李穎華 徐云龍 令前華

摘 要：光伏專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，關(guān)于光伏組件的電性能部分，學(xué)生難以深入理解其作為電源與普通直流電源的本質(zhì)區(qū)別。針對(duì)光伏組件電特性教學(xué)環(huán)節(jié)難學(xué)難教的特點(diǎn)，本文比較了光伏組件與普通直流電源的電特性，從光伏電池片電特性、直流電壓源電特性、光伏組件電特性及影響光伏組件輸出特性的因素等方面進(jìn)行分析。這種比較理解法適用于光伏教學(xué)，使光伏組件教學(xué)過(guò)程事半功倍。

關(guān)鍵詞：光伏組件；電性能；比較分析

中圖分類(lèi)號(hào) ： G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）09（B）-0000-00

光伏組件作為電源與普通直流電源有本質(zhì)區(qū)別，本文深入電源本質(zhì)來(lái)理解光伏組件電特性，研究適用于光伏教學(xué)與實(shí)踐的方法。光伏系統(tǒng)是一種基于光電轉(zhuǎn)換原理的新能源發(fā)電系統(tǒng)，而光伏組件中真正發(fā)電部件是光伏電池片。若要對(duì)光伏組件的電特性進(jìn)行分析，先分析光伏電池片的電特性。

1 硅光伏電池片的等效電路分析

如圖1a）所示硅光伏電池片的等效電路圖，光伏電池片可等效為一個(gè)光電池并聯(lián)了一個(gè)正偏二極管，以及等效串聯(lián)電阻和等效并聯(lián)電阻[1]。光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生光電流Iph-cell，其中流過(guò)二極管的電流成為了漏電流Id，因此二極管的漏電流會(huì)抵消部分光生電流。等效串聯(lián)電阻是光伏電池片的體電阻、擴(kuò)散層橫向電阻、金屬電極與電池片體的接觸電阻，以及金屬電極自身電阻混合而成的，其中擴(kuò)散層橫向電阻為主要因素，小于1Ω。等效并聯(lián)電阻即旁路電阻，由硅晶體缺陷引起的邊緣漏電導(dǎo)致的，以及電池表面污染使一部分本來(lái)應(yīng)該通過(guò)負(fù)載的電流短路形成電流Ish-cell，等效于存在一個(gè)并聯(lián)電阻（約幾kΩ）。串聯(lián)電阻越小，并聯(lián)電阻越大，電性能越好，就越接近理想的光伏電池片。光伏組件的電特性便由若干光伏電池片電特性疊加而成，分析光伏組件的發(fā)電特性，與直流電壓源的分析方法一致。

a） 硅電池片等效電路 b）電壓源的I-U特性

圖1 硅電池片等效電路與實(shí)際電壓源特性對(duì)比

2 直流電壓源的I-U特性

若二端元件電流可變，電壓保持常量Uoc，則為獨(dú)立電壓源。為了深入理解光伏組件電特性，先來(lái)研究直流電源電特性。電壓源自身電壓Uoc由其本身特性決定，與所接外電路無(wú)關(guān)[2]；而電壓源的電流還需考慮外電路的影響，電壓源輸出到外電路的電壓U為零時(shí)相當(dāng)于短路。如圖1b）所示為直流電壓源的電特性，實(shí)際電源的電壓會(huì)隨著電源電流增加而下降[3]。特性曲線與電壓軸的交點(diǎn)Uoc表示電源不接負(fù)載時(shí)的開(kāi)路電壓，隨著電流的增加，電壓沿直線下降，當(dāng)電流超過(guò)某一額定值In后，電壓將急劇下降。為了得到電源在正常工作時(shí)的電路模型，將直線部分延長(zhǎng)，與電流軸交點(diǎn)為（Isc，0）。該直線的方程為

式中Ro=Uoc/Isc稱(chēng)為電源內(nèi)阻，由直線的斜率確定。電路模型由電壓源Uoc和電阻Ro的串聯(lián)組成，電阻Ro的電壓降模擬實(shí)際電源電壓隨電流增加而下降的特性，Ro越小的電源，其電壓越穩(wěn)定[4]。獨(dú)立電壓源電壓和電流間的約束關(guān)系由I-U平面上的一條直線來(lái)描述。

3 光伏組件的I-U特性

光伏組件的電特性不像直流電壓源電特性那樣呈現(xiàn)很好的直線特性，因?yàn)楣夥娫刺匦允欠蔷€性的。那么與電壓源的直線電特性比較，光伏電池片的I-U特性有兩種可能。

a）凹線 b）凸線

圖2 光伏組件電流-電壓曲線的兩種情況

3.1兩種I-U曲線比較

1）如圖2a所示，a點(diǎn)之前電流下降很快，而電壓增加的很慢；a點(diǎn)之后電壓增加幅度大，但電流下降接近于0。顯然實(shí)際光伏電源工作中，這樣的電特性始終無(wú)法滿(mǎn)足需要。2）如圖2b所示，a點(diǎn)之前電流下降了，而電壓增加的更快；a點(diǎn)之后電壓增加幅度變小，但電流下降向0靠近。顯然實(shí)際光伏電源工作中，這樣的電特性比較適合。另外，從功率的角度去比較，圖2b中任一工作點(diǎn)的功率都比在普通電壓源直線特性相同工作點(diǎn)的功率大，不像2a圖中功率小得太多。

