潘玉良,等:光伏发电系统最大输出效率探索

不可能在最大值上。

3所示,充电电流I可由下式表达:

I=Iph-Id-Ish

(2)

式中,Iph为光电流源的输出电流,不随工作状态而变化,它与入射光通量成正比。

Id为流过P-N结上的电流:

Id=Io〔exp(qVj/nkT)-1〕

(3)

(a)　I-V

特性曲线

图2

(b)　P-V特性曲线

Io为反向饱和电流,n为二极管性能指数,k为波尔

兹曼常数,T为绝对温度,q为单元电荷,Vj为结电压。

Ish为漏电流,与工作电压成正比:

Ish=Vj/Rsh

(4)

3　太阳能电池的内部等效电路

为了搞清楚太阳能电池工作的过程,以及影响太阳能电池工作效能的因素,须通过等效电路模拟来进行分析。

太阳能电池是利用半导体材料的电子特性把阳光直接转换成电能的一种固态器件。当阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时,在一定条件下,光能被半导

体吸收,在导带和价带中产生非平衡载流子——电子和空穴。由于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场,因而能在光照下形成电流密度J、短路电流Isc、开路电压Voc。若在内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,这就是光电池的基本工作原理,它把太阳

的光能直接变成了电能。

Rs为顶透明电极、底电极与光伏电池半导体的电阻之和的串联电阻。

模拟等效电路的输出电压为:

V=Vj-IRs

光伏电池的外特性为

I=Iph-Io〔exp(qVj/nkT)-1〕-(V+IRs)/Rsh

(6)(5)

4　光伏电池板上太阳辐射能转换形式

设太阳光照射到光伏电池板的辐射功率为E,

被电池板反射的功率为Ef,转化为热的功率为Eq,实际转化为电能的功率为Em。反射功率Ef应减少,本文暂不讨论。众所周知,太阳能电池板的转换效率还不是很高,目前实际使用硅材料光伏电池板的效率约为10%～20%(实验室中日本日立制作所研制的双面感光单晶硅太阳能电池的转换效率最高也只有27%,它已经非常接近单晶硅太阳能电池的理论值26%～28%)。可见,E中反射和转化为其它形式的能量高达80%～90%。

下面我们就太阳能电池板受到的辐射以及功率E的转换问题加以讨论。

用公式表示:

E=Ef+Eq+Em

(7)

图3　光电池等效模拟电路

下面对一恒定光照下的光电池单体进行等效模拟分析。“光生电流”可以用一恒定电流源模拟。太阳能电池本身是P-N结,故用二极管模拟;由于电池板材料前表面和后表面的电极和接触,以及材料本身有电阻率,基区和顶区不可避免引入附加电阻,工作时的负载电流必将引起电池板内部的串联损耗,引入串联损耗电阻Rs;此外由于太阳能电池板制作的工艺或材料等问题,电池板内部存在漏电,使本该流过负载的电流被短路了,故引入并联损耗电阻Rsh。那么,这个光电池单体的等效模拟电路如图

式中,Ef指被反射的功率,Eq为转化为其它形式能量的功率(大部分转化为热能,它大大增加了光伏电池板的温度,从而使电池板的性能下降使用寿命缩短)。Em可由下式表示:

Em=Ed+Esh+Es+ERL

(8)

式中,Ed为Id流过二极管所产生的功耗Ed=0.7Id;Esh为漏电流流过Rsh所产生的功耗,Esh=Ish2Rsh;Es为负载电流流过串联损耗电阻Rs所产生的功耗Es=I2Rs;ERL为实际外负载RL上获得的功

2

率ERL=IRL。(8)式中只有这项才有用。由此看出