二極管在光伏陣列中的作用

.PAGE.太陽能光電工程學(xué)院《應(yīng)用光伏學(xué)》課程設(shè)計報告書題目：二極管在光伏陣列中的作用及原理分析__專業(yè)：10班級：10準(zhǔn)考證號：設(shè)計成績：指導(dǎo)摘要二極管在光伏系統(tǒng)中發(fā)揮著重大的作用,本文首先從二極管的作用及原理入手,系統(tǒng)的介紹了光伏陣列所需二極管的種類、特性及在系統(tǒng)中的作用,并系統(tǒng)闡述了二極管在光伏陣列的工作原理。在本文我們用圖表的形式來描述太陽能電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、伏安特性,并以此為基礎(chǔ)建立等效電路圖。利用Matlab和Simulink仿真工具,建立光伏陣列的仿真模型,通過仿真計算和分析可知,在太陽電池模型中的二極管D是起到分流光生電流的作用,二極管的導(dǎo)通電壓的大小可以影響太陽電池輸出電流,提高二極管D的導(dǎo)通電壓,可以減小太陽電池的暗電流,提高太陽電池的輸出功率,而在光伏組件中反向并聯(lián)旁路二極管作用是可以減小熱斑現(xiàn)象對光伏組件影響,選擇導(dǎo)通電壓低的旁路二極管可以提高組件或光伏陣列的輸出功率,得出在組成光伏陣列的支路中串聯(lián)二極管可以起到電壓鉗位作用,但能引起附加損耗的結(jié)論。研究結(jié)果表明正確選擇二極管的導(dǎo)通電壓對提高光伏組件和陣列輸出功率是有益的。太陽能電池陣列對于遮擋十分敏感。中間解釋了在串聯(lián)回路中,每個組件或部分電池被遮光,就可能造成該組件或電池上產(chǎn)生反向電壓,嚴(yán)重時可能對組件造成永久性的損壞。由此引起的熱斑效應(yīng)。關(guān)鍵詞:太陽能電池二極管光伏陣列目錄緒言31.二極管原理41.1二極管概要41.2二極管特性42.二極管在光伏陣列中的作用42.1太陽能電池特性42.2二極管在光伏陣列中的作用63.光伏陣列的仿真9參考文獻11緒言隨著全球氣候變暖、污染問INDEX\o"S"\c"2"\z"2052"。題日益嚴(yán)重,從傳統(tǒng)能源向可再生能源的轉(zhuǎn)變勢在必行。其中太陽能作為可再生能源的重要部分,最近幾年已經(jīng)得到了很廣泛的應(yīng)用,如何提高太陽能的利用效率成為研究熱點之一。本文首先對二極管的工作原理入手,利用太陽能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、伏安特性建立等效電路,再根據(jù)電路分析的知識解答伏安特性的表達式。分析二極管在太陽能電池、組件及陣列中的作用,及其導(dǎo)通電壓的大小對光伏應(yīng)用效果的影響。詳細(xì)的介紹了旁路二極管,以及在光伏陣列中的作用。利用Matlab和Simulink仿真工具建立光伏陣列的仿真模型,從而更加系統(tǒng)的說明二極管對光伏陣列的影響,其分析結(jié)果具有較好的實踐價值。通過仿真計算和分析可知,在太陽電池模型中的二極管D是起到分流光生電流的作用,二極管的導(dǎo)通電壓的大小可以影響太陽電池輸出電流,提高二極管D的導(dǎo)通電壓,可以減小太陽電池的暗電流,提高太陽電池的輸出功率,而在光伏組件中反向并聯(lián)旁路二極管作用是可以減小熱斑現(xiàn)象對光伏組件影響,選擇導(dǎo)通電壓低的旁路二極管可以提高組件或光伏陣列的輸出功率。在組成光伏陣列的支路中串聯(lián)二極管可以起到電壓鉗位作用,但能引起附加損耗;而在陣列支路中沒有串聯(lián)二極管,在出現(xiàn)光斑現(xiàn)象嚴(yán)重時,可能出現(xiàn)支路間的回路電流,增加了電路的附加損耗。由于二極管導(dǎo)通時有損耗,建議使用導(dǎo)通電壓低的二極管。1.二極管原理1.1二極管概要二極管又稱晶體二極管,簡稱二極管<diode>;它只往一個方向傳送電流的電子零件。它是一種具有1個零件號接合的2個端子的器件,具有按照外加電壓的方向,使電流流動或不流動的性質(zhì)。晶體二極管為一個由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié),在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層,并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時,由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。