【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 光伏電池。 ⑤ 疊層光伏電池。指將兩種對(duì)光波吸收能力不同的半導(dǎo)體材料疊在一起構(gòu)成的光伏電池。 ⑥ 濕式光伏電池。指在兩側(cè)涂有光活性半導(dǎo)體膜的導(dǎo)電玻璃中間加入電解液而構(gòu)成的光伏電池。 按電池材料分類 ① 硅形光伏電池。包括單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池和非晶硅光伏電池。其中：?jiǎn)?晶硅材料結(jié)晶完整，載流子遷移率高，串聯(lián)電阻小，光伏轉(zhuǎn)換效率最高，可達(dá) 20%左右，但成本比較昂貴；多晶硅材料晶體方向無(wú)規(guī)律。由于在這種材料中的正、負(fù)電荷有一部分會(huì)因?yàn)榫w晶界連接的不規(guī)則性而損失，所以不能全部被 PN結(jié)電場(chǎng)所分離，使之效率一般要比單晶硅光伏電池低，但多晶硅光伏電池成本較低；非晶硅材料基本被制成薄膜電池形式，其造價(jià)廉價(jià)，但光電轉(zhuǎn)換效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體硅光伏電池，目前主要用于弱光性電源，如手表，計(jì)算器等的電池。 ② 非硅半導(dǎo)體光伏電池。主要有硫化鎘光伏電池和砷化鎵光伏電池，硫化鎘分單晶或多 晶兩種，它常與其他半導(dǎo)體材料合成使用。 ③ 有機(jī)光伏電池。主要由一些有機(jī)的光電高分子材料構(gòu)成的光伏電池。 2． 2 光伏電池的工作原理 光伏發(fā)電應(yīng)用首要解決的是怎樣將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。光伏電池就是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成的，它是一種能將太陽(yáng)能輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換器件。由若干個(gè)這種器件封裝成光伏電池組件，再根據(jù)需要將若將若干個(gè)組件合成一定功率的光伏陣列，并與儲(chǔ)能、測(cè)量、控制等裝置相配套，即構(gòu)成光伏發(fā)電系統(tǒng)。 PN結(jié)簡(jiǎn)介 當(dāng)導(dǎo)電類型不同的 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體緊密接觸在一起，在交界面上就會(huì)出現(xiàn)電 子和空穴的濃度差， N區(qū)電子濃度高， P區(qū)空穴濃度高，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。擴(kuò)散流的強(qiáng)弱正比于電子和空穴的濃度差。在擴(kuò)散作用下， N區(qū)的一部分電子進(jìn)入 P區(qū)， P區(qū)得一部分空穴進(jìn)入 N區(qū)，結(jié)果在交界面附近， P區(qū)一邊因失去了帶正電的空穴和接受了帶負(fù)電的電子，呈現(xiàn)負(fù)電性； N區(qū)一邊因失去帶負(fù)電的電子和接受了帶正電 5 的空穴，而呈現(xiàn)正極性。由于正負(fù)電荷的相互吸引，在 P區(qū)和 N區(qū)的交界面附近形成一個(gè)空間電荷區(qū)，并產(chǎn)生一個(gè)稱為勢(shì)壘電場(chǎng)的內(nèi)建電場(chǎng)，其方向從帶正電荷的 N區(qū)指向帶負(fù)電荷的P區(qū)，這就是通常所說(shuō)的半導(dǎo)體 PN結(jié)。 勢(shì)壘電場(chǎng)的建立反過(guò)來(lái)又對(duì)上述多數(shù)載流子（ N區(qū)的電子和 P區(qū)的空穴）的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻礙作用。進(jìn)入 P區(qū)的電子和進(jìn)入 N區(qū)的空穴在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，帶負(fù)電的電子受到被拉回 N區(qū)的力作用，帶正電的空穴則受到被拉回到 P區(qū)的力作用。