基于DSP的光伏电池数字模拟系统研究.doc

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1、 本文由jiabxhit贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 华中科技大学 硕士学位论文 基于DSP的光伏电池数字模拟系统研究 ：杜柯 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：段善旭 20060429 摘 要 太阳能作为一种新型的可再生资源受到越来越广泛的重视，光伏发电则是太阳能 利用术含量最高、最有发展前途的技术。现在，光伏发电系统已在世界围得 到越来越广泛的应用。为了在实验室条件下，进行太阳能光伏发电的研究，必须研究 出一种可以模拟光伏电池输出 I-V 特性的模拟器。 本文分析了太阳能光伏电池的输出 I-V 特性， 讨论

2、了光伏电池的数学模型， 并在此 模型基础之上建立了简单易用的工程数学模型。本文还根据现有文献讨论了国外光 伏电池模拟器的研究状况，并在这些研究成果的基础上提出了自己的设计方案。 本文从DSP控制电路、IGBT驱动和主电路拓扑结构三个层次详细介绍了系统硬件组 成;软件部分，本文提出了用分段二次曲线的方法拟合光伏电池输出特性曲线的算法， 并针对特定功率采用汇编语言编写了程序实现该算法。 通过系统仿真和实验证明了系统工作原理的正确性。 实验结果证明本文中所设计的 光伏电池模拟器，能够较好的完成设计的目的，模拟器的输出特性符合所要模拟的光 伏电池的输出 I-V 特性，并且模拟器具有较好的动态响应性能，

3、负载突变时，模拟器 能够自动跟踪工作点的变化并在当前工作点稳定工作。 因此， 本系统能够在实验室条件下满足光伏发电系统的实验要求， 为研究工作提供 一个较好的实验环境，节省研究经费和时间，加快研究进度。 关键词：光伏电池、特性曲线、模拟器、BUCK 电路、DSP Abstract Solar energy is paid more and more attention to as a new type of regenerated energy sources. As the most important technology in the use of Solar energy, PV po

4、wer system is used all over the world. Its necessary to imitate the performance characteristic of solar cells if researching Solar energy in the laboratory condition. This paper analyzed the I-V characteristic of solar cells and its mathematical model. Furthermore, this paper presents the engineerin

5、g analytical models of solar cells derived from the mathematical model. And this paper presents my own solution of the PV simulator on the study of all the papers about the simulator. Hardware that contains DSP controller, IGBT driver and main circuit were introduced in detail; . Quadratic polynomia

6、ls are used to fit the real PV arrays I-V characteristic curve, and it is programmed by assembly language to fulfill the algorithm. Through the simulation under Matlab and the experiments, the exactitude of the system is illustrated. The experimental results show that the output characteristics of t

7、he simulator are very close to those of actual solar cells, and the simulator has a good dynamic response as well. It can search the working Point automatically and stabilize the output according to the change of the loads. Therefore， some extent， simulator can be used in replacement of actual to th

8、e solar cells in the laboratory condition, provide a good environment for experiment to cut down money and time. Key words:solar cells , characteristics curve , simulator , BUCK ,DSP 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作与取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以

9、明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不。 （请在以上方框打“” ） 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 1 绪 11 本文研究背景 论 111 太阳能

10、是化石能源的主要替代能源1-2 目前的世界能源结构中，人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化 石能源，特别是石油和天然气的消耗量增长迅速，已占全世界能源消费总量的 60左 右。但是，石油和天然气的储量是有限的，许多专家预言，石油和天然气资源将在 40 年、最多 5060 年被耗尽。煤炭资源虽然远比石油和天然气资源丰富，但是直接应 用煤炭严重污染环境，因此亟需研究把煤炭转化成为气体或液体燃料的技术。看来， 人类如不与早采取对策，在不远的将来会面临一场全面的能源危机，这是当前人类面 对的一项重大挑战。 为了保证大规模的能源供应，当前世界各国都在制订规划、采取措施、组织力量、 增加投资，大

