二极管在光伏阵列中的作用.doc

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1、.太阳能光电工程学院应用光伏学课程设计报告书题 目：二极管在光伏阵列中的作用及原理分析_专 业：10班 级： 10准考证号：设计成绩：指导摘 要二极管在光伏系统中发挥着重大的作用,本文首先从二极管的作用及原理入手,系统的介绍了光伏阵列所需二极管的种类、特性及在系统中的作用,并系统阐述了二极管在光伏阵列的工作原理。在本文我们用图表的形式来描述太阳能电池的内部结构、伏安特性,并以此为基础建立等效电路图。利用Matlab和Simulink仿真工具,建立光伏阵列的仿真模型,通过仿真计算和分析可知,在太阳电池模型中的二极管D 是起到分流光生电流的作用,二极管的导通电压的大小可以影响太阳电池输出电流,提高

2、二极管D 的导通电压,可以减小太阳电池的暗电流,提高太阳电池的输出功率,而在光伏组件中反向并联旁路二极管作用是可以减小热斑现象对光伏组件影响,选择导通电压低的旁路二极管可以提高组件或光伏阵列的输出功率,得出在组成光伏阵列的支路中串联二极管可以起到电压钳位作用,但能引起附加损耗的结论。研究结果表明正确选择二极管的导通电压对提高光伏组件和阵列输出功率是有益的。太阳能电池阵列对于遮挡十分敏感。中间解释了在串联回路中,每个组件或部分电池被遮光,就可能造成该组件或电池上产生反向电压,严重时可能对组件造成永久性的损坏。由此引起的热斑效应。关键词:太阳能电池 二极管 光伏阵列 目 录绪言31.二极管原理41

3、.1 二极管概要41.2 二极管特性42.二极管在光伏阵列中的作用42.1太阳能电池特性42.2二极管在光伏阵列中的作用63.光伏阵列的仿真9参考文献11绪 言随着全球气候变暖、污染问。题日益严重,从传统能源向可再生能源的转变势在必行。其中太阳能作为可再生能源的重要部分,最近几年已经得到了很广泛的应用,如何提高太阳能的利用效率成为研究热点之一。本文首先对二极管的工作原理入手,利用太阳能的内部结构、伏安特性建立等效电路,再根据电路分析的知识解答伏安特性的表达式。分析二极管在太阳能电池、组件及阵列中的作用,及其导通电压的大小对光伏应用效果的影响。详细的介绍了旁路二极管,以及在光伏阵列中的作用。利用

4、Matlab 和Simulink仿真工具建立光伏阵列的仿真模型,从而更加系统的说明二极管对光伏阵列的影响,其分析结果具有较好的实践价值。通过仿真计算和分析可知,在太阳电池模型中的二极管D 是起到分流光生电流的作用,二极管的导通电压的大小可以影响太阳电池输出电流,提高二极管D 的导通电压,可以减小太阳电池的暗电流,提高太阳电池的输出功率,而在光伏组件中反向并联旁路二极管作用是可以减小热斑现象对光伏组件影响,选择导通电压低的旁路二极管可以提高组件或光伏阵列的输出功率。在组成光伏阵列的支路中串联二极管可以起到电压钳位作用,但能引起附加损耗;而在阵列支路中没有串联二极管,在出现光斑现象严重时,可能出现

5、支路间的回路电流,增加了电路的附加损耗。由于二极管导通时有损耗,建议使用导通电压低的二极管。1.二极管原理1.1二极管概要二极管又称晶体二极管,简称二极管;它只往一个方向传送电流的电子零件。它是一种具有1个零件号接合的2个端子的器件,具有按照外加电压的方向,使电流流动或不流动的性质。晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场。当不存在外加电压时,由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。1.2二极管特性二极管的单向导电特性,几乎在所有的电子电路中,都要用到半导体二极管,它在许多的电路中起着

6、重要的作用,它是诞生最早的半导体器件之一,其应用也非常广泛。二极管的管压降：硅二极管不发光类型正向管压降0.7v,锗管正向压降为0.3v发光二极管正向管压降为随不同发光颜色而不同。二极管的电压与电流不是线性关系,所以在将不同的二极管并联的时候要接相适应的电阻。晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场。当不存在外加电压时,由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时,外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。2.二极管在光伏阵列中的作用2.1太

