二极管在光伏阵列中的作用

太阳能光电工程学院《应用光伏学》课程设计报告书题目：二极管在光伏阵列中的作用及原理分析姓名：专业：10班级：10二极管在光伏阵列中的作用及原理分析摘要二极管在光伏系统中发挥着重大的作用，本文首先从二极管的作用及原理入手，系统的介绍了光伏阵列所需二极管的种类、特性及在系统中的作用，并系统阐述了二极管在光伏阵列的工作原理。在本文我们用图表的形式来描述太阳能电池的内部构造、伏安特性，并以此为根底建立等效电路图。利用Matlab和Simulink仿真工具，建立光伏阵列的仿真模型，通过仿真计算和分D是起到分流光生电流的作用，二极管的导D的导通电压，可以减小太阳电池的暗电流，提高太阳电池的输出功率，而在光伏组件中反向并联旁路二极管作用是可以减小热斑现象对光伏组件影响，选择导通电压低的旁路二极管可以提高组件或光伏阵列的输出功率，得出在组成光伏阵列的支路中串联二极管可以起到电压钳位作用，但能引起附加损耗的结论。争论结果说明正确选择二极管的导通电压对提高光伏组件和阵列输出功率是有益的。 电池阵列对于遮挡格外敏感。中间解释了在串联回路中，每个组件或局部电池被遮光，就可能造成该组件或电池上产生反向电压，严峻时可能对组件造成永久性的损坏。由此引起的热斑效应。关键词:太阳能电池二极管光伏阵列1二极管在光伏阵列中的作用及原理分析目 录绪言.......................................................... 31.二极管原理................................................... 41.1二极管概要............................................. 41.2二极管特性............................................. 42.二极管在光伏阵列中的作用..................................... 42.1太阳能电池特性.......................................... 42.2二极管在光伏阵列中的作用................................63.光伏阵列的仿真............................................... 9参考文献...................................................... 112二极管在光伏阵列中的作用及原理分析绪言的转变势在必行。其中太阳能作为可再生能源的重要局部，最近几年已经得到了很广泛的应用，如何提高太阳能的利用效率成为争论热点之一。本文首先对二极管的工作原理入手，利用太阳能的内部构造、伏安特性建立等效电路，再依据电路分析的学问解答伏安特性的表达式。分析二极管在太阳能电池、组件及阵列中的作用，及其导通电压的大小对光伏应用效果的影响。具体的介绍了旁路二极管，以及在光伏阵列中的作用。利用 Matlab和Simulink仿真工具建立光伏阵列的仿真模型，从而更加系统的说明二极管对列的影响，其分析结果具有较好的实践价值。通过仿真计算和分析可知，在太阳电池模型中的二极管D是起到分流光生电流的作用二极管的导通电压的大小可以影响太阳电池输出电流提高二极管D的导通电压可以减小太阳电池的暗电流提高太阳电池的输出功率而在光伏组件中反向并联旁路二极管作用是可以减小热斑现象对光伏组件影响选择导通电压低的旁路二极管可以提高组件或光伏阵列的输出功率在组成光伏阵列的支路中串联二极管可以起到电压钳位作用，但能引起附加损耗;而在阵列支路中没有串联二极管，在消灭光斑现象时有损耗，建议使用导通电压低的二极管。3二极管在光伏阵列中的作用及原理分析二极管原理二极管概要二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode);它只往一个方向传送电流的电子零件。