11、力开发太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能以与核聚变能等新能 源技术，力争在不太长的时间，将日前的以化石能源为基础的常规能源系统，逐步 过渡到持久的、多样化的、可以再生的新能源系统。只要应用现代科学技术，广泛开 发利用新能源，大力提高能源利用效率，采取合理的能源政策，完全可以避免能源危 机的山现。 太阳能以其独有的优势成为人们关注的焦点。丰富的太阳辐射能，是取之不尽用 之不竭、无污染、廉价的能源。太阳能每秒钟到达地球的能量高达 80 万 kW，如果把地 球表面 0.1的太阳能转为电能， 转换率为 5， 那么每年的发电量可达 5.6 1012 kWh， 相当于目前全世界能耗的 40 倍。 未来

12、几十年，传统能源任将是主要的能源，但可再生能源的使用在不断增加，将 发挥重要作用。太阳能光伏发电、风能、生物质能、水电和地热能将以补充的形式配 合供应需求。由于光伏发电具有节约成本的优势，它被认为是太照充分时供应电 力的首选。 112 我国的太阳能资源 我国属于太阳能能源较为丰富的国家之一，全国国土面积 2/3 以上的地区每年日 照时数大于 2000 小时，仅陆地面积每年接受的太阳辐射能就约等于几万个三峡工程发 电量的总和。从全国太阳年辐射总量的分布来看，、南部、 、北部、西部、中部和西南部、东南部、 1 东南部、岛东部和西部以与省的西南部等广区的太阳辐射总量很大。 尤其是青藏高原地区最大，那

13、里平均海拔高度在 4O0Om 以上，大气层薄而清洁、透明 度好、纬度低、日照时间长。例如被人们称为“日光城”的市，1961 年至 1970 年的平均值，年平均日照时间为 3005.7h相对日照为 68，年平均晴天为 1085 天， 阴天为 988 天，年平均云量为 48，太阳总辐射为 816kJcm a，比全国其它省区 和同纬度的地区都高。全国以和两省的太阳年辐射总量最小。其中尤以 盆地为最，那里雨多、雾多、晴天较少。例如素有“雾都”之称的市，年平均日 照时数仅为 1152.2h，相对日照为 26，年平均晴天为 24.7 天，阴天达 244.6，天年 平均云量高达 84。其它地区的太阳年辐射总

14、量居中。 我国太阳能资源分布的主要特点有：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬 22。35。这一带。青藏高原是高值中心，盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西 部地区高于东部地区，而且除和两个自治区外，基本上是南部低于北部；由 于南方多数地区云雾雨多，在北纬30。40。地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能 随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加 而增长。 按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区： 一类地区 全年日照时数为32003300小时， 辐射量在670837104kJcm2 相当于225 a， 285kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原

15、、北部、北部和南部 等地。这是我国太阳能资源最丰富的地区，与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。 特别是，地势高，太的透明度也好，太阳辐射总量最高值达921104 kJ cm a仅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位，其中是世界著名的城。 二类地区 全年日照时数为30003200小时， 辐射量在586670104kJcm2 相当于200 a， 225kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括西北部、北部、南部、 南部、中部、东部、东南部和南部等地。此区为我国太阳能资源较 丰富区。 三类地区 全年日照时数为22003000小时， 辐射量在502586104kJcm2 相当于170 a， 200kg标准煤燃烧

16、所发出的热量。主要包括、东南部、南部、 北部、北部、东南部、南部、南部、北部 2 2 2 和北部等地。 四类地区 a， 全年日照时数为14002200小时， 辐射量在41950210 kJcm 相当于140 170kg标准煤燃烧所发出的热量。 主要是长江中下游、 、 和的一部分地区， 春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还比较丰富。 五类地区 全年日照时数为 10001400 小时，辐射量在 33541910 kJcm a，相当于 115140kg 标准煤燃烧所发出的热量。主要包括、两省。此区时我国太阳能 资源最少的地区。 113光伏发电现状与发展3-9 太阳能的转换利用方式有光一热转换、光一化学转换

