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光伏发电技术及其应用 教学课件 作者 魏学业 第二章.ppt

发布:2017-08-19约4.67千字共29页下载文档
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第二章 光 伏 电 池 光伏电池实际上是一个PN结,PN结在光照下产生电动势的现象称为光生伏特效应。当光照射到PN结上时,PN结受光激发而产生电子—空穴对,从而产生势垒电场,空穴在势垒电场的作用下向P区移动,而电子则向N区移动,这样就在PN结附近形成与势垒电场相反的光生电动势。光生电动势的一部分抵消势垒电场,另一部分使P区带正电,N区带负电,从而在P区与N区之间产生光生伏特效应。这就是光伏电池的最小单元。 2.1 光伏电池的分类、结构和发电原理 2.1.1 光伏电池的分类 光伏电池是由半导体材料制造的,表2-1中是对常见光伏电池种类的总结。 表2-1 常见光伏电池种类 2.1.2 光伏电池的结构 光伏电池是一种能直接把太阳的光照直接转化为电能的半导体器件,它受光照射后就会产生电流和电压。这个过程的发生需要两个条件: 1)太阳光的照射,把低能级的电子激发到了高能级。 2)处于高能级的电子,从电池内部移动到外部电路中,然后经过负载后又回到了电池内部中。图2-1展示了能实现这种功能的光伏电池封装结构图。 图2-1 光伏电池封装结构图 2.1.3 光生电流的产生过程 光伏电池在光照下产生的电流叫做“光生电流”,它的产生包括了两个主要的过程: 1.产生电子—空穴对的过程 2.PN结对光生载流子收集的过程 第二章 光 伏 电 池 光伏电池实际上是一个PN结,PN结在光照下产生电动势的现象称为光生伏特效应。当光照射到PN结上时,PN结受光激发而产生电子—空穴对,从而产生势垒电场,空穴在势垒电场的作用下向P区移动,而电子则向N区移动,这样就在PN结附近形成与势垒电场相反的光生电动势。光生电动势的一部分抵消势垒电场,另一部分使P区带正电,N区带负电,从而在P区与N区之间产生光生伏特效应。这就是光伏电池的最小单元。 图2-2 外部连接方式 2.2 光伏效应 2.2.1 光伏电池的伏安曲线 光伏电池的伏安曲线是二极管在黑暗时的伏安曲线与光生电流的叠加,用光照射电池并加上二极管的暗电流,则二极管的方程为 (2-1) 式中,n为二极管的理想系数;k为波尔兹曼常数;T为绝对温度;q为单位电荷量; 为二极管反向饱和电流; 为光生电流。 则伏安曲线方程为 (2-2) 下面讨论用于描述光伏电池特性的重要参数。短路电流( )和开路电压( )以及功率(P)与开路电压( )之间的关系,如图2-3所示。 图2-3 光伏电池特性 a) ISC与UOC的关系 b) P与UOC的关系 2.2.2 电阻效应 1.特征电阻 光伏电池的特征电阻就是电池在输出最大功率时的输出电阻,如图2-4所示的C点。 特征电阻也可以写成 (2-4) 2.寄生电阻 光伏电池的电阻效应消耗了电池的能量,降低了电池的发电效率。其中最常见的寄生电阻为串联电阻 和并联电阻 ,如图2-5所示的电池单二极管的等效电路。 3.串联电阻 串联电阻对光伏组件的I-U输出特性曲线在最大功率点附近的形状有着较大的影响。图2-6所示为串联内阻分别为参考值以及参考值的两倍和1/2时,光伏组件的I-U输出特性曲线,外部环境参数为温度25℃、光照强度1000W/m2。 图2-4 特征电阻 图2-5 单二极管的等效电路 图2-6 不同串联内阻 下光伏组件的I-U特性曲线 4.并联电阻 并联电阻 造成的功率损失通常是由制造缺陷引起的,并联电阻以分流的形式造成功率损失,减小了流经PN结的电流,同时还降低了光伏电池的电压。 5.串、并联电阻的共同影响 当并联电阻和串联电阻同时存在时,光伏电池的电流 与电压 关系为 (2-5) 2.2.3 其他效应 1.温度效应 2.光强效应 图2-7 不同温度T下光伏组件的I-U特性曲线 2.3 光伏电池板 1.简介 一块光伏电池板是由许多单光伏电池连接而成的,这样能增加输出功率。电池互联起来形成的光伏电池阵列最主要的问题是:①不匹配的电池之间的互联引起的损耗;②电池板的温度;③电池板的故障模式。光伏电池板如图2-10所示。 图2-10 光伏电池板 a) 单晶硅 b) 多晶硅 2.电池板的结构 一块光伏电池板是由许多互相连接的光伏电池单元封装而成的。 2.4 互联效应 2.4.1 组件电路的设计 通常将多块光伏电池单元串联成一块光伏电池板,以提高输出电压,如图2-11所示。独立光伏系统中,光伏组件的输出电压通常被设计成与12V蓄电池相匹配。由36块电池片组成的光伏电池组件,在标准测试条件下,输出的开路电压将达到21V左右,最大功率点处的工作电压大约为17V或18V。 图2-11 光伏电池组件的外形和连接形式 2.4.2 错配效应 错配损耗是由互相连接的电池
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