1.2二極管特性二極管的單向?qū)щ娞匦?幾乎在所有的電子電路中,都要用到半導(dǎo)體二極管,它在許多的電路中起著重要的作用,它是誕生最早的半導(dǎo)體器件之一,其應(yīng)用也非常廣泛。二極管的管壓降：硅二極管〔不發(fā)光類型正向管壓降0.7v,鍺管正向壓降為0.3v發(fā)光二極管正向管壓降為隨不同發(fā)光顏色而不同。二極管的電壓與電流不是線性關(guān)系,所以在將不同的二極管并聯(lián)的時候要接相適應(yīng)的電阻。晶體二極管為一個由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié),在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層,并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時,由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置時,外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。2.二極管在光伏陣列中的作用2.1太陽能電池特性太陽電池發(fā)電的能量來源于太陽,當(dāng)受光照射的光伏電池接上負(fù)載時,光生電流流過負(fù)載,并在負(fù)載的兩端建立起端電壓,這時晶硅太陽電池的等效電路圖如圖1所示,太陽電池通常用半導(dǎo)體制成的p-n結(jié)的光伏器件,因而太陽電池的基本特性和二極管相似,它的伏安特性曲線是單調(diào)增長或單調(diào)下降的,它同時是電流控制又是電壓控制的。具有單調(diào)型非線性電阻的特性,非線性電阻是單向性的,當(dāng)加在非線性電阻兩端的電壓方向不同時,流過它的電流完全不同。圖1光伏電池等效電路圖圖1中太陽電池看作為穩(wěn)定地光生電流Iph的電流源,與之并聯(lián)的有一個處于正偏壓下的二極管及一個并聯(lián)電阻Rsh。顯然正向二極管的暗電流Id和并聯(lián)電阻的旁路電流Ish都要靠Iph來提供,剩余的電流經(jīng)過一個串聯(lián)電阻RS流出太陽電池而進入負(fù)載RL。利用Simulink建立太陽電池模型并對1000W/m2的光照強度下的太陽電池進行仿真,由此得到單元太陽電池特性曲線如圖2,從太陽電池特性曲線中可以看出,太陽電池是一種非線性直流電源,從負(fù)載端看太陽電池具有電流源的特性即可以短路,也具有電壓源的特性即可以開路,其動態(tài)電阻是電壓對電流的導(dǎo)數(shù),對不同日照情況每條曲線都存在一個最大輸出功率點,這個功率點對應(yīng)唯一的輸出電壓和電流。硅太陽電池的工作點是太陽電池V-I曲線與負(fù)載特性曲線的交點。最大功率跟蹤就是改變負(fù)載電阻從太陽電池電源中獲得最大功率。負(fù)載電阻的改變可以通過PWM控制技術(shù)實現(xiàn),這樣就實現(xiàn)了最大功率點的跟蹤控制。但是值得注意的是硅太陽電池具有非線性特性,即使相同的太陽電池,在不同的光強照射下,它的等效匹配電阻也是不同的,當(dāng)光照強度改變時,其端口的等效匹配電阻就發(fā)生變化,為了獲得最大的輸出功率,必須通過改變負(fù)載電阻以匹配。光照強度對晶硅太陽電池最大功率點處的電壓Ums影響不大,但是流過負(fù)載的電流卻隨著光強度的增加而大幅增加,因此最佳匹配等效電阻減小。具有近似反比例函數(shù)關(guān)系。圖2太陽電池特性曲線因太陽電池是由p-n將光能轉(zhuǎn)化電能,其并聯(lián)二極管D就有勢壘電壓,這個電壓影響二極管D的導(dǎo)通電壓,對其開路電壓是有影響的,同時二極管D的導(dǎo)通電壓的大小可以確定暗電流Id大小,當(dāng)光生電流Iph的數(shù)值一定時,也確定太陽電池的輸出電流的大小,進而影響輸出功率。2.2二極管在光伏陣列中的作用太陽能電池陣列對于遮擋十分敏感。在串聯(lián)回路中,每個組件或部分電池被遮光,就可能造成該組件或電池上產(chǎn)生反向電壓,嚴(yán)重時可能對組件造成永久性的損壞。