【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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)，這就是通常所說的半導(dǎo)體PN結(jié)。勢(shì)壘電場(chǎng)的建立反過來又對(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)的形成過程。光伏電池正是利用了光激發(fā)少數(shù)載流子通過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，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。由圖21中電流的流向可得光伏電池的輸出特性方程： （21） （22） （23）。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Rs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。 （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AV光伏電池輸出電壓VIOS光伏電池暗飽和電流AT光伏電池表面溫度KK波爾茲曼常數(shù)J/K10175。23q單位電荷C10175。19K1短路電流的溫度系數(shù)A/Kλ日照強(qiáng)調(diào)W/m178。ISC標(biāo)況下光伏電池短路電流AILG光電流AEGO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KIorTr下的暗飽和電流ARsh光伏電池的并聯(lián)等效電阻ΩRs光伏電池的串聯(lián)等效電阻Ω2．3．2 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)組合可以提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最高輸出直流電流。因此，通過對(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： （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Pmax75（W）額定電流Im17（A）額定電壓Vm（V)短路電流Isc(A)開路電壓Voc(V)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）。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： （26）考慮溫度和太陽輻射影響時(shí)： （27）其中： （27） （27） （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仿真模型2．4．2 光伏電池的特性分析(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）(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） 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：開路電壓與太陽能照射強(qiáng)度成對(duì)數(shù)上升而短路電流只與太陽能照射強(qiáng)度成正比。另一方面，同時(shí)通過比較我們可以發(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)太陽能作為綠色能源，取之不絕、用之不盡。光伏電池利用太陽光發(fā)電，將太陽能轉(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 電力電子轉(zhuǎn)換器隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高壓開關(guān)穩(wěn)壓電源已廣泛用于計(jì)算機(jī)、通信、工業(yè)加工和航空航天等領(lǐng)域。所有的電力設(shè)備都需要良好穩(wěn)定的供電，而外部提供的能源大多為交流，電源設(shè)備擔(dān)負(fù)著把交流電源轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需的各種類別直流任務(wù)。但有時(shí)所供的直流電壓不符合設(shè)備需要，仍需變換，稱為DC/DC變換。直流斬波電路作為直流電變成另一種固定電壓的DCDC變換器，在直流傳動(dòng)系統(tǒng).、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)