第二章光伏电池板的电学特性

第二章光伏电池板的电学特性光伏(PV)效应是指，在两种不同材料的公共结被光子辐射照射后，便在这两种材料之间产生了电动势。光伏电池则将光直接转换为电。法国的一位叫做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的水平上。直到1954年，贝尔实验室制造了第一块硅电池。很快，它就被用于美国的空间项目中，因为它单位重量具有较高的发电容量。从此，光伏电池就被广泛应用于地球轨道卫星中，将日照转换为电能。在空间应用成熟之后，光伏技术如今融人到地面应用中，在全球范围内为郊区发电以及为公共电网供电。2-1光伏电池光伏电池的物理机理与经典的PN结二极管非常类似。当结吸收光时，被吸收的光子转换成材料的电子—质子系统，并产生载流子，分散在结中。载流子可能是电解液中的电子－离子对，也可能是固体半导体材料中的电子－空穴对。结中的载流子产生了电动势梯度，被电场加速，并通过外电路形成环流。电流的二次方与电路中电阻的乘积就是转换得到的电功率。剩余的光子功率则会使得电池的温度升高，并散发到环境中。光伏电动势的来源是两种相互绝缘的材料中电子的化学电势差，称为费米能级。当两种材料结合到一起时，结就会达到一个新的热动态平衡。这种平衡只有在两种材料中费米能级相等的情况下才能实现。电子从一种材料流向另一种材料，直到两者间建立了一定的电压差，具有的电动势与初始的费米能级差相等。这个电动势驱动着光电流在光伏电路中的流动。图2-1给出了基本的电池构造。结的两面都有金属电极，用于收集由于光子碰撞而引起的电流。顶面(被照射)上有一层由银纤制成的薄薄的导电网格，既能收集电流，又能使得光穿过。网格中导电纤维的间距是导电性能最大化和光阻挡最小化的折中。导电箔(焊接)电极覆盖在底层(无光)表面和顶层的边缘。除了基本的元件之外，构造中还有几种增强特性。例如，电池的前面有防反射涂层，从而最大限度地降低反射，吸收尽可能多的光线；利用透明粘合剂，添加了一层玻璃表面作为机械保护。2－2组件与阵列前面章节所述的太阳电池是光伏电力系统的基本组件。一般地，其尺寸为几个平方英寸，能够产生约1w的功率。为了得到更大的功率，许多这样的电池串并联后，安装在一块几个平方英尺的平板(组件)上(见2-2)太阳能阵列或者平板的定义为一组电气上串并联的几个组件，能够发出所需的电流和电压。图2-3给出了一个框架中的组件的实际构造，该框架能够安装在结构件上。组件安装有多种配置。屋顶安装时，组件配置为可以直接放置在屋顶上的形式。在新开发的非晶硅技术中，光伏片被按照一比一的比例制成鹅卵石形状，能够取代传统的屋顶鹅卵石，从而在建筑材料和劳动力方面更为经济。2－3等效电路光伏电池的复杂物理特性可由图2－4所示的等效电路来描述。电路参数如下，输出端的电流I等于光产生的电流1I，减去二极管电流dI和旁路漏电流shI。串联电阻sR为电流源内阻，依赖于PN结深度、杂质和接触电阻。旁路电阻shR与对地漏电流成反比。在一个理想的光伏电池中，0sR(无串联损耗)，shR(无对地泄漏)。在典型的高品质2lin的硅电池中，sR在0.0050.10之间变化，shR在200300之间变化。sR微小的增量就能显著降低光伏的输出。在等效电路中，传送到外端负荷的电流等于光照产生的电流LI减去二极管电流DI。和旁路漏电流shI。当负荷电流为零时，可得到电池的开路电压OCV即，0I时，有OCSHVVIR(2－1)二极管电流由经典二极管电流表达式给出：1OCqVAKTdDIIe(2－2)式中DI为二极管饱和电流；191.610qC为电子电荷；A为曲线匹配常数；231.3810k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度。因此，负荷电流由下式给出：1OCqVOCAKTLDshVIIIeR(2－3)最后一项为对地的漏电流。