第二章--光伏电池板的电学特性

第二章太阳能电池板的电气特性光电(PV )效应是指两种不同材料的共同结合受到光子辐射后，在这两种材料之间产生了电动势。 太阳能电池把光直接转换成电。 法国一位名为Becquerel的物理学家在1839年发现了光伏效应，但一直停留在实验室水平。 到1954年，贝尔研究所制造了第一个硅电池。 很快就在美国的空间项目中使用了。 因为每单位重量的发电容量很高。 从此太阳能电池广泛应用于地球轨道卫星，将日照转化为电能。 空间应用成熟后，光伏技术现已融入地面应用，在全球范围内为郊区发电和公共电网供电。2-1太阳能电池太阳能电池的物理机理与典型的PN结二极管非常相似。 吸收光后，被吸收的光子转化为材料的电子质子系统，产生载流子，分散在结合中。 载流子既可以是电解液中的电子-离子对，也可以是固体半导体材料中的电子-空穴对。 结中的载流子产生电动势梯度，被电场加速，通过外部电路形成环流。 电流的平方和电路的电阻之积变换的功率。 其馀的光子功率使电池温度上升，释放到环境中。光伏源是相互绝缘的两种材料中电子的化学电位差，称为费米能级。 当两种材料结合时，结合达到新的热动平衡。 这种平衡只有在两种材料费米能级相等时才能实现。 电子从一种材料流向另一种材料，两者之间产生一定的电压差，电动势等于初始费米能级差。 该电动势驱动光电流在光电电路中流动。图2-1显示了基本的电池结构。 接合的两面有用于收集光子碰撞引起的电流的金属电极。 上面有用银纤维做成的薄的导电网，可以收集电流使光通过。 网格内导电性纤维的间隔是导电性的最大化和遮光的最小化的折中。 导电箔(焊接)电极复盖在底层(无光)表面和底层边缘。 除了基本零件以外，结构还有一些强化特性。 例如，在电池的前面有防反射涂层，利用将反射抑制在最小限度，尽可能多地吸收光的透明粘接剂，将玻璃表面作为机械保护添加。2-2组件和阵列上一章所述的太阳能电池是光伏系统的基本组件。 通常，其尺寸为几平方英寸，能够产生约1w的功率。 为了获得更大的电力，许多这样的电池并联连接，安装在几平方英尺的平板(组件)上(参见2-2 )。太阳能阵列或平板的定义可以在电串联连接的一些部件上输出所需电流和电压。 图2-3显示了可以安装在结构上的帧内部件的实际结构。组件实现在多个配置中。 在安装屋顶时，零部件配置为可以直接放置在屋顶上。 新开发的非晶硅技术，光伏片以一对一的比例制作成玉石形状，可以代替传统的屋顶玉石，在建筑材料和劳动力方面更经济。2-3等效电路太阳能电池复杂的物理特性可以通过图24所示的等效电路来描述。电路参数如下，输出端的电流与光的电流相等，减去二极管电流和旁路漏电流。 串联电阻是电流源的内阻，取决于PN结的深度、杂质和接触电阻。 旁路电阻与地漏电流成反比。理想的太阳能电池，(无串联损耗)，(无对地泄漏)。 在典型的高质量硅电池中，之间的变化，之间的变化。 微小的增量可以显着降低光的输出。在等效电路中，传递到外端负载的电流等于光产生的电流减去二极管电流。 旁路漏电流。 负载电流为零时，可能无法获得电池的开路电压(2-1)二极管电流由典型二极管电流式给出(2-2)式中，二极管饱和电流电子电荷； a是曲线匹配常数玻尔兹曼常数，t是绝对温度。 因此，负载电流由下式给出(2-3)最后一个项目是对地的漏电流。 在实际电池中，泄漏电流相对较小，通常被忽略。 而且，二极管饱和电流可以通过实验求出。 在黑暗的环境下给电池施加电压，测量人体电池中流动的电流。 这种电流常被称为黑电流或反二极管饱和电流。2-4开放电压和短路电流广泛应用于解释电池电气特性的两个最重要的参数是全光下的开路电压和短路电流。 短路电流的测量是通过在输出端短路后测量端口的电流，在零端口电压条件下忽略小二极管和对地漏电流，该条件下的短路电流为光电流。 最大光电压在开路电压的条件下产生。 再次忽略地漏电流，式(2-3)给出开路电压如下(2-4)该使用电压(在实际的光电池中，光电流的振幅比反饱和电流大几位数)。 