17、和光一电转换等三种方式。 接收或聚集太阳能使之转换为热能，然后用于生产和生活，是太阳能光一热转换利用 即太阳能热利用的基本方式。太阳能热水系统是目前太阳能热利用的主要形式。利用 光生伏打效应原理制成光伏电池，可将太阳的光能直接转换为电能加以利用，称为光 一电转换，即光伏发电。光一化学转换还处于研究实验阶段，这种转换技术包括光伏 电池电极化水制成氢、利用氢氧化钙和金属氢化物热分解储能等。 在这些转换利用方式中光伏发电系统是技术含量最高、最有发展前途的技术，它 的基本元件是光伏电池。光伏电池受到太照时能产生光伏效应，将太能转变 成直流电能。在使用时要将光伏电池封装成组件，然后根据需要将组件串并联组

18、成阵 列。通常需要用蓄电池等作为储能装置，才能随时供给负载使用。如果是交流负载， 则还需要通过逆变器将直流电变成交流电。整个光伏系统还要配备控制器等附件。 世界光伏发电产业发展迅速，最近10年太阳电池与组件生产的年平均增长率为 33%，最近5年的年平均增长率为43，2004年比上年增长61.2，这一产业已成为当 今发展最迅速的高新技术产业之一。 随着光伏产业的发展光伏发电成本正不断降低。2003年世界重要厂商的成本为2至 2.3美元瓦，售价2.5至3美元瓦。但随着技术进步、产业规模的不断扩大，光伏发 电的成本将继续不断降低。 产业化方面，各国一直在通过改进工艺、扩大规模和开拓市场等措施降低成本

19、， 并取得了巨大进展。以美国为代表，其能源部1990年起动了光伏制造技术(PVMaT)的产 业化计划，通过国家可再生能源实验室(NREL)实施，并成立了国家光伏中心，联合产 4 2 4 2 3 业界、大学和研究机构共同进行攻关，以求大幅度降低成本。这一计划的实施已经产 生了非常明显的效果，商品化电池效率从10%一13%提高到12%15%。生产规模从15兆 峰瓦/年发展到520兆峰瓦/年，并正在向50兆峰瓦扩大。生产工艺不断简化，自动化 程度不断提高。三年来，世界的光伏组件的生产成本降低了32%以上，第一次降到3美 元/峰瓦以下，国际市场光伏组件售价在4美元/峰瓦左右，这种趋势还在继续发展。美

20、国光伏系统电价成本目标:2005年光伏系统安装成本3美元/峰瓦(11美分/千瓦时)， 2010年1.5美元/峰瓦(6美分/千瓦时以下)。欧洲和日本也有类似的计划。竞争促使各 发达国家的产业化技术几乎以大致一样的水平和速度向前发展。在太阳能光伏发电领 域，印度在发展中国家处领先地位。目前印度有80个公司从事光伏工业和太阳电池组 件的生产， 6个太阳电池制造厂12个组件生产厂， 19971998年间， 电池生产8.2兆峰瓦， 组件生产11兆峰瓦，出口4兆峰瓦，预计2002年生产将达到50兆峰瓦/年;截至1998年， 印度光伏系统安装容量达到35兆峰瓦，计划19982002安装150兆峰瓦。表1.1

21、列出了近 年来世界太阳电池的产量；表1.2为世界近年光伏电池年产量、年增长率和累计用量。 世界各大公司也纷纷制定和实施扩产计划，1998年初PVIR统计，正在实施和扩产 的新增能力为263.5兆峰瓦/年，比1997年高出2倍，可以说，太阳能光伏发电技术和产 业正在腾飞，预测今后10年光伏组件的生产将以20%一30%甚至更高的递增速度发展， 到2010年生产将达到4.6千兆瓦，总装机容量达到18千兆瓦。快速发展的屋顶计划、各 种减免税政策、补贴政策以与逐渐成熟的绿色电力价格为光伏市场的发展提供了坚实 的发展基础。市场发展将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。 预测到下世纪中叶，

