1、1济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-172.1 光伏电池原理光伏电池原理 光伏电池是利用光伏电池是利用光生伏特效应光生伏特效应（Photovoltaic Effect，简称，简称光伏效应光伏效应）把光能转变为电能的器件。）把光能转变为电能的器件。原理：原理：(1)光伏电池内部具有光伏电池内部具有PN结，在两种半导体相结，在两种半导体相互接触部位具有空间电荷区，形成内电场。互接触部位具有空间电荷区，形成内电场。(2)光子的吸收能够在半导体内部产生电子空穴对。光子的吸收能够在半导体内部产生电子空穴对。(3)电子空穴对能够在内部静电场的作用下电子空穴对能够在内部静电场的作用下产生分离，产
2、生分离，由少数载流子变为多数载流子，由少数载流子变为多数载流子，使光伏电池板的外使光伏电池板的外接触面产生电势差。接触面产生电势差。第第2章章 光伏电池与光伏阵列光伏电池与光伏阵列2济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17光伏电池发电工程上广泛使用的光电转换光伏电池发电工程上广泛使用的光电转换器件主要是器件主要是硅光伏电池硅光伏电池。硅光伏电池硅光伏电池单晶硅单晶硅（效率最高，成本高，工艺技（效率最高，成本高，工艺技术成熟，普遍应用）术成熟，普遍应用）多晶硅多晶硅（硅使用量少，无效率消退问（硅使用量少，无效率消退问题，成本低，前景好）题，成本低，前景好）非晶硅非晶硅（较高的转化效率，
3、（较高的转化效率， 较低的成较低的成本，重量轻，有着极大潜力；稳定本，重量轻，有着极大潜力；稳定性不高，影响大规模使用。）性不高，影响大规模使用。）3济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-172.2 光伏电池数学模型与工程计算方法光伏电池数学模型与工程计算方法2.2.1 光伏电池的数学模型光伏电池的数学模型内 电 场-+P区N区光照I+-EHP-A+BCDEHP光伏电池单二极管电路光伏电池单二极管电路4济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17根据实验我们可以得到伏安特性曲线根据实验我们可以得到伏安特性曲线5济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17光伏电池等效电路光伏
4、电池等效电路IscIVDRshRsRLIL光伏电池单二极管等效电路图光伏电池单二极管等效电路图 图中，图中，Isc代表在光伏电池中代表在光伏电池中激发的电流激发的电流， 这这个量取决于辐照度、电池面积和本体温度个量取决于辐照度、电池面积和本体温度T。IVD为为通过通过PN结的结的总扩散电流总扩散电流，其方向与，其方向与Isc相反，相反，Rs是是串联电阻串联电阻，Rsh是是旁路电阻旁路电阻，一般光伏电池串联电，一般光伏电池串联电阻阻Rs很小，并联电阻很小，并联电阻Rsh很大。很大。6济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17) 1(0AKTqEDVDeII其中：其中： 式中，式中，q为电
5、子电荷，为电子电荷，1.610-19C；K为玻尔兹曼常为玻尔兹曼常数，数，1.3810-23J/K；A为常数因子（正偏电压大时为常数因子（正偏电压大时A值为值为1，正偏电压小时为，正偏电压小时为2），），E电池电动势。电池电动势。I DO为光伏电池无光照时的为光伏电池无光照时的饱和电流饱和电流IscIVDRshRsRLIL光伏电池单二极管等效电路图光伏电池单二极管等效电路图7济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17IscIVDRshRsRLIL光伏电池单二极管等效电路图光伏电池单二极管等效电路图由图可以看出：由图可以看出：shsLLAKTRIUqDscLRRIUeIIIsLL) 1(
6、)0（ 由于一般情况下光伏电池串联电阻由于一般情况下光伏电池串联电阻Rs很小，很小，并联电阻并联电阻Rsh很大。很大。) 1(0AKTqUDscLLeIII) 1ln(0DLscLIIIqAKTU还可得：还可得：8济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17IscIVDRshRsRLIL光伏电池单二极管等效电路图光伏电池单二极管等效电路图当当 时时0LR 当当RL时，时，) 1(0AKTqUDscLLeIII0lnDscocIIqAKTU开路电压开路电压0LUscLII 短路电流短路电流由此式可以看出：由此式可以看出：9济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17光伏电池的输出特性