因此，开路电压是值的数倍。 在一定的光照条件下，是电池温度相当强的函数。 太阳能电池通常表现为相对于开路电压的负温度系数。2.5曲线和曲线太阳能电池的电气特性通常用电流-电压()曲线描述。 太阳光和黑暗两种条件下的光伏元件特性如图所示。 在第一象限中，曲线的左上角位于零电压，称为短路电流。 这是输出端口短路(零电压)时测量的电流。 曲线的右下角位于零电流处，称为开路电压。 这是输出端口开路(零电流)时测量的电压。 在左侧阴影的区域中，电池作为恒流源工作，产生对应于负载电阻的电压。 在右侧阴影区域，电流急速下降，但电压略有上升。 在这个地区，电池充当有内阻的恒压源。 在两个阴影区域的中间部分，曲线有拐点。当反向施加外部电压时，例如在系统故障的过渡过程中，电池电流保持平坦，电压为负且电流为正，因此电池吸收电力。 但是，如果超过某个负电压，结就会被破坏，与二极管的破坏一样，电流会上升到较高的值。 在黑暗中，破坏电压与光的条件相同，在比破坏电压低的电压下电流为零。电池板的功率输出是电压和电流输出的乘积，图中描绘了功率对电压的曲线。 之所以在零电压或零电流时与注意电池产生零电力曲线的拐点对应的电压下产生最大电力，是因为光功率电路设计成总是向接近拐点的稍微左侧行驶。 在系统的电分析中，光伏电路近似建模为恒流源。图2-7是22W的电池板和两种太阳光强度下的特性。这些曲线为AM1.5(大气质量1.5 )水平。 AM0(大气质量0 )表示宇宙空间条件(真空)，太阳辐射为。 AM1表示干燥中午法线方向的日光通过没有干净污染的地球大气的条件。 因而，AM1代表纯空气中的理想条件，而太阳通过最小的阻力到达地球。AM1.5表示平均空气质量和平均斜角下的平均湿度和污染。 因此，AM1.5作为地球光伏发电设计的参考值。 在北纬太阳与地面所成的角度，AM指数高达4。 这时，太阳到达地球表面之前，必须要穿透很大的阻力。AM1.5的晴天，太阳照射到一个正交表面的电力，如果是阴天的天气，电力就会下降。 太阳强度是工业报告曲线的另一个参考条件。太阳能电池的光转换效率由以下比率来定义2-6阵列设计影响太阳阵电气设计的因素有：太阳强度、太阳角、最大功率的负荷和运行温度，这些因素分别探讨如下。2-6-1太阳光强度光电流的振幅在全日光(1.O太阳光强度)下最大。 在一些日光天气中，光电流随着日光强度的减弱而线性下降。 当太阳强度较低时，性质会向下移动，如图2至图8所示。 因此，在多云天气中，短路电流显着减少。 但是，开路电压的下降很少。 在实际工作范围内，电池的光转换效率对太阳能辐射度不太敏感。 例如，图2-9说明实际效率在时间和时间上是相同的。 这意味着转换效率在明亮天气和阴天天气相同。 阴天时，由于照射到电池上的太阳能很少，所以只能得到较低的输出功率。2-6-2太阳光入射角电池的输出电流是法线的太阳光(参考值)下的电流，是测量的太阳光和法线的角度。 太阳的入射角在左右范围内，这个馀弦律能保持正确。 如果超过电力输出，则明显脱离该馀弦律，如果超过，则预言馀弦律在数学上会产生7.5%的电力(表2-1 )，但是实际上电池在这个时候就不能输出电力了。 实际的太阳能电池的电力.入射角曲线称为凯利馀弦，如图2-10所示。2-6-3掩蔽效应阵列可以通过并联连接多个串联电池带而构成，图2图11示出了两个这样的电池带。 大阵列的结构与太阳光线干涉，部分被遮蔽。 在长串联带中，一个电池被完全切断后，光电压就会消失，但是它仍然与在太阳光下工作的所有其他电池串联连接，因此还是需要流过电流。 没有内部产生的电压，被切断的电池就不能发电。 相反，表现为负荷，产生局部损失和发热。 阵列频带中的其他电池必须以更高的电压运行，以补偿断开的电池电压下降。 根据串联带宽，在正常电池中，较高的电压意味着较低的带宽电流，这在图212的左下角示出。 电流损耗与屏蔽面积不成比例，并且在小面积弱屏蔽时可能被忽略。 但是，如果更多的电池被切断，超过界限值，曲线会低于串联带的运转电压，因此电流会变为零，串联带会失去所有的电力。 