22、太阳能光伏发电将达到世界总发电量的15%一20%，成为人类的基 础能源之一。 我国从 20 世纪 80 年代起就开始太阳能电池的开发与生产,国家也在西部无电地 4 区大力推广了离网光伏系统的应用,其中“光明工程”和“乡乡通工程”等实施,为我 国光伏产业发展和光伏技术提高起到了积极作用。近年来,国家在“973”和“863”等 重大项目中将太阳能光伏电池的发展也放到了重要的位置。2005 年 2 月通过的中华 人民国可再生能源法中明确提出，“国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能光 伏发电系统等太阳能利用系统”。在 2006 年 3 月两会发布的中华人民国国民经济 和社会发展第十一个五年规划纲要中也指

23、出送电到村和绿色能源县工程：建成 50 个绿 色能源示县，利用电网延伸、风力发电、小水电、太阳能光伏发电等，解决 350 万 户无电人口用电问题。 12本文主要研究容和意义 121研究容 本文主要包括以下研究容 （1） 建立了太阳能光伏电池的工程数学模型，并以此为基础设计了一种采用多段直 线和二次曲线模拟光伏电池I-V曲线的算法，该算法简化了函数方程，使其满足 DSP计算的要求，同时也保证了较高的模拟精度，减小了系统误差。 （2） 设计了一台输出功率为3kW的光伏电池模拟器的实验样机，给出了主电路与控制 系统的设计方案，并进行了小功率的实验验证，对实验结果进行了分析。 122研究意义 光伏发电

24、系统的研究如果采用真实的光伏电池阵列，会产生试验成本高、需要大 量空旷场地和对日照、自然气候等依赖性强等一系列的问题，因此研究出低成本的按 照实际的光伏电池的I-V特性输出的，能够代替实际光伏电池阵列在室进行各种光伏 实验，使之不受场地和环境影响的模拟器成为必须。 本文的研究就是以解决这个问题为目的，设计出能够模拟光伏电池阵列输出的I-V 曲线，从而能够代替实际的太阳能光伏电池阵列在室进行各种光伏实验，并满足易 于修改设定的要求的光伏电池模拟器。使光伏实验不再受到场地、自然气候条件等的 影响，降低实验成本，节省实验时间。 5 2 太阳能光伏发电系统与光伏电池研究 10-22 21 太阳能光伏发

25、电系统 211 太阳能发电系统的构成 由于太阳能光伏发电系统， 是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能 直接转换成电能的，也叫做太阳能电池发电系统。光伏发电系统主要由以下几个基本 的部分构成:光伏组件阵列、控制器、蓄电池组、直流一交流逆变器等部分组成。 （1）光伏组件阵列 太阳能电池单体是光电转换的最小单元， 它的工作电压为 0.450.50V， 工作电流 为 2025mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串联、并联并 封装后，就成为光伏电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦，是可以单独作 为电源使用的最小单元。光伏组件再经过串联、并联并装在支架上，就构成光

26、伏组件 阵列。 常见的太阳能电池主要是硅太阳能电池，目前世界上有三种已经商品化的太阳能 电池，即单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。 （2）防反充二极管 防反充二极管又称阻塞二极管，其作用是避免由于光伏组件阵列在阴雨天和夜晚 不发电时或出现短路故障时，蓄电池组向光伏组件阵列放电。防反充二极管串联在太 阳能电池方阵电路中，起单向导通的作用。它必须能承受足够大的电流，而且正向电 压降要小，反向饱和电流要小。一般可以选用合适的整流二极管作为防反充二极管。 （3）蓄电池组 蓄电池的作用是储存光伏组件阵列受光照时所发出的电能，并随时向负载供电.光 伏发电系统对所用蓄电池组的基本要:自放