這種載流子在勢(shì)壘電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)成為漂移運(yùn)動(dòng)。漂移流正好和上述交界面的擴(kuò)散流方向相反。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)共存，在一定的溫度和光照下，這兩種作用相互矛盾又相互聯(lián)系的統(tǒng)一在一個(gè)整體內(nèi)，最后達(dá)到平衡，這就是 PN結(jié)的形成過(guò)程。光伏電池正是利用了光激發(fā)少數(shù)載流子通過(guò) PN結(jié)而發(fā)電的。 光伏電池的工作原理 光伏電池是不加偏置的 PN結(jié)器件，如圖 ，當(dāng)入射光子能量 hv≥ E時(shí)，半導(dǎo)體中原子就因吸收光子能量而產(chǎn)生電子 —— 空穴對(duì)。在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)作用下， P區(qū)光生電子進(jìn)入 N區(qū)，在 N區(qū)邊界積累； N區(qū)光生空穴進(jìn)入 P區(qū)，在 P區(qū)邊界積累。于是在 P區(qū)和 N區(qū)間建立光生電動(dòng)勢(shì)，它的方向與內(nèi)建電場(chǎng)相反。光生載流子的運(yùn)動(dòng)，由于中和掉部分空間電荷，使 PN結(jié)勢(shì)壘減低，引起正向注入。當(dāng)光生電流，：和正向電流 JF大小相等時(shí)，對(duì)應(yīng)一定的勢(shì)壘高度 (％一 y)。這個(gè)電壓 V，相當(dāng)于 P區(qū)相對(duì) N區(qū)有一個(gè)電壓，它就是光生電壓。接通外 電路，只要保持光照，就會(huì)有電流不斷地流過(guò)負(fù)載 R，這個(gè)效應(yīng)就是光伏效應(yīng)，是光伏電池的基本原理。 圖 光伏電池的工作原理 P 電 場(chǎng) N+ V h v 2． 3 光伏電池的電氣特性 2． 3． 1 光伏電池輸出特性方程 光伏電池相當(dāng)于具有與受光面平行的極薄 PN截面的大面積的等效二極管，其等效電路如圖 。 6 圖 由圖 21中電流的流向可得光伏電池的輸出特性方程： { e x p [ / ( ) ] 1 } ( ) /L G d s hL G s s s hI I I I RI I o s q A K T V I R V I R R????? ? ? ? ? （ 21） 3[ / ] e xp[ / ( 1 / 1 / ) ]GOI os I or T Tr qE B K Tr T?? （ 22） [ 1 ( 2 9 8 ) ] / 1 0 0 0L G S C RI I K T ?? ? ? （ 23） 上述三個(gè)公式的參數(shù)解析詳見表 。一般討論實(shí)際等效電路時(shí)，可忽略 Rs或 Rsh對(duì)光伏電池等效電路進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：串聯(lián)電阻 Rs越大，則短路電流會(huì)越小，但不會(huì)對(duì)開路電壓造成大影響；并聯(lián)電阻 Rsh越大，則開路電壓會(huì)變小，但不會(huì)影響到短路電流。在發(fā)電效率上，似乎輸出電流對(duì)輸出功率的影響程度會(huì)較大，加上影響開路電壓的因素除了 Rsh外還包括二極 管的電流值，因此 R。對(duì)光伏電池的發(fā)電效率的影響較為明顯。因此，在下面的討論中將忽略 Rsh，并且得到簡(jiǎn)化的光伏電池輸出特性方程如公式 24。 { e xp [ / ( ) ] 1 }L G OS q AK T V IRsI I I ???? （ 24） 表 2． 1光伏電池等效模型參數(shù)解析 符號(hào) 描述 單位 數(shù)值 I 光伏電池輸出電流 A V 光伏電池輸出電壓 V IOS 光伏電池暗飽和電 流 A T 光伏電池表面溫度 176。 K 7 K 波爾茲曼常數(shù) J/176。 K 10175。23 q 單位電荷 C 10175。19 K1 短路電流的溫度系 數(shù) A/176。 K λ 日照強(qiáng)調(diào) W/m178。 ISC 標(biāo)況下光伏電池短 路電流 A ILG 光電流 A EGO 半導(dǎo)體材料的禁帶 寬度 J 理想因子，一般介于 1和 2之間 Tr 參考溫度 176。 