因此,在安排光伏電池板串聯(lián)時,一般是先根據(jù)所需電壓,將若干光伏電池組件串聯(lián),構(gòu)成若干串列,再根據(jù)電池所需電流容量進行并聯(lián)。光伏電池并聯(lián)時,如果一串聯(lián)支路中部分電池的光照被遮擋,將被當(dāng)做負(fù)載消耗其他有光照的太陽能電池串列所產(chǎn)生的能量。被遮擋的太陽能電池組件此時將會發(fā)熱,這就是熱斑效應(yīng)。為了減少熱斑效應(yīng)的影響,在串聯(lián)回路中的每個光伏電池組件上安裝旁路二極管,被遮擋電池板將通過旁路二極管導(dǎo)通整個陣列的電流,使被遮擋的光伏電池不構(gòu)成負(fù)載。在儲能的蓄電池或逆變器與光伏陣列之間串聯(lián)一個屏蔽二極管,又稱防反充二極管、阻塞二極管或閉鎖二極管。其作用是避免由于太陽電池方陣在陰雨天和夜晚不發(fā)電或出現(xiàn)短路故障時,光伏電池所發(fā)電壓低于其供電的直流母線電壓,蓄電池或逆變器向光伏陣列反向放點,導(dǎo)致光伏電池板反充發(fā)熱造成損壞,縮短蓄電池的使用壽命。屏蔽二極管串聯(lián)在太陽能電池陣列電路中,起單向?qū)ǖ淖饔谩Ｋ仨毮軌虺惺茏銐虼蟮碾娏?而且正向電壓降要小,反向飽和電流都要很小,避免電能無謂的消耗在二極管中。如果陣列的功率很大,可以用幾個二極管并聯(lián)或者分別把每個二極管接在陣列的一個串聯(lián)組件上,然后并聯(lián)接出,一般那可選用合適的整流二極管作為防反充二極管。熱斑效應(yīng)是指當(dāng)組件中的一個電池或一組電池被遮光或損壞時,工作電流超過了該電池或電池組降低了的短路電流,在組件中會發(fā)生熱斑加熱。此時受影響的電池或電池組被置于反向偏置狀態(tài),消耗功率,從而引起過熱?？梢?熱斑即組件發(fā)熱或局部發(fā)熱,熱斑處電池片受到損傷,降低組件功率輸出甚至導(dǎo)致組件報廢,嚴(yán)重降低組件的使用壽命,對電站發(fā)電等安全造成隱患。熱量聚集導(dǎo)致組件不良或損壞。電池組件熱斑的形成,外部因素主要事組件或局部組件受到遮擋物遮擋,常見的遮擋物有：樹葉、塵土、云層、動物及動物糞便、積雪等；內(nèi)在因素有太陽電池內(nèi)阻和太陽電池自身逆電流大小有關(guān)。從電池片的實際等效電路即可分析到此結(jié)論。負(fù)載與太陽電池內(nèi)阻串聯(lián),由等效電路圖得到流過負(fù)載的電流：I=Iph–ID–ISh則串聯(lián)電阻工作功率：P=I2Rs,故Rs對電池片溫度的影響是肯定的,對于電池片來講,內(nèi)阻越小越好。內(nèi)阻主要是電池片自身由于制作工藝產(chǎn)生的內(nèi)阻外,還有就是焊帶產(chǎn)生的內(nèi)阻,因此,對于電池片的焊接工藝應(yīng)該引起充分重視,對焊帶的選擇也應(yīng)該選擇內(nèi)阻小的為好；至于逆電流因素,還是要從實際等效電路分析,對于不同的電池片,其暗電流有差異。組件短路,遮擋組件上的某片電池片無法正常工作,相對于組件來說其是個內(nèi)阻,消耗：P=I2R<R：被遮擋電池片的等效內(nèi)阻>。由圖知被遮擋的電池片的生熱電流為I=ID+ISh〔I:逆電流,ID:暗電流,Ish:漏電流,故,逆電流較大的太陽電池硅片,在外界環(huán)境相同的條件下,其產(chǎn)生熱斑的可能性較大。安裝在外部環(huán)境下的組件陣列溫度T與日照強度L、系統(tǒng)環(huán)境溫度Ts、內(nèi)阻產(chǎn)生的溫度Ti相關(guān)。組件溫度可表示為：T=T0＋αTs+βL＋Ti〔T0、α、β是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)按最小二乘法處理后所得的系數(shù),系數(shù)值與所使用的太陽電池的類型、安裝地點、支架形式等因素都有關(guān)系熱斑的危害是巨大的,而且組件陣列電站如在無人維護的情況下,熱斑效應(yīng)也極易發(fā)生,怎么才能避免或減輕熱斑的對組件的不利影響成為組件設(shè)計的重要問題?，F(xiàn)在的情況是在組件電池串上并聯(lián)旁路二極管的方法來減輕熱斑的影響。首先來看看熱斑的形成原理：圖3熱斑形成原理被遮擋的電池片不再發(fā)電,自身相當(dāng)于一個消耗電阻；在其兩端產(chǎn)生S-1片電池片的方向偏壓,如無旁路二極管保護,則組件電流流過后將產(chǎn)生熱量。