3.2 光伏組件的實(shí)際I-U特性

光伏組件I-U特性的3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)即峰值功率Pmax、開(kāi)路電壓Uoc和短路電流Isc，此外還有峰值電流Iop、峰值電壓Vop、填充因子和轉(zhuǎn)換效率等。光伏組件短路時(shí)，電壓U=0，此時(shí)的電流即短路電流Isc，短路電流隨光強(qiáng)變化而變化。光伏組件不接負(fù)載時(shí)處于開(kāi)路狀態(tài)，此時(shí)測(cè)到的電壓即開(kāi)路電壓，光伏電池片串聯(lián)越多Uoc越大，36片電池片串聯(lián)的構(gòu)成的光伏組件Uoc=21V左右。即峰值功率（最大輸出功率或最佳輸出功率），指光伏組件工作在正常條件或標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下（歐洲委員會(huì)101號(hào)標(biāo)準(zhǔn)條件是輻照度1kW/㎡、光譜AM1.5、測(cè)試溫度25℃）的輸出功率（Pmax=Uop×Iop）。

4 不同光強(qiáng)和不同溫度下的光伏組件I-U特性

光伏組件的輸出功率取決于光照強(qiáng)度、陽(yáng)光分布、溫度、陰影和光伏電池片晶體結(jié)構(gòu)等因素，其中最關(guān)鍵的是光強(qiáng)和溫度[1]。光強(qiáng)和溫度隨時(shí)在變，所以Pmax通常用模擬儀測(cè)定并和國(guó)際認(rèn)證機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化的光伏電池進(jìn)行比較。

1）光強(qiáng)：光伏組件的輸出功率與光強(qiáng)成正比，日照增強(qiáng)時(shí)組件輸出功率也隨之增強(qiáng)。當(dāng)環(huán)境溫度相同且曲線的形狀保持一致時(shí)，光強(qiáng)增大，光伏組件的輸出電壓變化不大，但輸出電流增大較多，最大功率點(diǎn)上升。Isc隨光強(qiáng)增大而增大較多，Uoc變化小。光強(qiáng)從100W/m2上升到1000 W/m2過(guò)程中，光電流增長(zhǎng)呈線性；溫度不變，光強(qiáng)從400 W/m2上升到1000 W/m2，光伏組件輸出電壓變化很小。2）溫度：光伏組件溫度越高，工作效率越低，溫度上升導(dǎo)致工作電壓下降，最大功率點(diǎn)下降。溫度每升高1℃，光伏電池片的輸出電壓下降約5mV，那么光伏組件輸出電壓下降約0.18V（36片）或0.36V左右（72片）。不同光伏組件溫度系數(shù)不同，光伏電池片溫度升高，開(kāi)路電壓減小，在20℃～100℃，溫度每增加1℃，光伏電池片的電壓減小2mV左右；而光電流隨溫度的增加略有上升，溫度每增加1℃，光伏電池片的光電流增加千分之一左右。

另外，當(dāng)負(fù)載阻抗與光伏組件的輸出特性匹配得當(dāng)時(shí)，光伏組件可輸出最高功率，產(chǎn)生最大的效率。當(dāng)負(fù)載阻抗較大或者因?yàn)槟撤N因素增大時(shí)，光伏組件將運(yùn)行在高于最大功率點(diǎn)的電壓上，這時(shí)組件效率和輸出電流都會(huì)減小。當(dāng)負(fù)載阻抗較小或者因?yàn)槟撤N因素變小時(shí)，光伏組件的輸出電流將增大，光伏組件將運(yùn)行在低于最大功率點(diǎn)的電壓上，組件的運(yùn)行效率同樣會(huì)降低。

5 總結(jié)

本文比較了光伏組件與普通直流電源的電特性，從光伏電池片電特性、直流電壓源電特性、光伏組件電特性及影響光伏組件輸出特性的因素等方面進(jìn)行分析?；诠夥M件電性能的分析以及不同角度的I-U特性比較，對(duì)理解光伏組件的電性能有很大促進(jìn)作用，這種比較分析法可以解決光伏專(zhuān)業(yè)教學(xué)與實(shí)踐中，關(guān)于光伏組件的電性能部分難以理解的問(wèn)題，使實(shí)踐過(guò)程事半功倍。

參考文獻(xiàn)

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[3]沈元華.以疊加原理為綱統(tǒng)帥傳統(tǒng)光學(xué)[J].大學(xué)物理，1997，（09）.

[4]劉全慧，趙仲羆，楊建民.對(duì)《應(yīng)用疊加原理時(shí)較普遍存在的一個(gè)疏忽》一文的補(bǔ)充[J].大學(xué)物理，1993，（08）.