它是一种具有1个零件号接合的2个端子的器件，具有依据外加电压的方向，使电流流淌或不流淌的性质。晶体二极管为一个由 型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于 p-n结两边载流子浓度差引起的集中电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。二极管特性二极管，它在很多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也格外广泛。二极管的管压降：硅二极管〔不发光类型〕正向管压降0.3v发光二极管正向管压降为随不同发光颜色而不同。候要接相适应的电阻。晶体二极管为一个由型半导体形成的p-n面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的集中电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。流子的集中电流增加引起了正向电流。二极管在光伏阵列中的作用太阳能电池特性如图1p-n4二极管在光伏阵列中的作用及原理分析的，当加在非线性电阻两端的电压方向不同时，流过它的电流完全不同。1光伏电池等效电路图图1中太阳电池看作为稳定地光生电流Iph的电流源，与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻RshId和并联电阻的旁路电流Ish都要靠IphRS流出太阳电池而进入负载RL。利用Simulink建立太阳电池模型并对1000W/m2的光照强度下的太阳电池进展仿真，由此得到单元太阳电池特性曲线如图2，从太阳电池特V-I曲线与负载PWM阻以匹配。光照强度对晶硅太阳电池最大功率点处的电压Ums影响不大，但是流有近似反比例函数关系。5二极管在光伏阵列中的作用及原理分析图2太阳电池特性曲线因太阳电池是由p-nD电压影响二极管D的导通电压，对其开路电压是有影响的，同时二极管D的导通电压的大小可以确定暗电流Id大小，当光生电流Iph的数值肯定时，也确定太阳电池的输出电流的大小，进而影响输出功率。二极管在光伏阵列中的作用电池被遮光，就可能造成该组件或电池上产生反向电压，严峻时可能对组件造成永久性的损坏。因此，在安排光伏电池板串联时，一般是先依据所需电压，将假设干光伏电池组件串联，构成假设干串列，再依据电池所需电流容量进展并联。光伏电池并联时，假设一串联支路中局部电池的光照被遮挡，将被当做负载消耗其他有光照的太阳能电池串列所产生的能量。被遮挡的太阳能电池组件此时将会发热，这就是热斑效应。为了削减热斑效应的影响，在串联回路中的每个光伏电池组件上安装旁路二极管，被遮挡电池板将通过旁路二极管导通整个阵列的电流，使被遮挡的光伏电池不构成负载。6二极管在光伏阵列中的作用及原理分析假设阵列的功率很大，可以用几个二极管并联或者分别把每个二极管接在阵列的一个串联组件上，然后并联接出，一般那可选用适宜的整流二极管作为防反充二极管。热斑效应是指当组件中的一个电池或一组电池被遮光或损坏时，工作此时受影响的电池或电池组被置于反向偏置状态，消耗功率，从而引起过热。可见，热斑即组件发热或局部发热，热斑处电池片受到损伤，降低组件功率输出甚至导致组件报废，严峻降低组件的使用寿命，对电站发电等安全造成隐患。热量聚拢导致组件不良或损坏。电池组件热斑的形成，外部因素主要事组件或局部组件受到遮挡物遮挡，常见的遮挡物有：树叶、尘土、云层、动物及动物粪便、积雪等；内在因素有太阳电池内阻和太阳电池自身逆电流大小有关。从电池片的实际等效电路即可分析到此结论。负载与太阳电池内阻串联，由等效电路图得到流过负载的电流： I=Iph–ID–ISh则串联电阻工作功率：P=I2Rs,故Rs对电池片温度的影响是确定的，对于电池片来讲，内阻越小越好。内阻主要是电池片自身由于制来说其是个内阻，消耗：P=I2R(R：被遮挡电池片的等效内阻)。