27、电率低，使用循环寿命长，深放电能力 强，充电效率高，可以少维护或免维护，工作温度围宽，价格低廉。目前与太阳能 电池发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池。 （4）充放电控制器 充放电控制器是能防止蓄电池组过充电和过放电的设备，一般还具有简单的测量 功能。蓄电池经过过充电或过放电后会严重影响其性能和寿命，所以充放电控制器一 般是不可缺少的。充放电控制器，按照其开关器件在电路中的位置，可分为串联控制 型和分流控制型;按照其控制方式，可分为开关控制(含单路和多路开关控制)型和脉宽 调制(PWM)控制(含最大功率跟踪控制)型。开关器件，可以是继电器，也可以是 MOS 6 晶体管。但脉宽调制(PWM)

28、控制器，只能用 MOS 晶体管作为开关器件。 （5）逆变器 逆变器是将直流电变换成交流电的一种设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是 直流电，当应用于交流负载时，逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式，可分为独 立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的光伏发电系统，可为独 立负载供电;并网逆变器用于并网运行的光伏发电系统，将发出的电能馈入电网。逆变 器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器的电路简单，造价低， 但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统;正弦波逆变器的成本 高，适用于各种负载情况。 （6）测量设备 对于小型光伏发电系统来说，一般情况下只需要

29、进行简单的测量，如测蓄电池电 压和充、放电电流，这时测量所用的电压表和电流表一般就装在控制器上。对于大型 工业电源系统和大型太阳能光伏电站，则往往要求对更多的参数进行测量，如测量太 阳辐射能，环境温度，充、放电电量等，有时甚至要求具有远程数据传输、数据打印 和遥控功能。 212 太阳能光伏发电系统的分类 光伏发电系统，一般分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。独立光 伏发电系统如图 2.1 所示，它由太阳能电池阵列、储能装置、直流交流逆变装置、控 制装置与连接装置等组成。 图 2.1 独立光伏发电系统 并网光伏发电系统如图 2.2 所示，其系统组成基本与独立光伏发电系统一样，只 是容量

30、等级、控制方法等有所差别。 7 图 2.2 并网光伏发电系统 2121 独立光伏发电系统 独立光伏发电系统是指仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统或主要依靠太阳 能电池供电的光伏发电系统，在必要时可以由油机发电、风力发电、电网电源或其他 电源作为补充。从电力系统来说，kW 级以上的独立光伏发电系统也称为离网型光伏发 电系统。 独立光伏发电系统的工作原理 独立光伏发电系统的工作原理是： 太阳能光伏电池阵列吸收太并将其转化成电 能后，在防反充二极管的控制下为蓄电他组充电。直流或交流负载通过开关与控制器 连接。控制器负责保护蓄电池，防止出现过充电或过放电状态，即在蓄电池达到一定 的放电深度时，控制器

31、将自动切断负载；当蓄电池达到过允电状态时，控制器将自动 切断充电电路。有的控制器能够显示独立光伏发电系统的充放电状态，并能贮存必要 的数据，甚至还具有遥测、送信和遥控的功能。在交流光伏发电系统中，DCAC 逆变 器将蓄电池组提供的直流电变成能满足交流负载需要的交流电。 独立光伏发电系统的系统构成 独立光伏发电系统由太阳能光伏电池阵列、防反充二极管、控制器、逆变器、蓄电 池组以与支架和输配电设备等部分构成。其中，太阳能光伏电池阵列在国外文献中常 被称为太阳能发电机(Solar Generator )，而其余部分则被统称为太阳能发电机的“平 衡系统” (Balance of System)或“配套

32、系统” ，简称“BOS” 。有时 BOS 还包括太阳能 8 光伏电池阵列所占用的土地和防雷安全系统。 当太阳能光伏电池十分昂贵时， BOS 在整 个独立光伏发电系统中所占的费用比例比较小，但随着太阳能光伏电他的不断降价， BOS 所占费用比例在逐渐增加。 2122 并网光伏发电系统 光伏发电系统(以下简称光伏系统)的主流发展趋势是并网光伏发电系统。太阳能 电池所发的电是直流，必须通过逆变装置变换成交流，再同电网的交流电合起来使用， 这种形态的光伏系统就是并网光伏系统。 并网光伏系统可分为住宅用并网光伏系统和集中式并网光伏系统(电站)两大类。 前者的特点是光伏系统发的电直接被分配到住宅的用电负载