实际的电池中，漏电流LI和DI相比是很微小的，通常被忽略。于是，二极管饱和电流能够通过实验确定出来。在黑暗的环境中往电池上施加一个电压OCV测量流人电池的电流，该电流经常被称为黑电流或反向二极管饱和电流。2－4开路电压与短路电流广泛用于描述电池电气特性的两个最重要的参数，是全光照下的开路电压OCV和短路电流SCI。短路电流的测量是通过将输出端短路后测量端口的电流，忽略在零端口电压条件下较小的二极管和对地漏电流，该条件下的短路电流就是光电流LI。最大光电压产生于开路电压的条件下。再次忽略对地漏电流，式(2—3)在0I时给出开路电压如下：log1LOCnDIAkTVQI(2－4)kTQ这一项用电压(300oK时为0.0026V实际的光电池中，光电流的幅值比反向饱和电流大几个数量级。因此，开路电压是kTQ值的许多倍。在恒定光照的条件下，LDII是电池温度的相当强的函数。太阳电池通常表现为对开路电压的负温度系数。2．5IV曲线和PV曲线光伏电池的电气特性通常用电流－电压(IV)曲线描述。图给出了阳光下和黑暗中两种条件下光伏组件的IV特性。在第一象限，IV曲线的左上角位于零电压处，称为短路电流，这就是在输出端口短路(零电压)时测量到的电流。曲线的右下角位于零电流处，称为开路电压，这就是在输出端口开路(零电流)时测量到的电压。在左侧的阴影区域，电池作为一个恒流源工作，产生与负荷电阻相匹配的电压。在右侧的阴影区域，电流下降很快，而电压只有少许上升。在这个区域，电池作为一个有内阻的恒压源工作。在两个阴影区域中间的部分，曲线有一个拐点。如果反向施加一个外部电压，例如在系统故障暂态过程中，则电池电流保持平坦，电压为负而电流为正，故电池吸收功率。然而，超过某个负电压之后，结就会被击穿，与二极管的击穿类似，电流上升到一个高值。在黑暗中，击穿电压与在光照条件下相同，对于任何一个低于击穿电压的电压，电流为零。电池板的功率输出是电压和电流输出的乘积，图中画出了功率对电压的曲线。注意到在零电压或零电流时电池产生零功率；而在IV曲线的拐点所对应的电压处，产生最大功率，这就是为什么光伏功率电路总是设计成运行在靠近拐点稍微偏左的位置。在系统的电气分析中，光伏电路近似建模为一个恒流源。图2－7是22W的电池板在21000Wm和2500Wm两种太阳光照强度下的IV特性。这些曲线为AM1.5(大气质量1.5)的水平。AM0(大气质量0)代表外太空条件(真空)，太阳辐射为21350Wm。AM1代表在干燥的中午法向的阳光穿过干净的无污染的地球大气层的条件。这样，AM1代表纯空气中的理想条件，此时阳光经过最小的阻力到达地球。AM1.5代表平均空气质量以及在平均斜角下的平均湿度和污染。因此，AM1.5被作为地球光伏设计的参考值。在北纬，阳光与地平面夹角15o时，AM指数可高达4，此时阳光在到达地球表面之前，要穿透很大的阻力。AM1.5时的晴天，阳光照射到一个正交表面上的功率约为21000Wm,若是多云天气，功率就会降低.2500Wm的阳光强度是工业用于报告IV曲线的另一个参考条件。光伏电池的光转换效率由以下比率来定义：输出电功率照射到电池上的阳光功率2－6阵列设计影响太阳能阵列电气设计的主要因素如下：阳光强度、阳光角、与最大功率相匹配的负荷和运行温度，这些因素在接下来将分别进行讨论。2－6－1阳光强度光电流的幅值在全阳光(1.O阳光强度)下达到最大。在部分阳光的天气里，光电流随着阳光强度的减弱而呈直线下降。在较低的阳光强度下，特性向下平移，如图2－8所示。因此，在多云的天气里，短路电流显著减小。不过，开路电压降低得很少。在实际工作范围内，电池的光转换效率对太阳能辐照度不太敏感。例如，图2－9显示出在2500Wm和21000Wm时实际的效率是相同的。这就意味着转换效率在明亮的天气和在多云的天气时是相同的。在多云时只能获得较低的功率输出，因为照射到电池上的太阳能较少。