基于多模块结构的光伏发电直流系统设计(3)
本章主要研究光伏发电原理与最大功率点跟踪技术，并对各种最大功率点跟踪（MPPT）方法予以简单介绍及比较。
2.1 光伏发电系统
2.1.1 光伏电池的基本原理[2]
太阳电池的发电原理是利用光入射于半导体时所引起的光电效应。光伏电池的基本特性和二极管类似，可用简单的PN结来说明，图2.2为光伏电池的单元模型[2]。当具有适当能量的光子入射于半导体时，光与构成半导体的材料相互作用产生电子和空穴(因失去电子而带正的电荷)，如半导体中存在PN结，那么电子向N型半导体扩散，空穴向P型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端，这样如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电能。这与传统的发电方式是完全不同的:既没有旋转的转动部分，也不排出气体，是清洁的、无噪声的发电机。
图2.1 光伏电池单元模型
为介绍光伏电池的工作原理，下面给出光伏电池的等效电路。如图2.2所示，其中Rsa是漏电阻;Rs是串联电阻，它是构成光伏电池的半导体体电阻和透明电极电阻等的和。式（2.1）是表示光伏电池特性的一般公式。
(2.1)
其中I为电池单元输出电流；为PN结电流(A)；Io为反向饱和电流(A)；V为外加电压m；q是单位电荷；K是玻耳兹曼常数(l.38x10-23)闪；T是绝对温度闪；n为二极管指数。电池单元是光电转换的最小单元，将光伏电池单元进行串、并联并封装起来就成为光伏电池组件，功率从几瓦到上千瓦不等，把光伏电池组件按需要再进行串、并联后就形成光伏电池阵列。理论上说，光伏电池阵列的功率可以无限大。
图2.2 光伏电池等效电路
2.1.2 光伏电池的特性曲线
光伏电池工作环境的多种外部因素都会影响光伏电池的性能指标，比如光照强度、环境温度、光谱响应等。光谱响应一般是指各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到光伏电池上，产生不同的短路电流，按波长分布求出对应的短路电流变化曲线。光伏电池的温度特性是指，光伏电池工作环境温度和电池吸收光子后使自身温度升高对电池性能的影响，由于光伏电池材料内部的很多参数都是温度和光照强度的函数，所以反映到光照特性指的是光伏电池的电气性能与光照强度之间的关系。主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现，因此本节着重探讨这两种曲线。
如图2.3 所示光伏阵列的I-V特性曲线，其中图(a)为温度不变，太阳光照强度变化时的I-V特性曲线，由图可以看出：
1) 最大功率点工作电压约为开路电压的0.78倍；
2) 短路电流随太阳能光照强度的增强而增大，开路电压基本不变；
3) 光伏电池在低压段近似为恒流源，在接近开路电压时近似为恒压源。
图(b)为太阳光照强度不变，温度变化时的I-V特性曲线，由图可以看出:
1) 开路电压随着温度的上升而减小，短路电流略微增加，基本不变;
2) 最大功率随着温度的升高而减小。
图2.3 光伏阵列的I-V特性曲线
如图2.4所示为光伏阵列的P-V特性曲线，其中图(a)为温度不变，太阳光照度变化时的P-V特性曲线，由图可以看出:
1）光伏阵列在某一日照强度下具有唯一的最大功率点，且输出的最大功率随着太阳光照强度的增强而增大;
2）在MPP左侧，输出功率随端电压增大而呈上升趋势;
3）在MPP右侧，输出功率随着端电压增大而呈下降趋势。
图(b)所示为太阳光照强度不变，温度变化时的P-V特性曲线，由图可以看出:
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