【文章內(nèi)容簡介】 池板輸出的功率受溫度、光照強度的影響比較大。 太陽能電池的分類 太陽能電池多為半導體材料制造，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． 化合物半導體太陽能電池 指由兩種或兩種以上元素組成的具有半導體特性的化合物半導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． 有機半導體太陽能電池 指用含有一定數(shù)量的碳一碳鍵且導電能力介于金屬和絕緣體之間的半導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、無機化合物或有機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)，是半導體PN結(jié)的光生伏打效應。所謂光生伏打效應，簡單地說，就是當物體受到光照時，其體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應?，F(xiàn)將半導體太陽能電池的發(fā)電過程概括成如下4點： 。 ，激發(fā)出非平衡載流子(光生載流子)一一電子一空穴對。這些電子和空穴應有足夠的壽命，在它們被分離之前不會復合消失。 ，電子一空穴對被分離，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)生光生電動勢，即光生電壓。 ，并接上負載，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。 當太陽光(或其他光)照射到PN結(jié)時，半導體內(nèi)的原子由于獲得了光能而釋放電子，相應地便產(chǎn)生了電子一空穴對，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)帶負電，于是就使得P區(qū)與N區(qū)之間的薄層產(chǎn)生了電動勢，即光生伏打電動勢。當接外電路時，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準光源的照射下，在輸出端短路時，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、光照強度、環(huán)境溫度成正比。 為太陽能電池的輸出值，當太陽能電池兩端開路時，太陽能電池輸出的電壓值為開路電壓，與太陽光輻射強度有關(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度的升高而升高。 為通過PN結(jié)的總擴散電流。 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)的復合電流引起的。根據(jù)太陽能電池等效電路和電子學理論，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A值為1，正偏電壓小時A值為2)； ——波爾茲曼常數(shù)，； ——絕對溫度，K。 通常情況下，一個理想的太陽能電池，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，所以在進行理想的電路計算時，它們可以忽略不計，太陽能電池的電流方程可化為： (32) 當電路外接負載接時，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度和環(huán)境溫度下，由公式33可知，當外接電阻R，從0變化到無窮大時，可以得出太陽能電池負載特性曲線，曲線如圖33所示。與曲線上的任一點相對應的橫坐標、縱坐標即為太陽能電池的工作電壓和工作電流。當調(diào)節(jié)負載電阻R到某一值時，太陽能輸出功率為最大值，此工作點即為太陽能電池最大功率點。該點所對應的功率稱為最大功率點功率，該點所對應的電壓稱為最大功率點電壓，該點所對應的電流稱為最大功率點電流： = (34) 太陽能電池的IV特性曲線對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度下，可以定義出幾個重要的技術(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)最大功率點電流：電池板最大功率點上的電流 (4)最大功率點電壓：電池板最大功率點上的電壓 (5)最大功率點電壓：電池板最大功率點上的功率 太陽能電池的輸出電流直接受到日照強度的影響，在特定溫度下，太陽能電池在不同日照強度下的IV特性曲線如圖34所示: 圖34 不同日照強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，可以看出光照強度對太陽能電池輸出電流的影響比較大。 圖35 不同光照強度下的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溫度系數(shù)。在一定的光照強度下，隨著溫度的升高，太陽能電池板輸出的功率也會相應地減小。 第四章 最大功率點跟蹤技術(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度、環(huán)境溫度和負載情況影響。在一定的光照強度和環(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，光伏電池的輸出功率才能達到最大值，這是光伏電池的工作點就達到了輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點(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，一個重要的途徑就是實時調(diào)整光伏電池的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，這一過程就稱為最大功率點跟蹤。 MPPT算法的原理 最大功率點跟蹤控制(MPPT)策略通過不斷地檢測光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，運用控制算法來估算當前情況下系統(tǒng)輸出的最大功率，通過調(diào)整當前的負載阻抗匹配來實現(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，仍可以保證整個系統(tǒng)在當前工況下運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度條件下的兩組輸出特性曲線IU，A點和B點分別為特性曲線1和特性曲線2的最大功率輸出點。假設(shè)光伏系統(tǒng)某一時刻工作在A點，當輻照強度變化時，光伏系統(tǒng)的輸出特性由特性曲線1上升為特性曲線2。此時如果保持負載1不變，光伏系統(tǒng)將會運行到a點，這樣便會偏離新條件下的系統(tǒng)最大功率點B。為了能夠跟蹤到最大功率點，可將負載特性曲線由負載1改變至負載2，從而保證系統(tǒng)仍然處于新條件下的最大功率點B。同理，如果輻照強度的變化使得特性由曲線2下降至曲線1，則相對應的工作點會由B變化到b點，而實際情況應該是使負載特性曲線由負載2改變至負載1，以保證光伏系統(tǒng)在輻照強度發(fā)生變化情況下仍然可以運行于最大功率點A。 MPPT常規(guī)跟蹤算法 MPPT的本質(zhì)上是一個自尋優(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度下均能夠輸出最大功率。實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制的方法很多，常用的MPPT方法有：電導增量法、擾動觀察法、恒定電壓法、滯環(huán)比較法、最優(yōu)梯度法等。其中，前三種方法在實際應用中較為常見，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，當光伏陣列的輻照強度大于某一定值且溫度變化不大時，光伏陣列輸出特性曲線上最大功率點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