【文章內(nèi)容簡介】 池板輸出的功率受溫度、光照強(qiáng)度的影響比較大。 太陽能電池的分類 太陽能電池多為半導(dǎo)體材料制造，發(fā)展至今，己經(jīng)種類繁多，形式多樣。下面按照材料進(jìn)行分類并且加以介紹。1． 硅太陽能電池 指以硅為基體材料的太陽能電池，有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池等。其中，單晶硅太陽電池效率高、壽命長、性能優(yōu)良，但成本高，而且限于單晶的尺寸，單片太陽電池面積難以做得很大。多晶硅電池成本比單晶硅低，單片電池也可以做得比較大，效率比單晶硅電池低。非晶硅太陽電池對(duì)太陽光的吸收系數(shù)大，因而非晶硅太陽電池可以做得很薄，通常是單晶硅或多晶硅電池的五百分之一，所以制作非晶硅太陽電池資源消耗少。非晶硅太陽電池存在的問題是光電轉(zhuǎn)換率偏低，目前效率一般在6%左右。2． 化合物半導(dǎo)體太陽能電池 指由兩種或兩種以上元素組成的具有半導(dǎo)體特性的化合物半導(dǎo)體材料制成的太陽能電池，如硫化福太陽能電池、砷化嫁太陽能電池等。3． 有機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池 指用含有一定數(shù)量的碳一碳鍵且導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間的半導(dǎo)體材料制成的太陽能電池。4． 薄膜太陽能電池 指用單質(zhì)元素、無機(jī)化合物或有機(jī)材料制成的薄膜為基體材料的太陽能電池。目前主要有非晶硅薄膜太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池、化合物半導(dǎo)體薄膜太陽能電池、納米晶薄膜太陽能電池、微晶硅薄膜太陽能電池等。 此外，按照應(yīng)用還可將太陽能電池分為空間太陽能電池和地面太陽能電池兩大類。地面太陽能電池又可分為電源太陽能電池和消費(fèi)品用太陽能電池兩種?？臻g太陽能電池的主要要求是耐輻射性好、可靠性高、光電轉(zhuǎn)換效率高、功率面積比和功率質(zhì)量比優(yōu)等。 太陽能電池的基本工作原理 太陽能電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把太陽光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件。 太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)，是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。所謂光生伏打效應(yīng)，簡單地說，就是當(dāng)物體受到光照時(shí)，其體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢和電流的一種效應(yīng)?，F(xiàn)將半導(dǎo)體太陽能電池的發(fā)電過程概括成如下4點(diǎn)： 。 ，激發(fā)出非平衡載流子(光生載流子)一一電子一空穴對(duì)。這些電子和空穴應(yīng)有足夠的壽命，在它們被分離之前不會(huì)復(fù)合消失。 ，電子一空穴對(duì)被分離，電子集中在一邊，空穴集中到一邊，在PN結(jié)兩邊產(chǎn)生異性電荷的積累，從而產(chǎn)生光生電動(dòng)勢，即光生電壓。 ，并接上負(fù)載，則在外電路中即有光生電流通過，從而獲得功率輸出，這樣太陽能電池就把太陽能(或其他光能)直接轉(zhuǎn)換成了電能。 當(dāng)太陽光(或其他光)照射到PN結(jié)時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的原子由于獲得了光能而釋放電子，相應(yīng)地便產(chǎn)生了電子一空穴對(duì)，并在勢壘電場的作用下，電子被驅(qū)向N型區(qū)，空穴被驅(qū)向P型區(qū)，從而使N區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，于是就在PN結(jié)的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場的一部分抵消勢壘電場，其余部分使P型區(qū)帶正電、N型區(qū)帶負(fù)電，于是就使得P區(qū)與N區(qū)之間的薄層產(chǎn)生了電動(dòng)勢，即光生伏打電動(dòng)勢。當(dāng)接外電路時(shí)，便有電能輸出。這就是PN結(jié)太陽能電池發(fā)電的基本原理。