一種基于教學過程的光伏組件電特性分析

李穎華 徐云龍 令前華

摘 要：光伏專業教學中，關于光伏組件的電性能部分，學生難以深入理解其作為電源與普通直流電源的本質區別。針對光伏組件電特性教學環節難學難教的特點，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行分析。這種比較理解法適用于光伏教學，使光伏組件教學過程事半功倍。

關鍵詞：光伏組件；電性能；比較分析

中圖分類號 ： G4 文獻標識碼：A 文章編號：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區別，本文深入電源本質來理解光伏組件電特性，研究適用于光伏教學與實踐的方法。光伏系統是一種基于光電轉換原理的新能源發電系統，而光伏組件中真正發電部件是光伏電池片。若要對光伏組件的電特性進行分析，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光電池并聯了一個正偏二極管，以及等效串聯電阻和等效并聯電阻[1]。光生伏特效應產生光電流Iph-cell，其中流過二極管的電流成為了漏電流Id，因此二極管的漏電流會抵消部分光生電流。等效串聯電阻是光伏電池片的體電阻、擴散層橫向電阻、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，其中擴散層橫向電阻為主要因素，小于1Ω。等效并聯電阻即旁路電阻，由硅晶體缺陷引起的邊緣漏電導致的，以及電池表面污染使一部分本來應該通過負載的電流短路形成電流Ish-cell，等效于存在一個并聯電阻（約幾kΩ）。串聯電阻越小，并聯電阻越大，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際電壓源特性對比

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，則為獨立電壓源。為了深入理解光伏組件電特性，先來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，與所接外電路無關[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為零時相當于短路。如圖1b）所示為直流電壓源的電特性，實際電源的電壓會隨著電源電流增加而下降[3]。特性曲線與電壓軸的交點Uoc表示電源不接負載時的開路電壓，隨著電流的增加，電壓沿直線下降，當電流超過某一額定值In后，電壓將急劇下降。為了得到電源在正常工作時的電路模型，將直線部分延長，與電流軸交點為（Isc，0）。該直線的方程為

式中Ro=Uoc/Isc稱為電源內阻，由直線的斜率確定。電路模型由電壓源Uoc和電阻Ro的串聯組成，電阻Ro的電壓降模擬實際電源電壓隨電流增加而下降的特性，Ro越小的電源，其電壓越穩定[4]。獨立電壓源電壓和電流間的約束關系由I-U平面上的一條直線來描述。

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

3.2 光伏組件的實際I-U特性

光伏組件I-U特性的3個關鍵點即峰值功率Pmax、開路電壓Uoc和短路電流Isc，此外還有峰值電流Iop、峰值電壓Vop、填充因子和轉換效率等。光伏組件短路時，電壓U=0，此時的電流即短路電流Isc，短路電流隨光強變化而變化。光伏組件不接負載時處于開路狀態，此時測到的電壓即開路電壓，光伏電池片串聯越多Uoc越大，36片電池片串聯的構成的光伏組件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準測試條件下（歐洲委員會101號標準條件是輻照度1kW/㎡、光譜AM1.5、測試溫度25℃）的輸出功率（Pmax=Uop×Iop）。

4 不同光強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度、陽光分布、溫度、陰影和光伏電池片晶體結構等因素，其中最關鍵的是光強和溫度[1]。光強和溫度隨時在變，所以Pmax通常用模擬儀測定并和國際認證機構的標準化的光伏電池進行比較。

1）光強：光伏組件的輸出功率與光強成正比，日照增強時組件輸出功率也隨之增強。當環境溫度相同且曲線的形狀保持一致時，光強增大，光伏組件的輸出電壓變化不大，但輸出電流增大較多，最大功率點上升。Isc隨光強增大而增大較多，Uoc變化小。光強從100W/m2上升到1000 W/m2過程中，光電流增長呈線性；溫度不變，光強從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，溫度上升導致工作電壓下降，最大功率點下降。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不同，光伏電池片溫度升高，開路電壓減小，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，當負載阻抗與光伏組件的輸出特性匹配得當時，光伏組件可輸出最高功率，產生最大的效率。當負載阻抗較大或者因為某種因素增大時，光伏組件將運行在高于最大功率點的電壓上，這時組件效率和輸出電流都會減小。當負載阻抗較小或者因為某種因素變小時，光伏組件的輸出電流將增大，光伏組件將運行在低于最大功率點的電壓上，組件的運行效率同樣會降低。

5 總結

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行分析。基于光伏組件電性能的分析以及不同角度的I-U特性比較，對理解光伏組件的電性能有很大促進作用，這種比較分析法可以解決光伏專業教學與實踐中，關于光伏組件的電性能部分難以理解的問題，使實踐過程事半功倍。

參考文獻

[1]徐云龍.光伏組件生產技術[M].機械工業出版社，2015.

[2]王慧玲.電路基礎[M].高等教育出版社，2014.

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

[4]劉全慧，趙仲羆，楊建民.對《應用疊加原理時較普遍存在的一個疏忽》一文的補充[J].大學物理，1993，（08）.