7、阳能电池特性太阳电池发电的能量来源于太阳,当受光照射的光伏电池接上负载时,光生电流流过负载,并在负载的两端建立起端电压,这时晶硅太阳电池的等效电路图如图1 所示,太阳电池通常用半导体制成的p-n 结的光伏器件,因而太阳电池的基本特性和二极管相似,它的伏安特性曲线是单调增长或单调下降的,它同时是电流控制又是电压控制的。具有单调型非线性电阻的特性,非线性电阻是单向性的,当加在非线性电阻两端的电压方向不同时,流过它的电流完全不同。图1 光伏电池等效电路图图1 中太阳电池看作为稳定地光生电流Iph的电流源,与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻Rsh 。显然正向二极管的暗电流Id和并联电阻

8、的旁路电流Ish都要靠Iph来提供,剩余的电流经过一个串联电阻RS流出太阳电池而进入负载RL 。利用Simulink 建立太阳电池模型并对1 000W/m2的光照强度下的太阳电池进行仿真,由此得到单元太阳电池特性曲线如图2,从太阳电池特性曲线中可以看出,太阳电池是一种非线性直流电源,从负载端看太阳电池具有电流源的特性即可以短路,也具有电压源的特性即可以开路,其动态电阻是电压对电流的导数,对不同日照情况每条曲线都存在一个最大输出功率点,这个功率点对应唯一的输出电压和电流。硅太阳电池的工作点是太阳电池V-I 曲线与负载特性曲线的交点。最大功率跟踪就是改变负载电阻从太阳电池电源中获得最大功率。负载电

9、阻的改变可以通过PWM 控制技术实现,这样就实现了最大功率点的跟踪控制。但是值得注意的是硅太阳电池具有非线性特性,即使相同的太阳电池,在不同的光强照射下,它的等效匹配电阻也是不同的,当光照强度改变时,其端口的等效匹配电阻就发生变化,为了获得最大的输出功率,必须通过改变负载电阻以匹配。光照强度对晶硅太阳电池最大功率点处的电压Ums影响不大,但是流过负载的电流却随着光强度的增加而大幅增加,因此最佳匹配等效电阻减小。具有近似反比例函数关系。图2 太阳电池特性曲线因太阳电池是由p-n 将光能转化电能,其并联二极管D 就有势垒电压,这个电压影响二极管D的导通电压,对其开路电压是有影响的,同时二极管D 的

10、导通电压的大小可以确定暗电流Id大小,当光生电流Iph的数值一定时,也确定太阳电池的输出电流的大小,进而影响输出功率。2.2二极管在光伏阵列中的作用太阳能电池阵列对于遮挡十分敏感。在串联回路中,每个组件或部分电池被遮光,就可能造成该组件或电池上产生反向电压,严重时可能对组件造成永久性的损坏。因此,在安排光伏电池板串联时,一般是先根据所需电压,将若干光伏电池组件串联,构成若干串列,再根据电池所需电流容量进行并联。光伏电池并联时,如果一串联支路中部分电池的光照被遮挡,将被当做负载消耗其他有光照的太阳能电池串列所产生的能量。被遮挡的太阳能电池组件此时将会发热,这就是热斑效应。为了减少热斑效应的影响,

11、在串联回路中的每个光伏电池组件上安装旁路二极管,被遮挡电池板将通过旁路二极管导通整个阵列的电流,使被遮挡的光伏电池不构成负载。在储能的蓄电池或逆变器与光伏阵列之间串联一个屏蔽二极管,又称防反充二极管、阻塞二极管或闭锁二极管。其作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨天和夜晚不发电或出现短路故障时,光伏电池所发电压低于其供电的直流母线电压,蓄电池或逆变器向光伏阵列反向放点,导致光伏电池板反充发热造成损坏,缩短蓄电池的使用寿命。屏蔽二极管串联在太阳能电池阵列电路中,起单向导通的作用。它必须能够承受足够大的电流,而且正向电压降要小,反向饱和电流都要很小,避免电能无谓的消耗在二极管中。如果阵列的功率很大,可以