7、主要与照度和温度有关光伏电池的输出特性主要与照度和温度有关 温度不变，光伏电池温度不变，光伏电池在不同日照强度下的输在不同日照强度下的输出特性曲线出特性曲线太阳能电池输出太阳能电池输出I-U特性随日照、温度的变化特性随日照、温度的变化 照度不变，光伏电池照度不变，光伏电池在不同温度下的输出特在不同温度下的输出特性曲线性曲线10济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17 温度保持不变，最大功率温度保持不变，最大功率点功率随光照浮动有明显点功率随光照浮动有明显变化，具体表现为光照降变化，具体表现为光照降低最大功率点功率下降；低最大功率点功率下降；光照保持不变，最大功率光照保持不变，最大功率
8、点功率随温度也有很大变点功率随温度也有很大变化，具体表现为，温度降化，具体表现为，温度降低最大功率点功率升高。低最大功率点功率升高。11济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-172.2.2 光伏电池工程计算方法光伏电池工程计算方法 光伏光伏生产厂家生产厂家只为用户提供只为用户提供标准测试条件标准测试条件下的下的开路电压开路电压Usc、短路电流、短路电流Isc、最大功率点输出功、最大功率点输出功率率Pm、最大功率点处电压、最大功率点处电压Um和最大功率点处和最大功率点处电流电流Im。 在光伏应用中，要了解在光伏应用中，要了解一般工况一般工况下的输出特性。下的输出特性。因此，要进行因此，要
9、进行光伏电池工程计算。光伏电池工程计算。12济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-172.3 光伏组件使用前测试光伏组件使用前测试1、光伏电池组件的电性能测试、光伏电池组件的电性能测试测试条件：测试条件：光源的光谱特性（光源的光谱特性（AM1.5标准光谱）、标标准光谱）、标准辐照度（准辐照度（1000W/m2）、温度（）、温度（250C）。）。 测试内容：测试内容：开路电压、短路电流、最佳工作电压、开路电压、短路电流、最佳工作电压、最佳工作电流、最大输出功率、光电转换效率、最佳工作电流、最大输出功率、光电转换效率、填充因数、伏安特性曲线等。填充因数、伏安特性曲线等。13济南大学物理学院
10、济南大学物理学院2022-4-172、耐高压绝缘测试、耐高压绝缘测试 用用500V或者或者1000V绝缘电阻表绝缘电阻表来测量。绝缘电来测量。绝缘电阻表一端接在电极上，一端接在组件的金属框阻表一端接在电极上，一端接在组件的金属框架上，绝缘电阻表显示的电阻值应该架上，绝缘电阻表显示的电阻值应该不小于不小于50M而接近无穷大而接近无穷大。3、光伏电池组件的环境试验、光伏电池组件的环境试验 两种试验方法：一是两种试验方法：一是实地实地试验法；二是试验法；二是环境模拟环境模拟试验试验法；法； 实地试验法即把组件长期暴露在自然环境中，实地试验法即把组件长期暴露在自然环境中，定期定期观察和测量观察和测量电
11、性能参数电性能参数，检查元件、材料的，检查元件、材料的老化老化和电性和电性能的能的衰降衰降情况。环境模拟试验法是用人工方法创造自然情况。环境模拟试验法是用人工方法创造自然 环境中的各种典型条件，对组件进行试验和性能检查。环境中的各种典型条件，对组件进行试验和性能检查。14济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-172.4 光伏电池的转换效率及其影响因素光伏电池的转换效率及其影响因素2.4.1 光伏电池的转换效率光伏电池的转换效率 光伏电池的转换效率是光伏电池的输出功率光伏电池的转换效率是光伏电池的输出功率P与与投射到电池表面上的全部光功率投射到电池表面上的全部光功率Pin之比。其值取之比
12、。其值取决于工作点，通常采用效率的最大值作为光伏电决于工作点，通常采用效率的最大值作为光伏电池的效率。池的效率。%100allmminmmSAIUPIU 其中，其中，Aall为电池总的光照表面积，为电池总的光照表面积，S为光照强度，为光照强度，单位为单位为W/m2。15济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-172.4.2 光伏电池的转换效率的影响因素光伏电池的转换效率的影响因素一、一、 光谱响应光谱响应 光伏电池的光谱响应，与太阳电池的光伏电池的光谱响应，与太阳电池的结构结构、材材料性能料性能、结深结深、表面光学特性表面光学特性等因素有关，并且等因素有关，并且还随还随环境温度环境温度、