这会导致阵列中的整个连接带宽丢失。针对由潜在隔离引起的功率损耗的一种常见方式是将电路长度分成旁路二极管的若干部分(参见图2-13 )。 因为跨越隔离部分的二极管仅旁路该部分，所以带宽电压与电流成比例地损耗，而不会损耗整个带宽的功率。 现代光伏元件内部有嵌入式旁路二极管。2-6-4温度效应温度上升时，电池的短路电流增加，开路电压下降(参照图2-14 )。 为了定量评价光功率的温度效应，可以分别调查电流和电压的效应。 假定基准温度t下的短路电流和开路电压是各自的温度系数。 运转温度上升时，新的电流和电压由下式给出由于动作电流和电压以与短路电流和开路电压大致相同比例变化，所以新的电力如下(9-7)忽略小项可以简化为以下表达式(9-8)考虑到典型的单晶硅电池，约为。 因此，功率由以下方程式给出(9-9)根据该式，工作温度比基准温度高1，硅电池的输出功率降低了约0.5%。 由于电流的增加远小于电压的减少，高温时的净结果是功率的减少。在图2-15中，使用2个温度下的功率对电压特性说明了温度效应对功率输出的影响。 由图可知，低温时获得的最大电力比高温时获得的最大电力大。 因此，寒冷的天气实际上对太阳能电池更好，能产生更多的电力。 但是，两个点不是相同的电压值。 为了在所有温度条件下检索最大功率，光伏系统需要被设计为使其能够在模块输出电压为低温时增加至高温，从而增加了系统设计的复杂度。2-6-5气候效应在部分多云天气中，光伏元件最高可产生80%的总太阳能电力。 即使在非常暗的天气下，也能产生约30%的电力。 雪通常不会积累在组件中。 因为组件总是面向阳光。 如果有积雪，很快就会融化。 在机械强度方面，组件被设计成能承受高尔夫球大小的冰雹。2-6-6电负载匹配任何电力系统的运行点都是电源线和负载线的交点。 如果太阳能电源具有图216a所示的特性，则为了向电阻性负载供给电力，在点上运行。 负载电阻增加到或时，运转点分别移动到或。 在有负载电阻的情况下，从组件中取出的功率最大(参照图216b )。 像这样适合电源的负荷，为了从光伏电源中提取最大电力是非常必要的。恒定功率负载运行时的情况如图216c和d所示。 恒功率负载线和电源线有两个交点，记为和。 只有点是稳定的。 因为从这一点产生的扰动产生恢复功率，运转点恢复到后，系统继续运转，具有固有的稳定性。因此，太阳能电池阵列电稳定性所需的条件如下： (2-10 )某个负载，例如加热器具有一定的电阻，吸收的功率随着电压的平方变化而变化。 其他负载，诸如异步电机，如恒功率负载，在低电压时所吸收的电流较大，反之亦然。 在混合负载的大型系统中，功率几乎随电压的线性比例变化。2-6-7太阳的痕迹光伏元件安装在具有驱动器的跟踪系统中，可以始终跟踪太阳光，一天结束后可以收集更多的能量。 有两种跟踪系统：1 )单轴循环系统每天从东向西追踪太阳。2 )双轴跟踪系统每天从东到西，一年到头从北到南跟踪太阳。与固定阵列设计相比，太阳能跟踪设计最多可提高40%的能量输出。 双轴跟踪由2个直线驱动电机实现，跟踪太阳光的精度。 白天，从东到西追踪太阳的夜晚，朝东，位于第二天的太阳。 旧循环系统在日落后采用小镍铬电池实现了这种转向和定位，新的设计废除了电池，在黄昏和黎明时的弱光中完成了转向。 表2-1所示的Kelly馀弦有助于准确评估太阳在早晚极端角度获得的功率。当乌云遮蔽阳光时，追踪系统瞄准邻近最明亮的目标，通常是云的边缘。 云飞扬后，循环系统重新审视太阳，循环往返。 这个太阳探索技术被更新式的太阳跟踪系统淘汰了。一种设计太阳能跟踪系统的方法是将两个太阳能电池安装到两个楔形结构中(图217 )，并用一个传动电机将它们差分耦合。 太阳光为法线时，两个电池的电流相等。 由于它们串联对接，流过马达的净电流为零，阵列也保持固定。 另一方面，如果阵列不垂直于太阳，则两个电池的太阳角度不同，并输出不同的电流(211 )电机电流为用泰勒级数展开：把两个电流电机