太阳能电池功率影响因素研究-李廷-辽宁工业大学.pdf

科技与创新┃ S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n 9 4 2018 年 第 13 期 文章编号2095 －6835 （2018 ）13 －0094 －02 太 阳 能 电 池 功 率 影 响 因 素 研 究 ＊ 李 廷， 冮 明颖，裴国斐 （辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001 ） 摘 要 建 立 了 光 伏 电 池 的 数 学 模 型 和 Matlab/simulink 仿 真 模 型 ， 得 出 太 阳 能 电 池 的 I-V 、P-V 输 出 特 性 曲 线 ， 并 结 合 实 验 测 量 数 据 ， 通 过 改 变 光 照 强 度 、 负 载 等 条 件 分 别 得 到 薄 膜 、 单 晶 硅 和 多 晶 硅 不 同 材 料 光 伏 电 池 的 实 验 数 据 ， 研 究 太 阳 能 电 池 在 不 同 光 照 条 件 下 的 开 路 电 压 、 短 路 电 流 、 最 大 输 出 功 率 等 参 数 的 变 化 情 况 。 通 过 理 论 分 析 与 实 验 相 结 合 的 研 究 方 法 ， 得 到 影 响 太 阳 能 电 池 输 出 功 率 的 影 响 因 素 。 关 键 词 光 伏 电 池 ； 仿 真 模 型 ； 输 出 功 率 ； 短 路 电 流 中 图 分 类 号 TM914.4 文 献 标 识 码 A DOI 10.15913/j.cnki.kjycx.2018.13.094 1 引 言 太 阳 能 电 池 是 光 伏 发 电 系 统 中 最 小 的 发 电 单 元 与 元 件 ， 由 于 光 生 电 流 Ip 只 受 光 照 强 度 的 影 响 ， 与 外 接 负 载 无 关 ， 所 以 ， 把 I p 看 作 恒 流 电 源 ， 光 电 流 I p 在 负 载 R 上 产 生 的 电 压 降 设 为 U ， ID 为 通 过 p-n 结 的 总 扩 散 电 流 ， 与 光 生 电 流 方 向 相 反 。 RS 为 串 联 电 阻 ， 它 主 要 由 电 池 的 体 电 阻 、 表 面 电 阻 、 电 极 导 体 电 阻 和 接 触 电 阻 组 成 。 R SH 为 旁 路 电 阻 ， 它 是 由 硅 片 的 边 缘 不 清 洁 或 体 内 的 缺 陷 引 起 的 。 由 光 伏 电 池 等 效 电 路 可 得 输 出 电 流 I 等 于 光 生 电 流 Ip 减 掉 p-n 结 的 总 扩 散 电 流 I D 和 流 经 旁 路 电 阻 的 电 流 。 由 于 硅 片 的 旁 路 电 阻 阻 值 相 对 比 较 大 ， 流 经 串 联 电 阻 RS 的 电 流 可 以 近 似 为 I ， 所 以 ， 恒 流 电 源 上 的 电 压 为 I 乘 以 串 联 电 阻 RS 加 上 负 载 电 阻 上 的 电 压 U ， 从 而 可 得 负 载 上 的 输 出 电 流 ， 即 是 太 阳 能 电 池 精 确 数 学 模 型 为 . R I R V K T I R V q I I I SH S s o P -       -       - 1 M exp ） （ （1 ） 根 据 光 伏 电 池 等 效 电 路 并 结 合 式 （1 ） ， 研 究 太 阳 能 电 池 的 输 出 特 性 ， 可 得 太 阳 能 电 池 输 出 特 性 曲 线 及 各 参 数 之 间 的 关 系 。 由 于 受 外 界 环 境 因 素 和 光 伏 电 池 自 身 内 部 模 块 的 结 构 等 参 数 的 影 响 ， 输 出 特 性 表 现 出 很 明 显 的 非 线 性 。 在 某 一 特 定 的 工 作 环 境 （ 光 照 和 温 度 确 定 ） 中 ， 太 阳 能 光 伏 电 池 输 出 特 性 曲 线 上 存 在 唯 一 的 点 ， 该 点 即 是 最 大 功 率 输 出 点 。 而 对 于 I- V 曲 线 ， 在 该 点 的 左 边 区 间 内 ， 太 阳 能 光 伏 电 池 则 显 示 了 它 本 身 的 近 似 恒 流 源 特 性 。 2 模 型 搭 建 在 实 际 工 程 中 ， 太 阳 能 电 池 组 件 是 由 许 多 光 伏 电 池 单 元 串 联 和 并 联 形 成 的 阵 列 ， 本 文 将 理 论 研 究 数 学 模 型 进 行 简 化 ， 一 般 RS 数 量 级 为 mΩ ， 而 RSH 数 量 级 为 kΩ 。 因 此 ， 可 以 对 其 进 行 相 应 简 化 ， 忽 略“ － （ V ＋ I RS ） / RSH 项 。 