K Ior Tr下的暗飽和電流 A Rsh 光伏電池的并聯(lián)等 效電阻 Ω Rs 光伏電池的串聯(lián)等 效電阻 Ω 2． 3． 2 光伏電池模組與陣列 光伏電池模組 (Module)是由許多小單位的光伏電池經(jīng)由并聯(lián)或串聯(lián)組合所組成的。光伏電池串聯(lián)組合可以提高太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng) 的最高輸出直流電壓；光伏電池并聯(lián)組合可以提高太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的最高輸出直流電流。因此，通過(guò)對(duì)光伏電池串、并聯(lián)交替組合可以得到期望的直流電壓或電流。據(jù)此可以得到光伏電池模組的輸出特性方程： { e xp[ / ( ) ] 1 }L G O S SI npI npI q nsASK V I R? ? ? ? （ 25） 其中 ,np、 ns分別為模組中光伏電池的并聯(lián)、串聯(lián)個(gè)數(shù)。同樣，光伏電池陣列 (Array)是由許多小單位的模組經(jīng)由并聯(lián)或串聯(lián)組合所組成的。 表 2． 2 Siemens SP75在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的參數(shù) 電氣特性 規(guī)格 額定輸出最大功率 Pmax 75（ W） 額定電流 Im 17（ A） 8 額定電壓 Vm （ V) 短路電流 Isc (A) 開路電壓 Voc (A) 短路電流溫度系數(shù) (mA/176。 C） 開路電壓溫度系數(shù) （ V/176。 C) NOCT(NOrmal OPerating Cell TemPerature) 45177。 2(176。 C） 表 Siemens公司生產(chǎn)的 SP75型號(hào)的光伏電池模組的各項(xiàng)參數(shù)。它由 36個(gè)單結(jié)晶矽光伏電池串聯(lián)而成，根據(jù)公式（ 25），設(shè)在參考條件下 Isc為短路電流， Voc為開路電壓， Im、 Vm為最大功率點(diǎn)電流和電壓，則當(dāng)光伏電池陣列電壓為 V，得到該光伏電池模組的輸出特性方程： 1 ( 2 )1[1 ( 1) ]C V ocVSCI I C e? ? ? （ 26） 考慮溫度和太陽(yáng)輻射影響時(shí)： 2( ) /( )1[1 ( 1 )OCV D V C VscI I C e D I?? ? ? ? （ 27） 其中： r e f r e f S CR/ R D T +( R/ R ) IDI ?? ? ? ? （ 27） SDV DT R DI??? ? ? ? （ 27） refDT T T?? （ 210） 下面將運(yùn)用 SIMULINK對(duì)該光伏電池模組進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。 2． 4 光伏電池的仿真實(shí)現(xiàn) 2． 4． 1仿真原理與模型 在公式（ 26）中有 C C2,下面對(duì)這兩個(gè)未知量進(jìn)行討論，分別建立模型。 1，求解未知量 C1 其中 2/( )m1 (1 I / ) m O CV C VscC I e ??? （ 211） 按公式（ 27）可以創(chuàng)建 C1的子模塊 9 圖 C1模型圖 2，求解未知量 C2 其中 m2 ( / 1 ) /{ l n( 1 I / ) }m oc scC V V I? ? ? （ 212） 按公式（ 28）可以創(chuàng)建 C2的子模塊 圖 C2模型圖 完成上述兩個(gè)未知量的求解，根據(jù)公式（ 26）即可實(shí)現(xiàn) Siemens SP75光伏電廠 模組的建模，如圖 。采用 V、 T、λ作為輸入， I、 P(輸出功率 P=IV)作為輸出。輸入變量 V在 0～30V之問(wèn)，模擬溫度 T=25℃、日照強(qiáng)度 A在 200～ 1250W／㎡，得到光伏電池模組的， IV、 PV關(guān)系如圖 ；模擬溫度 T在 20～ l00℃、日照強(qiáng)度λ =750W／㎡時(shí)，電池模組的 IV、 PV的關(guān)系如圖 。 10 2． 4． 