由图知被遮挡的电池片的生热电流为 I=ID+ISh〔I:逆电流，ID:暗电流，Ish:漏电流〕，故，逆电流较大的太阳电池硅片，在外界环境一样的条件下，其产生热斑的可能性较大。安装在外部环境下的组件阵列温度 T与日T=T0＋αTs+βL＋Ti〔T0、α、β 是依据试验数据按最小二乘法处理后所得的系数，系数值与所使用的太阳电池的类型、安装地点、支架〕热斑的危害是巨大的，而且组件阵列电站如在无人7二极管在光伏阵列中的作用及原理分析旁路二极管的方法来减轻热斑的影响。首先来看看热斑的形成原理：3热斑形成原理S-1片电池片的方向偏压，如无旁路二极管保护，则组件电流流过后将产生热量。组件的正向I-V特性曲线和被遮挡的电池片的反向I-V成的阴影为电池片的最大消耗功率。在每个光伏组件上并联一个正向二极不存在功率消耗。大多数旁路二极管的最大击穿电压只有45V到60V。然而，它们能处理的静电放电也较低。当光伏阵列由假设干串列并联时，在每串中都要串联二极管，随后在并联，以防某串列消灭遮挡或故障时消耗能量和影响其它正常阵列的能量输出。该二极管称为隔离二极管，隔离二极管从肯定意义上说也是屏蔽二极管。施工现场中系统总要安装蓄电池，有时由于不留意，或为弄懂其工作原理，可能会将正负极接错。现在一般承受二极管对电路进展保护或用继电器防止反接，使蓄电池接错时不闭合，系统中无电流，但继电器要消耗2~3W的电能，而且全天耗能。在阴天时这种能耗则相当可观。而只安装二极管只能保护电路中的器件免受损失却无法保护蓄电池组。系 极管通常使用整流型的二极管，其容量选型要留有余量，其电流容量应能够到达预期最大运行电流的两倍，耐压容量应能够到达反向最大工作电压的8二极管在光伏阵列中的作用及原理分析两倍。串联在电路中的屏蔽二极管由于存在导通管压降，运行期间要消耗肯定的功率，一般小容量整流型硅二极管压降在 其消耗的功率为其所通过电流值乘以管压降电压值，不要无视这局部损耗，如光伏阵列输出的额定电压是100V，在二极管上的功率和电阻损耗将到达 0.6%，大容量整流型二极管模块由于其管压降高达 1~2V左右，其损耗将更大。假设将此屏蔽二极管由硅整流型二极管换为肖特基二极管，其管压降降为0.2V~0.3V，对节约功率损耗有肯定效果，但肖特基二极管容量和耐压值一般来说相对较小。太阳能光伏板外接旁路二极管，生产费用增多，重量增加。因此可使用整体二极管太阳能电池代替旁路二极管，可以收到同样效果。整体二极管电池是太阳能电池与二极管的组合体，同制作在一块硅片上。二极管可制作电池的正面，也可制作在电池的反面。假设利用制作电池时形成的p-n结在电池的正面制得一个台面型二极管，就称为台面型二极硅太阳能电池。总之，每块组件中都反向并联二个二极管，二极管将组件中单元电池均匀分成二局部，每局部串联的单元电池的正负极反向并接一个二极管，再串联组成组件，二极管反向串联桥式并接在这个组件中，用这些组件串联可以组成适合逆变器端口电压的光伏阵列，假设在这条支路中有一个二极管不能正常工作，这时的现象等同与没有反向并联旁路二极管的单体电池串联状况，当二极管都可以正常工作时，二极管不影响组件的端电压和电流;如消灭热斑现象，并联旁路二极管可以为一局部电流供给通路，使支路电流没有降低太多，保证组件的输出功率降低不大。由于每个光伏阵列的功率一般有几千瓦到几百千瓦，一个串联支路满足不了，有几个或十几个支路并联，每个支路串联一个二极管或没有串联二极管并联送至逆变器的输入端口。光伏阵列的仿真证组件的输出功率降低不大。由于每个光伏阵列的功率一般有几千瓦到几百千管或没有串联二极管并联送至逆变器的输入端口，以二条支路为例进展仿真计9二极管在光伏阵列中的作用及原理分析9其余的没被遮挡，表4、表5是阵列输出功率最大时的仿真结果。从表4可以看出在支路中串联二极管引起附加损耗，并且当二极管的导通电5得到由于没有二极管的且这种现象随着光强度的减弱而加重。D流的作用，二极管的导通电压的大小可以影响太阳电池输出电