13、电池厚度电池厚度、辐射损伤辐射损伤而变化。而变化。16济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17二、二、 光照特性光照特性 温度不变，光伏电池在不同温度不变，光伏电池在不同日照强度下的输出特性曲线日照强度下的输出特性曲线 温度不变，光伏电池在不温度不变，光伏电池在不同日照强度下的功率曲线同日照强度下的功率曲线17济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17三、三、 温度特性温度特性 照度不变，光伏电池在不照度不变，光伏电池在不同温度下的输出特性曲线同温度下的输出特性曲线 照度不变，光伏电池在不照度不变，光伏电池在不同温度下的功率曲线同温度下的功率曲线18济南大学物理学院济南大学物
14、理学院2022-4-172.5 阴影条件下光伏阵列的输出特性阴影条件下光伏阵列的输出特性2.5.1 热斑现象分析热斑现象分析19济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-1720济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17 当两电流不等的电流源串联时，电流大的电流源会当两电流不等的电流源串联时，电流大的电流源会向电流小的电流源向电流小的电流源倒灌电流倒灌电流。而承受。而承受反向电压反向电压。 如果反向电压过大将会如果反向电压过大将会使电池板使电池板PN结击穿，结击穿，造成电池板损坏。造成电池板损坏。 电池板长期工作在反向电压电池板长期工作在反向电压下自身吸收能量所转化的热下自身吸收能
15、量所转化的热量不能及时散发，形成热点。量不能及时散发，形成热点。这就是这就是热斑热斑现象。现象。21济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-172.5.2 多峰现象分析多峰现象分析 为了避免热斑现象发生，可以在光伏组为了避免热斑现象发生，可以在光伏组件两端反向并联件两端反向并联旁路二极管旁路二极管。 多峰现象产生：多峰现象产生：22济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17 多峰现象分析：多峰现象分析：23济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17第第3章章 光伏并网系统的体系结构光伏并网系统的体系结构 光伏系统与电力系统的关系，光伏系统与电力系统的关系， 一般分为一般分
16、为离网离网光光伏系统和伏系统和并网并网光伏系统。离网系统不与电网相连，光伏系统。离网系统不与电网相连，作为一种移动电源给本地负载供电。并网系统，作为一种移动电源给本地负载供电。并网系统，与电网相连，可为电力系统提供有功和无功电能。与电网相连，可为电力系统提供有功和无功电能。主流应用方式是光伏并网发电方式。主流应用方式是光伏并网发电方式。 光伏系统追求光伏系统追求最大的发电功率输出最大的发电功率输出，系统结构对发，系统结构对发电功率有着直接的影响：一方面，光伏阵列的分布电功率有着直接的影响：一方面，光伏阵列的分布方式会对发电功率产生重要影响；而另一方面，逆方式会对发电功率产生重要影响；而另一方面
17、，逆变器的结构也将随功率等级的不同而发生变化。变器的结构也将随功率等级的不同而发生变化。24济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-173.1 集中式结构集中式结构PVPVPVPVPVPV逆变器逆变器电网电网集中式结构示意图集中式结构示意图 结构：结构：将所有光伏组件通将所有光伏组件通过串并联构成光伏阵列，过串并联构成光伏阵列，产生一个足够高的直流电产生一个足够高的直流电压，然后通过一个并网逆压，然后通过一个并网逆变器集中将直流转换为交变器集中将直流转换为交流并流并 把能量输入电网。把能量输入电网。25济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17 特点：特点：一般用于一般用于10k
18、W以上较大功率的光伏以上较大功率的光伏并网系统，系统只采用一台并网逆变器，并网系统，系统只采用一台并网逆变器，结构结构简单且逆变器效率较高简单且逆变器效率较高。 缺点：缺点：阻塞和旁路二极管使系统损耗增加；抗阻塞和旁路二极管使系统损耗增加；抗热热斑和抗阴斑和抗阴影能力差，系统功率失配现象严重；特影能力差，系统功率失配现象严重；特性曲线出现性曲线出现复杂多波峰复杂多波峰；需要较高电压的直流母；需要较高电压的直流母线，降低了安全性，增加了成本；系统线，降低了安全性，增加了成本；系统扩展和冗扩展和冗余余能力差。能力差。 适合应用于光伏电站等功率等级较大的场合，适合应用于光伏电站等功率等级较大的场合，
19、因此这种结构仍然具有一定的运用价值。因此这种结构仍然具有一定的运用价值。26济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-173.2 交流模块式结构交流模块式结构PVPVPVPVPVPV逆变逆变器器交流模块式结构示意图交流模块式结构示意图 结构：结构：交流模块式结构交流模块式结构是把并网逆变器和光伏是把并网逆变器和光伏组件集成在一起作为一组件集成在一起作为一个光伏发电系统模块。个光伏发电系统模块。27济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17 优点：优点：无无阻塞阻塞和和旁路二极管旁路二极管，光伏组件损耗，光伏组件损耗 低；低；无无热斑和阴影热斑和阴影问题；每个模块有独立的问题；每个模
