二極管在光伏陣列中的作用

太陽能光電工程學(xué)院《應(yīng)用光伏學(xué)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題目：二極管在光伏陣列中的作用及原理分析姓名：專業(yè)：10班級：10二極管在光伏陣列中的作用及原理分析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)部構(gòu)造、伏安特性，并以此為根底建立等效電路圖。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(jì)算和分D是起到分流光生電流的作用，二極管的導(dǎo)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。爭論結(jié)果說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。 電池陣列對于遮擋格外敏感。中間解釋了在串聯(lián)回路中，每個組件或局部電池被遮光，就可能造成該組件或電池上產(chǎn)生反向電壓，嚴(yán)峻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1二極管在光伏陣列中的作用及原理分析目 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(xiàn)...................................................... 112二極管在光伏陣列中的作用及原理分析緒言的轉(zhuǎn)變勢在必行。其中太陽能作為可再生能源的重要局部，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爭論熱點(diǎn)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)部構(gòu)造、伏安特性建立等效電路，再依據(jù)電路分析的學(xué)問解答伏安特性的表達(dá)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。具體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)的說明二極管對列的影響，其分析結(jié)果具有較好的實(shí)踐價值。通過仿真計(jì)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，在消滅光斑現(xiàn)象時有損耗，建議使用導(dǎo)通電壓低的二極管。3二極管在光伏陣列中的作用及原理分析二極管原理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，具有依據(jù)外加電壓的方向，使電流流淌或不流淌的性質(zhì)。晶體二極管為一個由 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集中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)。二極管特性二極管，它在很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)用也格外廣泛。二極管的管壓降：硅二極管〔不發(fā)光類型〕正向管壓降0.3v發(fā)光二極管正向管壓降為隨不同發(fā)光顏色而不同。候要接相適應(yīng)的電阻。晶體二極管為一個由型半導(dǎo)體形成的p-n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集中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)。流子的集中電流增加引起了正向電流。二極管在光伏陣列中的作用太陽能電池特性如圖1p-n4二極管在光伏陣列中的作用及原理分析的，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。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RshId和并聯(lián)電阻的旁路電流Ish都要靠IphRS流出太陽電池而進(jìn)入負(fù)載RL。利用Simulink建立太陽電池模型并對1000W/m2的光照強(qiáng)度下的太陽電池進(jìn)展仿真，由此得到單元太陽電池特性曲線如圖2，從太陽電池特V-I曲線與負(fù)載PWM阻以匹配。光照強(qiáng)度對晶硅太陽電池最大功率點(diǎn)處的電壓Ums影響不大，但是流有近似反比例函數(shù)關(guān)系。5二極管在光伏陣列中的作用及原理分析圖2太陽電池特性曲線因太陽電池是由p-nD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)值肯定時，也確定太陽電池的輸出電流的大小，進(jìn)而影響輸出功率。二極管在光伏陣列中的作用電池被遮光，就可能造成該組件或電池上產(chǎn)生反向電壓，嚴(yán)峻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，一般是先依據(jù)所需電壓，將假設(shè)干光伏電池組件串聯(lián)，構(gòu)成假設(shè)干串列，再依據(jù)電池所需電流容量進(jìn)展并聯(lián)。光伏電池并聯(lián)時，假設(shè)一串聯(lián)支路中局部電池的光照被遮擋，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)。為了削減熱斑效應(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。6二極管在光伏陣列中的作用及原理分析假設(shè)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，一般那可選用適宜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(bào)廢，嚴(yán)峻降低組件的使用壽命，對電站發(fā)電等安全造成隱患。熱量聚攏導(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(shí)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確定的，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)境一樣的條件下，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T=T0＋αTs+βL＋Ti〔T0、α、β 是依據(jù)試驗(yàn)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(diǎn)、支架〕熱斑的危害是巨大的，而且組件陣列電站如在無人7二極管在光伏陣列中的作用及原理分析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：3熱斑形成原理S-1片電池片的方向偏壓，如無旁路二極管保護(hù)，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)光伏陣列由假設(shè)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)，以防某串列消滅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，隔離二極管從肯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，有時由于不留意，或?yàn)榕涔ぷ髟?，可能會將正?fù)極接錯?，F(xiàn)在一般承受二極管對電路進(jìn)展保護(hù)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(hù)電路中的器件免受損失卻無法保護(hù)蓄電池組。系 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)能夠到達(dá)預(yù)期最大運(yùn)行電流的兩倍，耐壓容量應(yīng)能夠到達(dá)反向最大工作電壓的8二極管在光伏陣列中的作用及原理分析兩倍。串聯(lián)在電路中的屏蔽二極管由于存在導(dǎo)通管壓降，運(yùn)行期間要消耗肯定的功率，一般小容量整流型硅二極管壓降在 其消耗的功率為其所通過電流值乘以管壓降電壓值，不要無視這局部損耗，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到達(dá) 0.6%，大容量整流型二極管模塊由于其管壓降高達(dá) 1~2V左右，其損耗將更大。假設(shè)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)約功率損耗有肯定效果，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(fèi)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，也可制作在電池的反面。假設(shè)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繅K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局部，每局部串聯(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，假設(shè)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)狀況，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;如消滅熱斑現(xiàn)象，并聯(lián)旁路二極管可以為一局部電流供給通路，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。光伏陣列的仿真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(jìn)展仿真計(jì)9二極管在光伏陣列中的作用及原理分析9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5得到由于沒有二極管的且這種現(xiàn)象隨著光強(qiáng)度的減弱而加重。D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