33、上，多余或不足的电力 通过连接电网来调节；后者的特点是光伏系统发的电直接被输送到电网上，由电网把 电力统一分配到各个用电单位。目前，住宅用并网光伏系统在国外已得到大力推广， 而集中式并网光伏系统由于目前成本较高，应用尚不多，但随着太阳能电池价格的逐 年下降，可以预期不久的将来会有大的发展。 并网光伏系统还可以分为有倒流系统(见图 2.3a)和无倒流系统 （见图 2.3b） 两类。 有倒流系统是在光伏系统产生剩余电力时，将这些剩余电能送入电网，出于向同一电 网提供方向相反的电力，因此称为倒流系统。当光伏系统电力不够时便由电网供电。 这种系统往往是为光伏系统的能力大于负载或发电时间与负载用电时间不

34、匹配而设计 的。比如家庭并网光伏系统，出于输出电力受天气和季节约束，而用电又有时间段的 区分，为了保证电力平衡， 一般都设计成有倒流系统。无倒流系统是指光伏系统的功 率始终小于或等于负载，电力不够时出电网提供，即光伏系统与电网形成并联向负载 供电。对于无倒流系统，即使光伏系统因某种原因产生剩余电力，也只能通过某种手 段放弃。由于不会出现光伏系统向电网输电的现象，因此称为无倒流系统。 (a)有倒流系统 （b）无倒流系统 图 2.3 并网光伏发电系统供电形式 9 此外，根据光伏系统所连接电网电压的高低，又可以分为低压并网系统和高压并 网系统。 并网光伏系统是发电设备，它同火力发电厂和水力发电站一样

35、，必须遵守国家关 于电力工业的法律法规。 22 太阳能光伏电池简介 221 光伏电池的分类23 太阳能光伏电池是光伏发电系统的核心部分，光伏电池的种类很多，大致可分为 硅光伏电池、化合物半导体光伏电池。其中硅光伏电池包括单晶硅、多晶硅、非晶硅 电池；化合物半导体光伏电池包括砷化镓光伏电池等。目前大规模使用的主要是单晶 硅和多晶硅电池，因为其转换效率较高，澳大利亚新南威尔士大学的格林教授已将单 晶硅电池的转换效率提高到24 %。此外，最有希望的硅薄膜工艺是采用非晶硅合金为 材料。自从它的优良特点被确认以来，用这种工艺制作的太阳电池已在实验室和商用 两个方面取得迅速进展。 (1)晶体硅光伏电池。晶

36、体硅光伏电池因为资源丰富、转换效率高，所以现在开发 得最快的光伏电池。但是因它的制造工艺复杂，需耗费大量的能源，所以有成本高、 能源回收期长的缺点。 (2)非晶硅光伏电池。 非晶硅光伏电池资源丰富， 制造过程简单， 而且创造能耗低， 所以作为低成本的光伏电池引人注目。目前其转换效率比单晶硅光伏电池的稍低。 (3)化合物半导体光伏电池。化合物半导体光伏电池有III-V族、II-VI族等许多种 类，砷化镓光伏电池是其中一种，其转换效率很高，但存在资源缺乏、有公害等问题。 通常，制备多晶硅的工艺比制备单晶硅要求要低一些.制备非晶硅所要求的条件原 则上比制备多晶硅更低。地面 GaAs 光伏电池的效率超

37、过 22%，大大高于硅电池的相应 效率值(18%)。 然而， GaAs 做光伏电池材料也有一些缺点， 用 镓的资源有限， 将使 GaAs 永远是贵重材料。第二个缺点是砷的毒性，使用由毒性材料制作的大型光伏电池系统 时，应仔细调查其对环境的影响。 222 光伏电池的工作原理 太阳能光伏电池是利用半导体材料的电子特性把直接转换成电能的一种固态器 件。 用适当波长的光照射到半导体系统上时，系统吸收光能后两端产生电动势，这种 现象称为光生伏特效应。例如，当光照射到由 P 型和 N 型两种不同导电类型的同质半 10 导体材料构成的 PN 结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价带中 产生非平