12、用几个二极管并联或者分别把每个二极管接在阵列的一个串联组件上,然后并联接出,一般那可选用合适的整流二极管作为防反充二极管。热斑效应是指当组件中的一个电池或一组电池被遮光或损坏时,工作电流超过了该电池或电池组降低了的短路电流,在组件中会发生热斑加热。此时受影响的电池或电池组被置于反向偏置状态,消耗功率,从而引起过热。可见,热斑即组件发热或局部发热,热斑处电池片受到损伤,降低组件功率输出甚至导致组件报废,严重降低组件的使用寿命,对电站发电等安全造成隐患。热量聚集导致组件不良或损坏。电池组件热斑的形成,外部因素主要事组件或局部组件受到遮挡物遮挡,常见的遮挡物有：树叶、尘土、云层、动物及动物粪便、积雪

13、等；内在因素有太阳电池内阻和太阳电池自身逆电流大小有关。从电池片的实际等效电路即可分析到此结论。负载与太阳电池内阻串联,由等效电路图得到流过负载的电流：I= Iph ID ISh 则串联电阻工作功率：P = I2Rs ,故Rs 对电池片温度的影响是肯定的,对于电池片来讲,内阻越小越好。内阻主要是电池片自身由于制作工艺产生的内阻外,还有就是焊带产生的内阻,因此,对于电池片的焊接工艺应该引起充分重视,对焊带的选择也应该选择内阻小的为好；至于逆电流因素,还是要从实际等效电路分析,对于不同的电池片,其暗电流有差异。组件短路,遮挡组件上的某片电池片无法正常工作,相对于组件来说其是个内阻,消耗：P = I

14、2 R 。由图知被遮挡的电池片的生热电流为 I = ID + ISh I :逆电流,ID :暗电流,Ish: 漏电流,故,逆电流较大的太阳电池硅片,在外界环境相同的条件下,其产生热斑的可能性较大。安装在外部环境下的组件阵列温度T与日照强度L、系统环境温度Ts、内阻产生的温度Ti相关。组件温度可表示为：T = T0 Ts +L TiT0、是根据实验数据按最小二乘法处理后所得的系数,系数值与所使用的太阳电池的类型、安装地点、支架形式等因素都有关系热斑的危害是巨大的,而且组件阵列电站如在无人维护的情况下,热斑效应也极易发生,怎么才能避免或减轻热斑的对组件的不利影响成为组件设计的重要问题。现在的情况是

15、在组件电池串上并联旁路二极管的方法来减轻热斑的影响。首先来看看热斑的形成原理：图3 热斑形成原理被遮挡的电池片不再发电,自身相当于一个消耗电阻；在其两端产生S-1 片电池片的方向偏压,如无旁路二极管保护,则组件电流流过后将产生热量。组件的正向I-V特性曲线和被遮挡的电池片的反向I-V特性曲线相交出形成的阴影为电池片的最大消耗功率。在每个光伏组件上并联一个正向二极管实现电流的旁路,该二极管称为旁路二极管。其具体的连接方法是在每个光伏电池板输出端子处正向并联旁路二极管,认为降低光伏电池板正向的等效击穿电压。旁路二极管平时不工作,耐受反向偏压,正常运行期间不存在功率消耗。大多数旁路二极管的最大击穿电

16、压只有45V 到60V。然而,它们能处理的静电放电也较低。当光伏阵列由若干串列并联时,在每串中都要串联二极管,随后在并联,以防某串列出现遮挡或故障时消耗能量和影响其它正常阵列的能量输出。该二极管称为隔离二极管,隔离二极管从一定意义上说也是屏蔽二极管。施工现场中系统总要安装蓄电池,有时由于不注意,或为弄懂其工作原理,可能会将正负极接错。现在一般采用二极管对电路进行保护或用继电器防止反接,使蓄电池接错时不闭合,系统中无电流,但继电器要消耗23W的电能,而且全天耗能。在阴天时这种能耗则相当可观。而只安装二极管只能保护电路中的器件免受损失却无法保护蓄电池组。系统中的二极管通常使用整流型的二极管,其容量

