太陽能電池功率影響因素研究＊

李 廷，冮明穎，裴國斐

（遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

1 引言

太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最小的發(fā)電單元與元件，由于光生電流Ip只受光照強度的影響，與外接負(fù)載無關(guān)，所以，把Ip看作恒流電源，光電流Ip在負(fù)載R上產(chǎn)生的電壓降設(shè)為U，ID為通過p-n結(jié)的總擴散電流，與光生電流方向相反。RS為串聯(lián)電阻，它主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和接觸電阻組成。RSH為旁路電阻，它是由硅片的邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的。

由光伏電池等效電路可得輸出電流I等于光生電流Ip減掉p-n結(jié)的總擴散電流ID和流經(jīng)旁路電阻的電流。由于硅片的旁路電阻阻值相對比較大，流經(jīng)串聯(lián)電阻RS的電流可以近似為I，所以，恒流電源上的電壓為I乘以串聯(lián)電阻RS加上負(fù)載電阻上的電壓U，從而可得負(fù)載上的輸出電流，即是太陽能電池精確數(shù)學(xué)模型為：

根據(jù)光伏電池等效電路并結(jié)合式（1），研究太陽能電池的輸出特性，可得太陽能電池輸出特性曲線及各參數(shù)之間的關(guān)系。由于受外界環(huán)境因素和光伏電池自身內(nèi)部模塊的結(jié)構(gòu)等參數(shù)的影響，輸出特性表現(xiàn)出很明顯的非線性。在某一特定的工作環(huán)境（光照和溫度確定）中，太陽能光伏電池輸出特性曲線上存在唯一的點，該點即是最大功率輸出點。而對于I-V曲線，在該點的左邊區(qū)間內(nèi)，太陽能光伏電池則顯示了它本身的近似恒流源特性。

2 模型搭建

在實際工程中，太陽能電池組件是由許多光伏電池單元串聯(lián)和并聯(lián)形成的陣列，本文將理論研究數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化，一般RS數(shù)量級為mΩ，而RSH數(shù)量級為kΩ。因此，可以對其進(jìn)行相應(yīng)簡化，忽略“－（V＋I(xiàn)RS）/RSH項。又因為IO<

式（2）即為簡化的光伏電池組件數(shù)學(xué)模型，式中涉及

IP、IO、RS三個未知量，根據(jù)光伏電池生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)可知，溫度與光照度對IP、VOC的影響與Ki、Ku為光伏電池短路電流溫度系數(shù)、開路電壓溫度系數(shù)有關(guān)，且Ki、Ku通常數(shù)量級很小可忽略，則進(jìn)一步化簡得：IP＝Iscref、VOC＝Vocref.

當(dāng)光伏電池開路時，V＝VOC，I＝0，可求出IO的表達(dá)式。令常量MKT/q＝KO，且當(dāng)光伏電池工作于最大功率點時，將I

＝IMPPref，V＝VMPPref帶入式（2）得：如式（3）所示，該式可用于近似求取標(biāo)準(zhǔn)條件下光伏

電池在最大功率低處的串聯(lián)電阻。RS的大小隨環(huán)境改變的變

化量很小，所以，可求得電阻值進(jìn)行代替。RS直接與光伏電

池標(biāo)準(zhǔn)條件下2個運行參數(shù)Vocref和Iscref相關(guān)，且能夠保留對電流影響較大的串聯(lián)電阻，因此，該數(shù)學(xué)模型理論上更具

準(zhǔn)確性。根據(jù)文中對太陽能光伏電池簡化后數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)，

設(shè)太陽能光伏電池電氣參數(shù)為Vocref、Iscref、VMPPref、IMPPref，可搭建其Matlab/simulink仿真模型。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

利用新能源實驗室對薄膜、單晶硅、多晶硅等太陽能電池進(jìn)行實驗測量，薄膜光伏電池在光照強度分別為弱光、中光、強光時的最小阻值條件下，測量電流為0.05A、0.29A、0.39 A，測量電壓為0.5 V、2.0 V、2.8 V；在最大阻值條件下，測量電流為0.06A、0.3A、0.36A，測量電壓為3.5 V、15.5 V、18.7 V；光照強度分別為弱光、中光、強光時開路電壓為78.6 V、82.2 V、81.4 V，最大功率為0.21 W、4.65 W、6.73 W。單晶硅太陽能電池在光照強度分別為弱光、中光、強光時的最小阻值條件下，測量電流為1.53 A、1.66 A、2.67A，測量電壓為10.6 V、11.6 V、18.6 V；在最大阻值條件下，測量電流為0.6 A、0.77 A、0.77 A，測量電壓為30.9 V、39.0 V、36.03 V；光照強度分別為弱光、中光、強光時，開路電壓為40.5 V、40.0 V、40.5 V，分別在電壓為30.9 V、37.2 V、36.8 V時，獲得最大輸出功率為18.54 W、54.68 W、79.86 W。單晶硅太陽能電池根據(jù)實驗測量數(shù)據(jù)所繪制的特性曲線如圖1所示。

多晶硅太陽能電池在光照強度分別為弱光、中光、強光時的最小阻值條件下，測量電流為1.29A、2.24A、3.05A，測量電壓為9.1 V、15.7 V、21 V；在最大阻值條件下，測量電流為0.53A、0.64A、0.64A，測量電壓為27.9 V、32.3 V、32.2 V；當(dāng)光照強度分別為弱光、中光、強光時，開路電壓為32.9 V、32.6 V、33.2 V，電壓為25.9 V、27.4 V、29.4 V時獲得最大輸出功率為14.29 W、52.36 W、74.38 W。

分析上述實驗數(shù)據(jù)可得，在相同開路電壓下，單晶硅太陽能電池的短路電流遠(yuǎn)大于非晶硅太陽能電池的短路電流，總趨勢即開始較平緩，到某一點后開始下降。單晶硅太陽能電池的輸出功率大于非晶硅太陽能電池的輸出功率，總的趨勢是先增后減，即存在最大輸出功率。負(fù)載阻抗主要影響太陽能電池的輸出功率，負(fù)載不等時工作點不同。雖然光伏電池模型中的串聯(lián)電阻對短路電流和開路電壓影響不大，但在很大程度上影響最大功率點處的輸出功率值。對不同光照強度下太陽能電池的輸出特性曲線進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)光照強度對最大功率點處的電壓和開路電壓影響不顯著。

4 結(jié)論

本文借助新能源實驗室實驗平臺，采取理論分析與實驗驗證相結(jié)合的方法進(jìn)行相關(guān)論證，得出以下結(jié)論：①在相同溫度條件下，光強較強時，最佳阻值較小，最大輸出功率較大。當(dāng)光強減小時，開路電壓和短路電流都減小。②在相同光照條件下，溫度較高時，最佳阻值較小，最大輸出功率較小。當(dāng)溫度升高時，開路電壓變小，短路電流有小幅度提升?？傮w而言，輸出最大功率是變小的。③在適當(dāng)條件下，減小太陽能電池器件的溫度，增大光照強度，可以提高太陽能電池的輸出功率。

［1］胡長武，李寶國，王蘭夢，等.光伏電池簡化數(shù)學(xué)模型的Matlab/Simulink仿真研究［J］.可再生能源，2013，31（10）：20-24.

［2］吳洋，張嬡嬡，侯奎.光伏電池的建模與仿真［J］.科技視界，2017（09）：1-2.