光伏太陽能電池板的光伏效應(yīng)原理

　　光伏效應(yīng)

　　光電效應(yīng)是由A.E. Becquerel在1839年發(fā)現(xiàn)的，并且提供了光和電磁輻射的微粒本質(zhì)的演示。這種效應(yīng)是一種物理現(xiàn)象，當(dāng)價帶中存在的電子由于光子釋放的能量而傳遞到導(dǎo)帶時發(fā)生。下圖總結(jié)了這一現(xiàn)象：

　　光伏效應(yīng)。

　　光伏電池由P-N硅結(jié)表示，光能穿過表面并激發(fā)結(jié)。

　　當(dāng)結(jié)被光激發(fā)時，能量等于硅材料帶隙（Eg）的光子產(chǎn)生一對電荷，一個電子和一個空穴，因此產(chǎn)生電流。對于硅面板，典型的Eg值在1和1.8 eV之間。

　　效率

　　不幸的是，只有一小部分光子有足夠的能量產(chǎn)生這種現(xiàn)象。大約40-50%的光子要么太少，要么太多。能量小于所需帶隙的光子不會有助于產(chǎn)生電，而能量大于Eg的光子會浪費能量（以熱的形式耗散）。此外，約25-30%的光子沒有穿透電池，沒有到達(dá)結(jié)，而是從電池表面或觸點上反射。最后，大約5%的電子-空穴對重新結(jié)合，因此不產(chǎn)生任何電流。

　　這意味著光伏板在工作條件下的效率約為10-15%，在單晶硅板中的峰值約為20%。

　　太陽輻射

　　按照慣例，太陽輻射的入射能量被認(rèn)為等于1000 W/m^2.

　　這個值只有在特定的緯度、位置、污染等條件下才能達(dá)到。在赤道上直接曝光通常是可以實現(xiàn)的。在其他緯度或環(huán)境條件下，最佳條件下的太陽輻射值可以從小于600 w/m^2變化到800，并且僅在一天的一小部分時間內(nèi)變化。

　　光伏板

　　如前所述，光伏電池類似于pn結(jié)二極管。

　　光伏電池板是許多接點的串并聯(lián)組合。它們的額定電壓通常為12至24V，開路額定電壓為20至40V。功率范圍從幾瓦到幾百瓦都有。

　　等效電路和數(shù)學(xué)模型

　　光伏電池可以簡化為直流發(fā)電機(jī)，其值取決于太陽輻射。電池的等效電路示意如下：

　　光伏電池的等效電路

　　為了描述負(fù)載中的電流，我們可以使用肖克利方程和上面的等效電路。該電流I由下式描述：

　　肖克利方程。

　　其中：

　　Ie是電池中的電流，用安培表示。

　　Il是與太陽輻射強度成比例的電流。

　　Io是二極管的飽和電流，單位為安培。

　　q是電子的電荷。即1.6E-19C

　　k是玻爾茲曼常數(shù)。即1.38E-23J/K

　　Rs和Rp是串聯(lián)和并聯(lián)電阻，單位為歐姆。

　　v是輸出電壓，單位為伏特。

　　特性曲線I-V

　　上面的等式描述了光伏電池的I-V特性。通過將電流乘以并聯(lián)電池的數(shù)量和/或?qū)⒋?lián)電池的電壓相加，獲得完整光伏板的I-V特性。典型特征如下所示：

　　然而，太陽輻射強度的變化導(dǎo)致電壓和輸出電流的相應(yīng)變化。商業(yè)光伏板的文件通常報告在不同太陽輻射強度下的I-V特性。下圖顯示了一個示例：

　　Proteus光伏電池板模型

　　Proteus包括一個通用光伏板的現(xiàn)實模擬模型。通過輸入商業(yè)產(chǎn)品的典型參數(shù)，可以容易地配置該模型。這些參數(shù)通常總是在光伏面板制造商的數(shù)據(jù)表中提供。這些參數(shù)是：

　　開路電壓（Voc）是面板上的開路電壓。

　　短路電流（Isc）是面板的短路電流。

　　Pmax處的電壓（Vpm）是最大功率時的電壓。

　　最大功率（Pmax）是面板的最大功率。

　　Voc（通常為TC Voc）的溫度系數(shù)用%/攝氏度表示。

　　Isc的溫度系數(shù)（通常為TC Isc）用%/攝氏度表示。

　　有時會給出Imp （I @ max power）而不是Pmax值。在這種情況下，Pmax計算如下：

　　Pmax = Vmp x Imp在Proteus中輸入屬性

　　與往常一樣，我們可以通過編輯零件和更改屬性值來輸入模型參數(shù)。這可以通過右擊零件并點擊上下文窗口中的編輯屬性來完成。這將打開以下對話框：

　　I-V特性曲線的圖形模擬

　　如前所述，光伏板的制造商提供了在不同的太陽輻射強度下作為電壓（I-V）函數(shù)的電流特性曲線。Proteus允許您模擬這些曲線，還提供了一種方法來獲得數(shù)據(jù)手冊中未指定的特定光強下的曲線。這些曲線是使用傳遞函數(shù)圖（可通過“高級仿真功能”產(chǎn)品獲得）獲得的。這里有一個例子

　　在模擬中，電壓發(fā)生器輻照度用于產(chǎn)生相當(dāng)于從200 W/m^2到1000 W/m^2.的太陽輻射的電壓值要使PVPANEL接受外部信號而不是激活的+和–控件，輻照源屬性必須設(shè)置為外部。這將禁用活動控制，器件將從（隱藏的）輻照度引腳接收控制值。

　　I-V特性曲線的Proteus文件鏈接如下，可使用演示軟件進(jìn)行評估。

　　I-V特性曲線Proteus實例下載A Proteus的演示副本需要打開。pdsprj文件。

　　Proteus實時仿真

　　PV板模型也可以在實時模式下模擬。在此模式下，可以使用兩個活動控件+和-實時設(shè)置太陽輻射值。請注意，默認(rèn)情況下會啟用主動控制，即“輻照度源”屬性設(shè)置為“主動組件”。

　　串聯(lián)、并聯(lián)或兩者結(jié)合的多面板配置是可能的。在這種情況下，可以只將其中一個面板設(shè)置為主面板，而將所有其他面板設(shè)置為從面板。

　　例如，假設(shè)我們有12個18V 100W的面板，我們希望并聯(lián)連接，因此我們得到18V @ 1200W。我們將并聯(lián)連接12個面板，如下所示：

　　在PV1上，我們將設(shè)置輻射源屬性為主動組件。在PV2到PV12的其他面板上，我們將輻照源屬性設(shè)置為外部。

　　通過這種方式，在實時模擬期間，我們將能夠通過僅作用于PV1的主動控制來改變從PV1到PV12的所有面板的太陽輻射強度；從PV2到PV12的那些將被禁用。

　　結(jié)論

　　光伏電池是生產(chǎn)清潔和可持續(xù)能源的最有前途的技術(shù)之一。這些設(shè)備將陽光直接轉(zhuǎn)化為電能，提供了一種環(huán)保低碳的替代方案。

　　這也是一個有效的例子，說明Proteus如何幫助我們開發(fā)物理行為模型，這是現(xiàn)代能源生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)。

　　審核編輯：黃飛