如圖31所示： 圖31 光生伏打效應(yīng)原理圖 太陽能電池的等效電路太陽能電池的等效電路如圖32所示： 圖32 光照時(shí)太陽能電池的等效電路其中： :是短路電流，就是將太陽能電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，在輸出端短路時(shí)，流過太陽能電池兩端的電流。它的值與太陽能電池的面積大小、光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度成正比。 為太陽能電池的輸出值，當(dāng)太陽能電池兩端開路時(shí)，太陽能電池輸出的電壓值為開路電壓，與太陽光輻射強(qiáng)度有關(guān)系，而與電池板面積的大小沒有關(guān)系。開路電壓值隨著光照強(qiáng)度的升高而升高。 為通過PN結(jié)的總擴(kuò)散電流。 為串聯(lián)電阻，主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和電極與硅表面間接接觸電阻所組成。 為并聯(lián)電阻，是電池邊緣漏電或者耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流引起的。根據(jù)太陽能電池等效電路和電子學(xué)理論，太陽能電池的電流方程可以用下式表示： (31)式中： ——太陽能電池輸出電流，A； ——電子電荷常數(shù)，為； ——反向飽和電流，A； ——常數(shù)因子(正偏電壓大時(shí)A值為1，正偏電壓小時(shí)A值為2)； ——波爾茲曼常數(shù)，； ——絕對(duì)溫度，K。 通常情況下，一個(gè)理想的太陽能電池，串聯(lián)電阻很小，而并聯(lián)電阻很大。由于和分別串聯(lián)和并聯(lián)在電路中，所以在進(jìn)行理想的電路計(jì)算時(shí)，它們可以忽略不計(jì)，太陽能電池的電流方程可化為： (32) 當(dāng)電路外接負(fù)載接時(shí)，設(shè)太陽能電池輸出電流為，則輸出功率為： (33) 太陽能電池的IV特性 在特定的太陽光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，由公式33可知，當(dāng)外接電阻R，從0變化到無窮大時(shí)，可以得出太陽能電池負(fù)載特性曲線，曲線如圖33所示。與曲線上的任一點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)即為太陽能電池的工作電壓和工作電流。當(dāng)調(diào)節(jié)負(fù)載電阻R到某一值時(shí)，太陽能輸出功率為最大值，此工作點(diǎn)即為太陽能電池最大功率點(diǎn)。該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的功率稱為最大功率點(diǎn)功率，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓稱為最大功率點(diǎn)電壓，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流稱為最大功率點(diǎn)電流： = (34) 太陽能電池的IV特性曲線對(duì)于分析太陽能電池非常重要，由圖可以看出太陽能電池是一個(gè)既非恒壓源又非恒流源的非線性直流電源。 圖33 太陽能電池負(fù)載曲線 根據(jù)太陽能電池的IV特性曲線，在給定溫度和日照強(qiáng)度下，可以定義出幾個(gè)重要的技術(shù)參數(shù):(1)短路電流：電池板所能輸出的最大電流() (2)開路電壓：電池板所能輸出的最大電壓 (3)最大功率點(diǎn)電流：電池板最大功率點(diǎn)上的電流 (4)最大功率點(diǎn)電壓：電池板最大功率點(diǎn)上的電壓 (5)最大功率點(diǎn)電壓：電池板最大功率點(diǎn)上的功率 太陽能電池的輸出電流直接受到日照強(qiáng)度的影響，在特定溫度下，太陽能電池在不同日照強(qiáng)度下的IV特性曲線如圖34所示: 圖34 不同日照強(qiáng)度下的太陽能電池板的IV特性曲線 由圖34可以看出在一定的溫度下，隨著太陽光照強(qiáng)度的增加，太陽能電池板輸出電流增加比較大，而輸出電壓變化卻比較小，可以看出光照強(qiáng)度對(duì)太陽能電池輸出電流的影響比較大。 圖35 不同光照強(qiáng)度下的PV曲線 由圖35可以看出，在一定的溫度下，隨著太陽光照強(qiáng)度的增加，太陽能電池板輸出的功率也在增加。 在特定的太陽光照強(qiáng)度下，太陽能電池板的輸出電壓直接受到環(huán)境溫度的影響，太陽能電池在不同的溫度下的IV特性曲線如圖36所示： 圖36 不同溫度下太陽能電池板的IV特性曲線 由上圖可以看出在一定的光照強(qiáng)度下，隨著溫度的變化，太陽能電池板輸出電壓變化比較大，輸出電流變化比較小，隨著溫度的增加，輸出電壓在減小，輸出電流在增加。 