光伏電池工作原理與物理建模方法分析

林 洪 袁紅波

（國網聊城供電公司，山東聊城252000）

0 引言

當前，傳統(tǒng)能源儲量日益減少，且化石能源發(fā)電給環(huán)境帶來的影響已越來越引起人們的重視[1]。充分利用風能、太陽能等可再生能源發(fā)電成為各個國家在發(fā)電領域研究的熱點。我國風能主要集中在偏遠山區(qū)、西北地區(qū)及東南沿海等，相比于風力發(fā)電對地域、占地及建設環(huán)境的要求，太陽能發(fā)電以其安裝的便捷性及對建設環(huán)境的較小影響，而日益呈現(xiàn)出多樣性的發(fā)展方向：它不僅可以在偏遠且太陽能充沛的地區(qū)進行集中配置，還可以在城市的樓宇頂部、鄉(xiāng)村房頂、別墅屋頂?shù)冗M行分散式配置。太陽能發(fā)電運行模式在滿足自身需求的同時，可將多余的能量反饋回電網盈利。

《2019全球可再生能源報告》數(shù)據顯示，太陽能光伏新增裝機約100 GW，占可再生能源新增裝機的55%，總容量達到505 GW。2018年全國新增光伏發(fā)電裝機容量4 426萬kW，截至2018年底累計光伏發(fā)電裝機容量達1.74億kW，約占總裝機容量的9%，全年新增和累計裝機容量均居世界首位[2]。《能源生產和消費革命戰(zhàn)略（2016—2030）》提出，爭取到2020年和2030年，非化石能源占一次能源消費的比重達到15%和20%，實現(xiàn)2050年能源消費的總量基本穩(wěn)定，非化石能源占比超過50%，建成能源文明消費型社會[3]。《中國可再生能源發(fā)展路線圖2050》表明，到2050年，中國電力供應中的可再生能源發(fā)電比例將達到86%。

本文對光伏發(fā)電的原理及模型進行了論述，為后期光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略設計奠定了基礎。

1 光伏電池工作原理

光伏電池作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本單元，主要是基于半導體的光生伏特效應將太陽能轉換為電能。它的主要原理是：當太陽光照射到光伏電池時，光伏電池吸收了其中一部分輻射能，產生電子—空穴對。在電池內建電場的作用下，電子和空穴被分離，電子向N區(qū)移動，空穴向P區(qū)轉移，使得N區(qū)帶負電荷，P區(qū)帶正電荷，即在PN結附近產生與內建電場方向相反的光生電壓，這就是光生伏特效應[4]，如圖1所示。這時若在P區(qū)和N區(qū)分別接上金屬導線，連接負載，則有“光生電流”流過負載，就有功率輸出，實現(xiàn)了光電轉換。

圖1 光伏電池工作原理

2 光伏電池物理建模

光伏電池的數(shù)學模型主要包括單二極管模型、雙二極管模型等。

2.1 單二極管模型

光伏電池的理想模型由一個光生電流源Iph和二極管D并聯(lián)構成，若考慮光伏電池的內阻，則需要在光伏電池理想模型的電路圖中加入一個串聯(lián)等效電阻Rs和一個并聯(lián)等效電阻Rsh，得到光伏電池的單二極管模型，如圖2所示。

圖2 光伏電池單二極管等效電路模型圖

光伏電池單二極管模型的輸出電流I和輸出電壓V的關系式為：

式中：k和q為常量，其值分別為1.831×10-23J/K和1.602×10-19C；A為擬合系數(shù)且是一個變量；Is代表二極管飽和電流。

光照強度和光伏電池的實際工作溫度是影響光生電流大小的重要參數(shù)，三者的關系如下：

式中：CT為溫度系數(shù)（A/K）；S為實際日照強度（W/m2）；T為光伏電池的實際工作溫度；帶下標其他量分別為對應相關參數(shù)的標準參考值。

2.2 雙二極管模型

光伏電池的雙二極管模型如圖3所示。

圖3 光伏電池雙二極管等效電路模型圖

雙二極管模型較單二極管模型精度更高，因為耗盡區(qū)的復合損耗也加入考慮的范圍，其輸出電流、電壓的關系式為：

2.3 光伏陣列

實際光伏發(fā)電系統(tǒng)中需要將單個光伏電池通過串聯(lián)、并聯(lián)組成光伏陣列進行發(fā)電，以滿足發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓和輸出功率的要求。假定組成光伏陣列的光伏電池相關特性參數(shù)一致，選用單二極管模型建立光伏陣列，如圖4所示。

圖4 單二極管模型光伏陣列等效電路圖

光伏陣列的輸出電流、電壓關系式為：

式中：Ns為光伏電池串聯(lián)個數(shù)；Np為光伏電池并聯(lián)個數(shù)。

3 結語

本文從光生伏特效應出發(fā)闡述了光伏發(fā)電的原理，并且根據實際光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型列出了如何將單個光伏電池通過串聯(lián)、并聯(lián)組成光伏陣列，實現(xiàn)光伏輸出功率，為后續(xù)光伏發(fā)電的仿真建模提供了依據。