又 因 为 IO I ， 所 以 ， 忽 略“ ＋ I O” 项 ， 可 得 负 载 上 输 出 电 流 I 为 . K T N I R V q I I N I S P       - M exp 2 o 1 （2 ） 式 （2 ） 即 为 简 化 的 光 伏 电 池 组 件 数 学 模 型 ， 式 中 涉 及 IP 、 IO 、 RS 三 个 未 知 量 ， 根 据 光 伏 电 池 生 产 厂 家 提 供 的 数 据 可 知 ， 温 度 与 光 照 度 对 I P 、 V OC 的 影 响 与 K i 、 K u 为 光 伏 电 池 短 路 电 流 温 度 系 数 、 开 路 电 压 温 度 系 数 有 关 ， 且 Ki 、 Ku 通 常 数 量 级 很 小 可 忽 略 ， 则 进 一 步 化 简 得 IP ＝ Iscref 、 VOC ＝ Vocref. 当 光 伏 电 池 开 路 时 ， V ＝ V OC ， I ＝0 ， 可 求 出 I O 的 表 达 式 。 令 常 量 M K T/ q ＝ KO ， 且 当 光 伏 电 池 工 作 于 最 大 功 率 点 时 ， 将 I ＝ IMPPref ， V ＝ VMPPref 带 入 式 （2 ） 得 ＊［ 基金项目］ 辽宁省大学生创新创业训练项目（201710154000148 ） ；辽宁工业大学大学生创新创业训练项目（X201701069 ） ［9 ］Lee C ，Kim H J ，Oh K W.Comparison of faster R-CNN models for object detection ［C ］ //Control ， Automation and Systems （ICCAS ） ，2016 16th International Conference on.IEEE ，2016 107-110. 作 者 简 介 许 楠 （1994 ） ， 男 ， 在 读 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 模 式 识 别 与 图 像 处 理 。 〔 编 辑 白 洁 〕 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n┃科技与创新 2018 年 第 13 期 9 5 . I V V I N I K N R M P P MPPref MPPref ocref scref 1 ef r 0 2 S 1 ln -         - （3 ） 如 式 （3 ） 所 示 ， 该 式 可 用 于 近 似 求 取 标 准 条 件 下 光 伏 电 池 在 最 大 功 率 低 处 的 串 联 电 阻 。 RS 的 大 小 随 环 境 改 变 的 变 化 量 很 小 ， 所 以 ， 可 求 得 电 阻 值 进 行 代 替 。 RS 直 接 与 光 伏 电 池 标 准 条 件 下 2 个 运 行 参 数 V ocref 和 I scref 相 关 ， 且 能 够 保 留 对 电 流 影 响 较 大 的 串 联 电 阻 ， 因 此 ， 该 数 学 模 型 理 论 上 更 具 准 确 性 。 根 据 文 中 对 太 阳 能 光 伏 电 池 简 化 后 数 学 模 型 的 推 导 ， 设 太 阳 能 光 伏 电 池 电 气 参 数 为 V ocref 、 I scref 、 V MPPref 、 I MPPref ， 可 搭 建 其 Matlab/simulink 仿 真 模 型 。 图 1 单 晶 硅 强 光 照 强 度 I- V 、 P- V 特 性 曲 线 3 实 验 数 据 分 析 利 用 新 能 源 实 验 室 对 薄 膜 、 单 晶 硅 、 多 晶 硅 等 太 阳 能 电 池 进 行 实 验 测 量 ， 薄 膜 光 伏 电 池 在 光 照 强 度 分 别 为 弱 光 、 中 光 、 强 光 时 的 最 小 阻 值 条 件 下 ， 测 量 电 流 为 0.05 A 、0.29 A 、 0.39 A ， 测 量 电 压 为 0.5 V 、2.0 V 、2.8 V ； 在 最 大 阻 值 条 件 下 ， 测 量 电 流 为 0.06 A 、0.3 A 、0.36 A ， 测 量 电 压 为 3.5 V 、 15.5 V 、18.7 V ； 光 照 强 度 分 别 为 弱 光 、 中 光 、 强 光 时 开 路 电 压 为 78.6 V 、 82.2 V 、 81.4 V ， 最 大 功 率 为 0.21 W 、 4.65 W 、 6.73 W 。 