第三章--光伏阵列基本原理及工作特性Word文件下载.docx
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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,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、并联二极管、并联电阻和串联电阻组成。
——光伏电池经由光照射后所产生的电流;
——材料内部等效并联电阻,旁路电阻;
——材料内部等效串联电阻;
——光伏电池输出电流;
——光伏电池输出电压;
——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;
并联电阻和串联电阻受材料本省影响,由硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起的,一般为几千欧;
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,是考虑横向电流时的等效电阻;
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:
上式中:
——参考条件下短路电流,单位:
A;
——二极管暗电流,单位:
——光伏电池反向饱和电流,单位:
——二极管反向饱和电流,单位:
——短路电流温度系数,单位:
A/K,一般取值为2.6×
10-3;
——光伏电池表而温度,单位:
K,℃;
——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;
——二极管品质因子,取值范围在1-2之间;
——玻尔兹曼常数,单位:
J/K,一般取值为1.38×
10-23;
——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(),此时光伏电流全部流向外部的短路负载,短路电流几乎等于光电流
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,即为太阳电池的端电压U,当太阳电池的输出端开路时,
将式(2-3)带入式(2-7)整理可获得开路电压
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
上文提到,由于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,光电流远远大于流经并联电阻的电流,所以我们将忽略,得到简化后的I-U输出特性方程为
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.当负载使太阳电池的功率输出为最大时,它对应的最大功率为
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/℃)
-0.77
短路电流温度系数(A/℃)
2.06×
10-3
式中和分别为最佳工作电流和最佳工作电压.将与的乘积与最大功率之比定义为填充因子FF,则
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h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之比,即
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,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:
式中,
——标准测试条件下的开路电压,单位:
V;
——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、,有
这里取理想因子,则在温度T=25℃下,则在标准测试条件下的串联等效电阻
若得知在不同温度和光照强度下的最大功率点(、),就可求得不同气候条件下的。
但由于数据有限,并且值较小,可采用恒定的方法来近似模拟。
3.3基于Simulink的光伏阵列仿真
完成对前面光生电流、反向饱和电流和串联等效电阻,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
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。
(a)P-U特性曲线
(b)I-U特性曲线
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。
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。
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- 第三 阵列 基本原理 工作 特性