2－6－2阳光入射角电池输出电流由0cosII给出，其中0I是法线阳光(参考值)下的电流，是测量到的阳光光线与法线的夹角。阳光入射角在0050左右的范围内，这个余弦律能够保持正确性。超过050电气输出将显著偏离该余弦律，超过085时，虽然余弦律在数学上预示着应产生7．5％的功率(表2—1)，但实际上电池此时将不再发出功率。实际的光伏电池的功率．入射角曲线，称为Kelly余弦，如图2－10所示。2－6－3遮蔽效应阵列可由许多串联电池带并联组成，图2－11给出了两个这样的电池带。大阵列的结构会与阳光光线发生干涉，导致有的部分被遮蔽。在一个较长的串联带中，如果某个电池被完全遮蔽，就没有了光电压，然而由于它与所有其他运行在全阳光条件下的电池仍然串联在一起，所以还是要承载带电流。没有了内部产生的电压，被遮蔽的电池就不能发出功率。相反，它表现为负荷，产生局部损耗和发热。阵列带中其他电池必须工作在更高的电压，以弥补被遮蔽电池的失压。根据串联带的，IV特性可知，在正常的电池中，更高的电压意味着更低的带电流，如图2—12的左下角所示。电流损失与遮蔽面积不成比例，而且在小面积的弱遮蔽时可能被忽视。然而，如果更多的电池被遮蔽，超过了临界限值，IV曲线则会低于串联带运行电压，使得带电流降至零，从而串联带失去所有功率。这会导致阵列中失去一整个串联带。通常用于消除可能的遮蔽所致的带功率损耗的方法，是将电路长度用旁路二极管分为几部分(见图2－13)。跨接在被遮蔽部分的二极管只将该部分旁路，这使得带电压和电流按比例损失，而不会损失整带功率。一些现代光伏组件内部具有嵌人式旁路二极管。2－6－4温度效应温度升高时，电池的短路电流增加，而开路电压降低(见图2－14)。可以通过分别检查对电流和电压的效应来量化评估光伏功率的温度效应。假设，0I和0V为在参考温度T时的短路电流和开路电压，和为其各自的温度系数。如果运行温度增加T，则新电流和电压由下式给出：0011scocIITVVT(96)由于工作电流和电压分别以与短路电流和开路电压差不多相同的比例变化，则新功率如下：0011PITVT(9－7)忽略很小的项，可以简化为下式：000111PITVTPT(9－8)考虑典型的单晶硅电池，约为020C，约为020mC。因此，功率由下式给出：63001201051010.005PPTPT(9—9)该式表明，工作温度比参考温度每高1℃，硅电池功率输出降低约0.5％。由于电流的增加远远小于电压的减少，故高温时的净结果为功率减少。图2－15中，用两种温度下功率对电压的特性描述了温度效应对功率输出的影响。由图可知，低温时可获得的最大功率大于高温时可获得的最大功率。因此，寒冷的天气实际上对光伏电池来说更好，可以产生更多的功率。然而，两个MAXP点不是在同一个电压值下。为了在所有温度条件下都抽取最大功率，光伏系统必须这样设计：模块输出电压低温时能够增加2V到以便达到2MAXP高温时能够降低到1V，以便达到1MAXP，这就增加了系统设计的复杂性。2－6－5气候效应在局部多云的天气里，光伏组件能够产生高达80％的全阳光功率。即使在非常阴暗的天气里，也能够产生约30％的功率。通常雪不会积聚在组件上，因为组件总是朝向阳光。如果有了积雪，则会很快融化。机械强度方面，组件设计得能够承受高尔夫球大小的冰雹。2－6－6电气负荷匹配任何一个电力系统的运行点都是电源线与负荷线的交点。如果光伏电源具有图2—16a所示的IV和PV特性，为阻性负荷1R供电，将运行在1A点。如果负荷电阻增加到2R或3R，则运行点分别移动到2A或3A。当负荷电阻是2R时，从组件抽取功率是最大的(见图2—16b)。像这样与电源相匹配的负荷始终是必要的，以便从光伏电源中抽取最大功率。带有恒功率负荷运行时的情况如图2—16c和d所示。恒功率负荷线与电源线有两个交点，记为1B和2B。只有2B点是稳定的，因为自该点发生的任何摄动都会产生恢复功率使得运行点回归到2B,然