2 光伏電池的特性分析 光伏電池利用太陽(yáng)能發(fā)電，因此其輸出電流、輸出電壓自然受到外界氣候因素如溫度、日照強(qiáng)度等的影響， 根據(jù) simulink的仿真結(jié)果可對(duì)這一特性進(jìn)行分析。 從圖 以看出，當(dāng)溫度不變，日照強(qiáng)度變大，光伏電池模組的開路電壓不變，短路電流增大，從而輸出功率變大。并且，從 P一 V曲線圖可以看出，最大輸出功率點(diǎn) Pmax幾乎落在同一根垂直線的兩側(cè)鄰近處。即當(dāng)溫度一定時(shí)，光伏電池輸出電壓保持恒定且為在某一日照強(qiáng)度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)處的電壓，則不管日照量如何變化，光伏電池可大致保持在該溫度下的最大功率輸出。這正是恒電壓跟蹤方式 CVT的理論依據(jù)?？梢?，日照強(qiáng)度的大小是影響光伏電池功率輸出的重要因素。 從圖 ，當(dāng)日照強(qiáng)度一定時(shí) ，溫度增加，光伏電池開路電壓有所下降，短路電流略有上升，因此輸出功率減小。并且，從 PV可以看出，對(duì)應(yīng)于溫度的變化， Pmax幾乎成線性變化。溫度的上升，會(huì)造成光伏電池輸出功率的減小，因此工作環(huán)境的溫度將會(huì)直接影響到光伏電池的效率。 圖 11 圈 (25℃ )，不同日照強(qiáng)度下，光伏模組對(duì)日照量變化的特性曲線圖： (a)光伏模組的輸出電流與輸出電壓的關(guān)系圖； (b)光伏模組的輸出功率與輸出電壓的關(guān)系圖。 （ a） （ b） 12 圖 (750W／㎡ )，不同大氣溫度下，光伏模組對(duì)溫度變化的特性曲線圖： (a)光伏模組的輸出電流與輸出電壓的關(guān)系圖； (b)光伏模組的輸出功率與輸出電壓的關(guān)系圖 （ a） （ b） 13 從上面的圖形我們可以總結(jié)出，光伏電池的非線性表現(xiàn)的很明顯，即： 光伏電池的輸出電流和輸出功率取決于電池的端電壓、溫度以及太陽(yáng)照射強(qiáng)度。比較它們的曲線變化我們可以觀察到，隨著太陽(yáng)照射強(qiáng)度的增大，光伏組件的短路電流增加 ，同時(shí)最大輸出功率也增加。其原因是：開路電壓與太陽(yáng)能照射強(qiáng)度成對(duì)數(shù)上升而短路電流只與太陽(yáng)能照射強(qiáng)度成正比。另一方面，同時(shí)通過(guò)比較我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著工作溫度的升高，光伏電池的短路電流增加而最大輸出功率減小。因?yàn)檩敵鲭娏鞯脑黾舆h(yuǎn)小于電壓的下降，所以在高溫下凈功率有所減小。 2． 5 小結(jié) 太陽(yáng)能作為綠色能源，取之不絕、用之不盡。光伏電池利用太陽(yáng)光發(fā)電，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，輸出功率。光伏電池的輸出受到電池表面溫度、日照強(qiáng)度等外界環(huán)境因素的影響，且具有明顯的非線性。因此，當(dāng)外界因素發(fā)生變化時(shí)，光伏電池很難保證最大功率 的輸出，從而造成能源上的浪費(fèi)。光伏電池轉(zhuǎn)換效率低成為光伏系統(tǒng)的一個(gè)主要問(wèn)題。因此，如何進(jìn)一步提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，即如何跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，一直是光伏系統(tǒng)研究的重要方向。 第三章 最大功率點(diǎn)跟蹤算法的研究 光伏發(fā)電具有無(wú)污染、無(wú)噪音、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越來(lái)受到關(guān)注，在未來(lái)的供電系統(tǒng)中占有重要的地位。在前一章中提到光伏發(fā)電存在的問(wèn)題是光伏電池的輸出特性受外界環(huán)境影響大，電池表面溫度和日照強(qiáng)度的變化都可以導(dǎo)致輸出特性發(fā)生較大的變化。并且，光伏電池轉(zhuǎn)換效率低、價(jià)格昂貴。初期投入較大。因此 ，充分利用光伏電池所產(chǎn)生的能