統(tǒng)穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)B1之后，光照強(qiáng)度再次加強(qiáng)，使光伏電池的輸出曲線由曲線2又回至曲線1，則此時(shí)系統(tǒng)的工作點(diǎn)相應(yīng)地會(huì)自動(dòng)由B1變化至B2。此時(shí)就要將負(fù)載2改回至負(fù)載1，使光伏系統(tǒng)在光照強(qiáng)度加強(qiáng)的情況下，再次變更工作點(diǎn)，使系統(tǒng)在新的條件下運(yùn)行在最大功率點(diǎn)A1。以上從A1工作點(diǎn)到B1工作點(diǎn)之間的往返跟蹤過(guò)程，稱為MPPT控制。 圖2-10 MPPT控制過(guò)程示意圖 由此，