太陽能電池功率影響因素研究＊

李 廷，冮明穎，裴國斐

（遼寧工業大學 電氣工程學院，遼寧 錦州 121001）

1 引言

太陽能電池是光伏發電系統中最小的發電單元與元件，由于光生電流Ip只受光照強度的影響，與外接負載無關，所以，把Ip看作恒流電源，光電流Ip在負載R上產生的電壓降設為U，ID為通過p-n結的總擴散電流，與光生電流方向相反。RS為串聯電阻，它主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導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結的總擴散電流ID和流經旁路電阻的電流。由于硅片的旁路電阻阻值相對比較大，流經串聯電阻RS的電流可以近似為I，所以，恒流電源上的電壓為I乘以串聯電阻RS加上負載電阻上的電壓U，從而可得負載上的輸出電流，即是太陽能電池精確數學模型為：

根據光伏電池等效電路并結合式（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之間的關系。由于受外界環境因素和光伏電池自身內部模塊的結構等參數的影響，輸出特性表現出很明顯的非線性。在某一特定的工作環境（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，在該點的左邊區間內，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和并聯形成的陣列，本文將理論研究數學模型進行簡化，一般RS數量級為mΩ，而RSH數量級為kΩ。因此，可以對其進行相應簡化，忽略“－（V＋IRS）/RSH項。又因為IO<

式（2）即為簡化的光伏電池組件數學模型，式中涉及

IP、IO、RS三個未知量，根據光伏電池生產廠家提供的數據可知，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、開路電壓溫度系數有關，且Ki、Ku通常數量級很小可忽略，則進一步化簡得：IP＝Iscref、VOC＝Vocref.

當光伏電池開路時，V＝VOC，I＝0，可求出IO的表達式。令常量MKT/q＝KO，且當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準條件下光伏

電池在最大功率低處的串聯電阻。RS的大小隨環境改變的變

化量很小，所以，可求得電阻值進行代替。RS直接與光伏電

池標準條件下2個運行參數Vocref和Iscref相關，且能夠保留對電流影響較大的串聯電阻，因此，該數學模型理論上更具

準確性。根據文中對太陽能光伏電池簡化后數學模型的推導，

設太陽能光伏電池電氣參數為Vocref、Iscref、VMPPref、IMPPref，可搭建其Matlab/simulink仿真模型。

3 實驗數據分析

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實驗測量數據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。

分析上述實驗數據可得，在相同開路電壓下，單晶硅太陽能電池的短路電流遠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。負載阻抗主要影響太陽能電池的輸出功率，負載不等時工作點不同。雖然光伏電池模型中的串聯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行比較，可發現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合的方法進行相關論證，得出以下結論：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。當溫度升高時，開路電壓變小，短路電流有小幅度提升。總體而言，輸出最大功率是變小的。③在適當條件下，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.光伏電池簡化數學模型的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.