圖37 不同溫度下太陽能電池板的PV特性曲線由圖37可以看出太陽能電池具有負(fù)溫度系數(shù)。在一定的光照強(qiáng)度下，隨著溫度的升高，太陽能電池板輸出的功率也會(huì)相應(yīng)地減小。 第四章 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù) 通過第三章的分析可知，光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況影響。在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在輸出某一電壓值時(shí)，光伏電池的輸出功率才能達(dá)到最大值，這是光伏電池的工作點(diǎn)就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point, MPP)。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過程就稱為最大功率點(diǎn)跟蹤。 MPPT算法的原理 最大功率點(diǎn)跟蹤控制(MPPT)策略通過不斷地檢測光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，運(yùn)用控制算法來估算當(dāng)前情況下系統(tǒng)輸出的最大功率，通過調(diào)整當(dāng)前的負(fù)載阻抗匹配來實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。這樣就可以在光伏發(fā)電系統(tǒng)因結(jié)溫升高而使得陣列輸出功率降低時(shí)，仍可以保證整個(gè)系統(tǒng)在當(dāng)前工況下運(yùn)行于最佳的匹配狀態(tài)。 圖41 MPPT基本原理示意圖 為便于說明，圖41給出了光伏陣列工作于不同輻照強(qiáng)度條件下的兩組輸出特性曲線IU，A點(diǎn)和B點(diǎn)分別為特性曲線1和特性曲線2的最大功率輸出點(diǎn)。假設(shè)光伏系統(tǒng)某一時(shí)刻工作在A點(diǎn)，當(dāng)輻照強(qiáng)度變化時(shí)，光伏系統(tǒng)的輸出特性由特性曲線1上升為特性曲線2。此時(shí)如果保持負(fù)載1不變，光伏系統(tǒng)將會(huì)運(yùn)行到a點(diǎn)，這樣便會(huì)偏離新條件下的系統(tǒng)最大功率點(diǎn)B。為了能夠跟蹤到最大功率點(diǎn)，可將負(fù)載特性曲線由負(fù)載1改變至負(fù)載2，從而保證系統(tǒng)仍然處于新條件下的最大功率點(diǎn)B。同理，如果輻照強(qiáng)度的變化使得特性由曲線2下降至曲線1，則相對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)會(huì)由B變化到b點(diǎn)，而實(shí)際情況應(yīng)該是使負(fù)載特性曲線由負(fù)載2改變至負(fù)載1，以保證光伏系統(tǒng)在輻照強(qiáng)度發(fā)生變化情況下仍然可以運(yùn)行于最大功率點(diǎn)A。 MPPT常規(guī)跟蹤算法 MPPT的本質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)過程，通過控制輸出端電壓或其它參數(shù)量，使得光伏陣列在不同的溫度和輻照強(qiáng)度下均能夠輸出最大功率。實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制的方法很多，常用的MPPT方法有：電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀察法、恒定電壓法、滯環(huán)比較法、最優(yōu)梯度法等。其中，前三種方法在實(shí)際應(yīng)用中較為常見，本章節(jié)主要介紹該三種算法。 恒定電壓法 由上一章節(jié)可知，當(dāng)光伏陣列的輻照強(qiáng)度大于某一定值且溫度變化不大時(shí)，光伏陣列輸出特性曲線上最大功率點(diǎn)基本分散在一條豎直直線的兩邊。如果將光伏陣列輸出電壓控制在最大功率點(diǎn)電壓的附近，光伏陣列將輸出近似的最大功率，這種控制方法稱之為恒定電壓法CVT(Constant Voltage Tracking)。研究表明，光伏陣列的最大功率點(diǎn)電壓Umpp。與光伏陣列的開路電壓Uoc之間存在近似的線性關(guān)系，即 Umpp=kUOC (41)其中，k的值取決于光伏陣列的特性。 圖42 恒定電壓法示