組件的正向I-V特性曲線和被遮擋的電池片的反向I-V特性曲線相交出形成的陰影為電池片的最大消耗功率。在每個光伏組件上并聯(lián)一個正向二極管實現(xiàn)電流的旁路,該二極管稱為旁路二極管。其具體的連接方法是在每個光伏電池板輸出端子處正向并聯(lián)旁路二極管,認(rèn)為降低光伏電池板正向的等效擊穿電壓。旁路二極管平時不工作,耐受反向偏壓,正常運行期間不存在功率消耗。大多數(shù)旁路二極管的最大擊穿電壓只有45V到60V。然而,它們能處理的靜電放電也較低。當(dāng)光伏陣列由若干串列并聯(lián)時,在每串中都要串聯(lián)二極管,隨后在并聯(lián),以防某串列出現(xiàn)遮擋或故障時消耗能量和影響其它正常陣列的能量輸出。該二極管稱為隔離二極管,隔離二極管從一定意義上說也是屏蔽二極管。施工現(xiàn)場中系統(tǒng)總要安裝蓄電池,有時由于不注意,或為弄懂其工作原理,可能會將正負(fù)極接錯。現(xiàn)在一般采用二極管對電路進行保護或用繼電器防止反接,使蓄電池接錯時不閉合,系統(tǒng)中無電流,但繼電器要消耗2~3W的電能,而且全天耗能。在陰天時這種能耗則相當(dāng)可觀。而只安裝二極管只能保護電路中的器件免受損失卻無法保護蓄電池組。系統(tǒng)中的二極管通常使用整流型的二極管,其容量選型要留有余量,其電流容量應(yīng)能夠達到預(yù)期最大運行電流的兩倍,耐壓容量應(yīng)能夠達到反向最大工作電壓的兩倍。串聯(lián)在電路中的屏蔽二極管由于存在導(dǎo)通管壓降,運行期間要消耗一定的功率,一般小容量整流型硅二極管壓降在0.6V左右,其消耗的功率為其所通過電流值乘以管壓降電壓值,不要忽視這部分損耗,如光伏陣列輸出的額定電壓是100V,在二極管上的功率和電阻損耗將達到0.6%,大容量整流型二極管模塊由于其管壓降高達1~2V左右,其損耗將更大。若將此屏蔽二極管由硅整流型二極管換為肖特基二極管,其管壓降降為0.2V~0.3V,對節(jié)約功率損耗有一定效果,但肖特基二極管容量和耐壓值一般來說相對較小。太陽能光伏板外接旁路二極管,生產(chǎn)費用增多,重量增加。因此可使用整體二極管太陽能電池代替旁路二極管,可以收到同樣效果。整體二極管電池是太陽能電池與二極管的組合體,同制作在一塊硅片上。二極管可制作電池的正面,也可制作在電池的背面。如果利用制作電池時形成的p-n結(jié)在電池的正面制得一個臺面型二極管,就稱為臺面型二極硅太陽能電池?？傊?每塊組件中都反向并聯(lián)二個二極管,二極管將組件中單元電池均勻分成二部分,每部分串聯(lián)的單元電池的正負(fù)極反向并接一個二極管,再串聯(lián)組成組件,二極管反向串聯(lián)橋式并接在這個組件中,用這些組件串聯(lián)可以組成適合逆變器端口電壓的光伏陣列,如果在這條支路中有一個二極管不能正常工作,這時的現(xiàn)象等同與沒有反向并聯(lián)旁路二極管的單體電池串聯(lián)情況,當(dāng)二極管都可以正常工作時,二極管不影響組件的端電壓和電流;如出現(xiàn)熱斑現(xiàn)象,并聯(lián)旁路二極管可以為一部分電流提供通路,使支路電流沒有降低太多,保證組件的輸出功率降低不大。由于每個光伏陣列的功率一般有幾千瓦到幾百千瓦,一個串聯(lián)支路滿足不了,有幾個或十幾個支路并聯(lián),每個支路串聯(lián)一個二極管或沒有串聯(lián)二極管并聯(lián)送至逆變器的輸入端口。3.光伏陣列的仿真并聯(lián)旁路二極管可以為一部分電流提供通路,使支路電流沒有降低太多,保證組件的輸出功率降低不大。由于每個光伏陣列的功率一般有幾千瓦到幾百千瓦,一個串聯(lián)支路滿足不了,有幾個或十幾個支路并聯(lián),每個支路串聯(lián)一個二極管或沒有串聯(lián)二極管并聯(lián)送至逆變器的輸入端口,以二條支路為例進行仿真計算,每條支路串聯(lián)9塊組件,組件特性同上,并考慮支路Ⅱ中的一塊組件被遮擋,其余的沒被遮擋,表4、表5是陣列輸出功率最大時的仿真結(jié)果。從表4可以看出在支路中串聯(lián)二極管引起附加損耗,并且當(dāng)二極管的導(dǎo)通電壓提高損耗會隨之增加,但會對支路的工作電壓起到鉗位作用,當(dāng)出現(xiàn)光線遮擋時,支路Ⅰ、支