17、选型要留有余量,其电流容量应能够达到预期最大运行电流的两倍,耐压容量应能够达到反向最大工作电压的两倍。串联在电路中的屏蔽二极管由于存在导通管压降,运行期间要消耗一定的功率,一般小容量整流型硅二极管压降在0.6V左右,其消耗的功率为其所通过电流值乘以管压降电压值,不要忽视这部分损耗,如光伏阵列输出的额定电压是100V,在二极管上的功率和电阻损耗将达到0.6%,大容量整流型二极管模块由于其管压降高达12V左右,其损耗将更大。若将此屏蔽二极管由硅整流型二极管换为肖特基二极管,其管压降降为0.2V0.3V,对节约功率损耗有一定效果,但肖特基二极管容量和耐压值一般来说相对较小。太阳能光伏板外接旁路二极管

18、,生产费用增多,重量增加。因此可使用整体二极管太阳能电池代替旁路二极管,可以收到同样效果。整体二极管电池是太阳能电池与二极管的组合体,同制作在一块硅片上。二极管可制作电池的正面,也可制作在电池的背面。如果利用制作电池时形成的p-n结在电池的正面制得一个台面型二极管,就称为台面型二极硅太阳能电池。总之,每块组件中都反向并联二个二极管,二极管将组件中单元电池均匀分成二部分,每部分串联的单元电池的正负极反向并接一个二极管,再串联组成组件,二极管反向串联桥式并接在这个组件中,用这些组件串联可以组成适合逆变器端口电压的光伏阵列,如果在这条支路中有一个二极管不能正常工作,这时的现象等同与没有反向并联旁路二

19、极管的单体电池串联情况,当二极管都可以正常工作时,二极管不影响组件的端电压和电流; 如出现热斑现象,并联旁路二极管可以为一部分电流提供通路,使支路电流没有降低太多,保证组件的输出功率降低不大。由于每个光伏阵列的功率一般有几千瓦到几百千瓦,一个串联支路满足不了,有几个或十几个支路并联,每个支路串联一个二极管或没有串联二极管并联送至逆变器的输入端口。3.光伏阵列的仿真并联旁路二极管可以为一部分电流提供通路,使支路电流没有降低太多,保证组件的输出功率降低不大。由于每个光伏阵列的功率一般有几千瓦到几百千瓦,一个串联支路满足不了,有几个或十几个支路并联,每个支路串联一个二极管或没有串联二极管并联送至逆变

20、器的输入端口,以二条支路为例进行仿真计算,每条支路串联9 块组件,组件特性同上,并考虑支路中的一块组件被遮挡,其余的没被遮挡,表4、表5 是阵列输出功率最大时的仿真结果。从表4可以看出在支路中串联二极管引起附加损耗,并且当二极管的导通电压提高损耗会随之增加,但会对支路的工作电压起到钳位作用,当出现光线遮挡时,支路、支路的工作电流不同,互不影响。从表5 得到由于没有二极管的损耗,阵列总输出功率比阵列中串联二极管的总输出功率高,由于光强度对硅太阳电池最大功率点处的电压影响不大,因而对阵列的最佳工作电压影响较小,支路、支路的工作电流也是不同的,在最大输出功率工作点处,支路、支路联合向负载提供功率,但

21、需要说明的是,在阵列的端电压接近开路电压时,支路的电流为负,等于支路的电流,在两条支路中形成了回路,也就是说,支路分流了支路的电流,减小了向负载提供电流,引起回路中的附加损耗,并且这种现象随着光强度的减弱而加重。通过仿真计算和分析可知,在太阳电池模型中的二极管D 是起到分流光生电流的作用,二极管的导通电压的大小可以影响太阳电池输出电流,提高二极管D 的导通电压,可以减小太阳电池的暗电流,提高太阳电池的输出功率,而在光伏组件中反向并联旁路二极管作用是可以减小热斑现象对光伏组件影响,选择导通电压低的旁路二极管可以提高组件或光伏阵列的输出功率。在组成光伏阵列的支路中串联二极管可以起到电压钳位作用,但能引起附加损耗;而在阵列支路中没有串联二极管,在出现光斑现象严重时,可能出现支路间的回路电流,增加了电路的附加损耗。由于二极管导通时有损耗,建议使用导通电压低的二极管。参考文献1王长贵,王斯成太阳能光伏发电实用技术M. 2 XX工业大学学报,2006,38 : 1888 18923 XX大学学报: 工学版,2008,39 : 122 1264 北京: 国防工业出版社,2009,133 1915 XX大学学报: 工程技术版,2006,21 : 74 77.