38、衡载流子一电子和空穴。由于 P-N 结势垒区存在着较强的建静电场，因而 产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡 电子和空穴，在建静电场的作用下，各向相反方向运动。离开势垒区，结果使 P 区 电势升高，N 区电势降低，P-N 结两端形成光生电动势，这就是 PN 结的光生伏特效 应。由于光照产生的非平衡载流子各向相反方向漂移，从而在部构成自 N 区流向 P 区的光生电流，在 PN 结短路情况下构成短路电流密度 Isc。在 PN 结开路清况下， P-N 结两端建立起光生电势差 Voc，这就是开路电压。如将 P-N 结与外电路接通，只要 光照不停止，就会不断地有电流

39、流过电路，PN 结起了电源的作用，这就是光电池的 基本工作原理。显然，光电池之所以能在光照下形成电流密度 J，短路电流密度 Isc， 开路电压 Voc，都是由于材料部存在建静电场的缘故。若在建电场的两侧引出电 极并接上负载，则负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的 光能就直接变成了可付诸实用的电能。 223 光伏电池的特性 2231 光伏电池的输出特性 太阳能电池具有独特的 I-V 特性，该特性由太阳能电池材料的物理特性所决定。如 下图是太阳能单体工作的输出特性。 图 2.4 太阳能光伏电池的 I-V 特性曲线 光伏电池由于其受外界影响因素(温度、光照等) 很多,且其输出具

40、有非线性特性, 如图2.4 的伏安(电压-电流) 特性。从特性曲线看,太阳能电池在不同的光照强度下和 11 不同的环境温度下的伏安特性曲线大致的形状是一样的，也就是说太阳能电池的伏安 特性曲线可以划分三个区域，恒流源区、最大功率区以与恒压源区。 为了能更加具体的说明，可以直观的从图2.5所示的太阳能电池单体输出特性曲线 图看出。图中曲线为太阳能电池不同的测量点所组成。直线是负载电阻的I-V特性，两 者的交点即为太阳电池的工作点，也即工作点的电压电流即符合太阳电池的I-V特性 又符合负载自身的I-V特性。当工作负载发生变化时，工作状态亦发生变化，但是变化 的轨迹沿着特定的曲线完成。不同的曲线代表

41、不同的光强下的变化。在实际使用时， 负载往往工作在最大功率点附近。 I 恒流源区域 最大功率区 域 (VA,IA) A 工作点 M (VM,IM) (VB,IB) B 恒压源区域 V 图 2.5 太阳能光伏电池单体输出特性曲线 2232 光伏电池等效电路和数学模型24-26 当受光照射的太阳能光伏电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建 立起端电压，这时太阳能光伏电池的工作情况可用图 2.6 所示等效电路来描述。图中 把太阳能光伏电池看成能稳定地产生光电流 IL 的电流源(只要光源稳定)，与之并联的 有一个处于正偏压下的二极管与一个并联电阻 Rsh(也称跨接电阻)。显然，二极管的正 向

42、电流 ID 和旁路电流 Ish 都要靠 IL 提供， 剩余的光电流经过一个串联电阻 Rs 流出太阳能 电池而进入负载 RL。对于实际的太阳能电池，应当把它看成由很多个具有这种等效电 路结构的电池单元(也称于电池)并联而成，因而应当把如图 2.6 所示的等效电路中的 各个参量视为集中参量(即各子电池参量的总和)。 12 图 2.6 光伏电池等效电路图 由于器件的瞬时响应时间与绝大多数光伏系统的时间常数相比微不足道，因此 结电容 Cj 在分析中可以忽略。设定图中所示的电压、电流正方向，可以得出太阳能电 池的 I-V 方程为 I = I L ? I D ? I sh = I L ? I 0 (e q