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 在 光 照 强 度 分 别 为 弱 光 、 中 光 、 强 光 时 的 最 小 阻 值 条 件 下 ， 测 量 电 流 为 1.53 A 、1.66 A 、 2.67 A ， 测 量 电 压 为 10.6 V 、11.6 V 、18.6 V ； 在 最 大 阻 值 条 件 下 ， 测 量 电 流 为 0.6 A 、0.77 A 、0.77 A ， 测 量 电 压 为 30.9 V 、39.0 V 、36.03 V ； 光 照 强 度 分 别 为 弱 光 、 中 光 、 强 光 时 ， 开 路 电 压 为 40.5 V 、40.0 V 、40.5 V ， 分 别 在 电 压 为 30.9 V 、37.2 V 、36.8 V 时 ， 获 得 最 大 输 出 功 率 为 18.54 W 、 54.68 W 、79.86 W 。 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 根 据 实 验 测 量 数 据 所 绘 制 的 特 性 曲 线 如 图 1 所 示 。 多 晶 硅 太 阳 能 电 池 在 光 照 强 度 分 别 为 弱 光 、 中 光 、 强 光 时 的 最 小 阻 值 条 件 下 ， 测 量 电 流 为 1.29 A 、2.24 A 、3.05 A ， 测 量 电 压 为 9.1 V 、15.7 V 、21 V ； 在 最 大 阻 值 条 件 下 ， 测 量 电 流 为 0.53 A 、 0.64 A 、 0.64 A ， 测 量 电 压 为 27.9 V 、 32.3 V 、 32.2 V ； 当 光 照 强 度 分 别 为 弱 光 、 中 光 、 强 光 时 ， 开 路 电 压 为 32.9 V 、32.6 V 、33.2 V ， 电 压 为 25.9 V 、27.4 V 、29.4 V 时 获 得 最 大 输 出 功 率 为 14.29 W 、52.36 W 、74.38 W 。 分 析 上 述 实 验 数 据 可 得 ， 在 相 同 开 路 电 压 下 ， 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 的 短 路 电 流 远 大 于 非 晶 硅 太 阳 能 电 池 的 短 路 电 流 ， 总 趋 势 即 开 始 较 平 缓 ， 到 某 一 点 后 开 始 下 降 。 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 的 输 出 功 率 大 于 非 晶 硅 太 阳 能 电 池 的 输 出 功 率 ， 总 的 趋 势 是 先 增 后 减 ， 即 存 在 最 大 输 出 功 率 。 负 载 阻 抗 主 要 影 响 太 阳 能 电 池 的 输 出 功 率 ， 负 载 不 等 时 工 作 点 不 同 。 虽 然 光 伏 电 池 模 型 中 的 串 联 电 阻 对 短 路 电 流 和 开 路 电 压 影 响 不 大 ， 但 在 很 大 程 度 上 影 响 最 大 功 率 点 处 的 输 出 功 率 值 。 对 不 同 光 照 强 度 下 太 阳 能 电 池 的 输 出 特 性 曲 线 进 行 比 较 ， 可 发 现 光 照 强 度 对 最 大 功 率 点 处 的 电 压 和 开 路 电 压 影 响 不 显 著 。 4 结 论 本 文 借 助 新 能 源 实 验 室 实 验 平 台 ， 采 取 理 论 分 析 与 实 验 验 证 相 结 合 的 方 法 进 行 相 关 论 证 ， 得 出 以 下 结 论 ① 在 相 同 温 度 条 件 下 ， 光 强 较 强 时 ， 最 佳 阻 值 较 小 ， 最 大 输 出 功 率 较 大 。 当 光 强 减 小 时 ， 开 路 电 压 和 短 路 电 流 都 减 小 。 ② 在 相 同 光 照 条 件 下 ， 温 度 较 高 时 ， 最 佳 阻 值 较 小 ， 最 大 输 出 功 率 较 小 。 当 温 度 升 高 时 ， 开 路 电 压 变 小 ， 短 路 电 流 有 小 幅 度 提 升 。 总 体 而 言 ， 输 出 最 大 功 率 是 变 小 的 。 ③ 在 适 当 条 件 下 ， 减 小 太 阳 能 电 池 器 件 的 温 度 ， 增 大 光 照 强 度 ， 可 以 提 高 太 阳 能 电 池 的 输 出 功 率 。 参 考 文 献 ［1 ］ 胡 长 武 ， 李 宝 国 ， 王 兰 梦 ， 等. 光 伏 电 池 简 化 数 学 模 型 的 Matlab/Simulink 仿 真 研 究 ［J ］. 可 再 生 能 源 ，2013 ， 31 （10 ） 20-24. ［2 ］ 吴 洋 ， 张 嫒 嫒 ， 侯 奎. 光 伏 电 池 的 建 模 与 仿 真 ［J ］. 科 技 视 界 ，2017 （09 ） 1-2. 作 者 简 介 李 廷 （1996 ） ， 男 ， 研 究 方 向 为 电 力 系 统 自 动 化 及 新 能 源 发 电 。 通 信 作 者 冮 明 颖 （1976 ） ， 女 ， 硕 士 ， 讲 师 ， 研 究 方 向 为 电 力 系 统 电 压 稳 定 分 析 与 控 制 。 〔 编 辑 白 洁 〕