43、 (V + IRs ) / AkT ? 1) ? 式中： I L 光生电流(A); I 0 反向饱和电流(A); V + IRs Rsh （21） A 二极管因子: Rs 太阳能电池串联电阻; Rsh 太阳能电池的并联电阻; q 电子电荷，1.61019C; K 玻耳兹曼常数，1. 38 1023J/K; V 一太阳能电池的输出电压; I 太阳能电池的输出电流; T 绝对温度 该模型具有清晰的物理意义，与工艺上的控制有明确的对应关系。如太阳能电池 的光生电流IL与电池片的表面反射、栅线的遮光面积和光谱响应等相对应;二极管饱和 电流I0与P-N结的特性、原材料的缺陷等相对应;太阳能电池的串联电阻

44、Rs描述了包括基 13 体的电阻、扩散薄层的电阻和栅线与太阳能电池的接触电阻等;太阳能电池的并联电阻 Rsh描述了太阳能电池周边扩散层去除的程度和导电离子的玷污而引入的线性电阻。 式(21)是基于物理原理的最基本的解析表达式，已被广泛应用于太阳电池的理 论分析中，但由于表达式中的 5 个参数，包括 IL、I0, Rs、Rsh 和 A，它们不仅与电池温 度和日射强度有关，而且确定十分困难，因此不便于工程应用，也不是太阳电池供应 商向用户提供的技术参数。 2233太阳能光伏电池的工程数学模型 由于上述太阳能光伏电池的数学模型中的参数难以确定，因此在学习研究过程中， 我们需要更简单可靠、实用性强的数

45、学模型。满足工程应用精度且便于运算的光伏电 池数学模型已经在原模型之上提出来了。工程用光伏电池模型通常仅采用供应商提供 的几个重要技术参数,如Isc、Voc 、Im、Vm、Pm,就能在一定的精度下复现阵列的特性,并 能便于计算机分析。 以下将在基本解析表达式（21）的基础上,通过两点近似,即 1) 忽略(V+IRs)/Rsh项,这是因为在通常情况下该项远小于光电流; 2) 设定IL=Isc,这是因为在通常情况下Rs远小于二极管正向导通电阻,并定义在: 开路状态下, I = 0 ,V = Voc ; 最大功率点,V = Vm , I = Im 的条件下建立硅光伏电池的工程用数学模型。按此,光伏电

46、池的IV方程可简化为： I = I sc (1 ? C1eV /( C2Voc ) ? 1) （22） 在最大功率点时, V = Vm , V = Vm,可得 I m = I sc (1 ? C1eVm /(C2Voc ) ? 1) （23） 由于在常温下 eVm /(C2Voc ) 1,可忽略式中的“1”项，解出C1 C1 = (1 ? I m / I sc )e Vm C2Voc （24） 1 开路时，I = 0,V = Voc， 0 = I sc 1 ? (1 ? I m / I sc )e Vm C2Voc (e C2 ? 1) (25) 由于 e 1，忽略式中的“1”项，解出C2 C

47、2 = (Vm / Voc ? 1)ln(1 ? I m / I sc )?1 1 C2 （26） 14 因此,本模型只需要输入光伏电池通常的技术参数Isc、Voc 、Im、Vm，就可以根据式 (24) 、(26) 得出C1和C2 。光伏电池IV 特性曲线是由(22) 确定。 上述数 学模型是标准参考条件（标准参考日照强度 Sref = 1000W/m2 ,标准参考电池温度 Tref = 25 ）下光伏电池的数学模型，而光伏电池IV 特性曲线与日照强度和电池温度有 关。通常地面上日射强度S 的变化围为01000W/m2 ,光伏电池的温度变化较大,可能 从1070。因此，考虑到日照强度变化和温度影响时，可得 V ? DV I = I sc (1 ? C1 (e C2Voc ? 1) + DI 其中， （27） DI = ? S / Sref ? DT +(S / Sref ?1)? Isc （2