20、块有独立的MPPT设计，最大程度的提高了系统发电效率。每个设计，最大程度的提高了系统发电效率。每个模块独立运行，系统扩展和冗余能力强；模块独立运行，系统扩展和冗余能力强； 给系给系统扩充提供了很大的灵活性和即插即用性；没统扩充提供了很大的灵活性和即插即用性；没有直流母线高压，增加了整个系统工有直流母线高压，增加了整个系统工 作的安全作的安全性。性。 主要缺点：主要缺点：由于采用小容量的逆变器设计，由于采用小容量的逆变器设计， 因而逆因而逆变器效率相对较低。交流光伏模块的功率等级较低，变器效率相对较低。交流光伏模块的功率等级较低，一般在一般在50- 400W。在同等功率水平条件下，交流模。在同等
21、功率水平条件下，交流模块式结构的价格远高于其他结构类型。块式结构的价格远高于其他结构类型。28济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-173.3 串型结构串型结构PVPVPVPVPVPV.逆变器电网串型结构图串型结构图 结构：结构：通过串联构成光伏阵通过串联构成光伏阵列给光伏并网发电系统提供列给光伏并网发电系统提供能量的系统结构。综合了集能量的系统结构。综合了集中式和交流模中式和交流模 块式两种结块式两种结构的优点，一般串联光伏阵构的优点，一般串联光伏阵列输出电压列输出电压150-450V，甚至，甚至更高，功率等级可以达到几更高，功率等级可以达到几个千瓦左右。个千瓦左右。29济南大学物理
22、学院济南大学物理学院2022-4-17 与集中式结构相比优点：与集中式结构相比优点：串型结构中由于省去串型结构中由于省去了了 阻塞二极管，阵列损耗下降；抗热斑和阴影阻塞二极管，阵列损耗下降；抗热斑和阴影的能力增加，多串的能力增加，多串MPPT设计，运行效率高；系设计，运行效率高；系统扩展和冗余能力强；统扩展和冗余能力强； 主要不足：主要不足：系统仍然有热斑和阴影问题，另外，逆系统仍然有热斑和阴影问题，另外，逆变器数量增多，扩展成本增加且逆变器效率变器数量增多，扩展成本增加且逆变器效率 相对有相对有所降低，但逆变效率仍高于交流模块式结构的逆变所降低，但逆变效率仍高于交流模块式结构的逆变效率效率3
23、0济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-173.4 多支路结构多支路结构 多支路结构是由多个多支路结构是由多个DC/DC变换器、一个变换器、一个DC/AC逆逆变器构成，其综合了串型结构和集中式结构的优点，变器构成，其综合了串型结构和集中式结构的优点，具体实现形式主要有两种：具体实现形式主要有两种：并联并联多支路结构和多支路结构和串联串联多支路结构。多支路结构。31济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17PVPVPV.逆变器PVPVPV. .DC/DC变 换器 电网(a) 串联多支路结构串联多支路结构PVPVPV.PVPVPVDC/DC变 换器逆变器电网(b)(b)并联多支路结
24、构并联多支路结构32济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17多支路结构的主要优点包括：多支路结构的主要优点包括： 1）每个）每个DC/DC变换器及连接的光伏阵列拥有独立变换器及连接的光伏阵列拥有独立的的MPPT电路，类似于串型结构，所有光伏阵列可电路，类似于串型结构，所有光伏阵列可独立工作在最大功率点。独立工作在最大功率点。 2）集中并网逆变器设计使逆变效率提高、系统成）集中并网逆变器设计使逆变效率提高、系统成本降低、可靠性增强。本降低、可靠性增强。 3）多支路系统中某个）多支路系统中某个DC/DC变换器出现故障，系统变换器出现故障，系统仍然能够维持工作。仍然能够维持工作。 4）适合
25、具有不同型号、大小、方位、受光面等特）适合具有不同型号、大小、方位、受光面等特点的支路的并联，适合于光伏建筑一点的支路的并联，适合于光伏建筑一 体化形式的分体化形式的分布式能源系统应用。布式能源系统应用。33济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-173.5 主从结构主从结构. PVPVPV。 。 。 。.电网电网逆变器逆变器.组协组协同开同开关关主从结构主从结构 主从结构是一种新型的光主从结构是一种新型的光伏并网发电系统体系结构。伏并网发电系统体系结构。它通过控制它通过控制组协同开关组协同开关，来动态决定在不同外部环来动态决定在不同外部环境下光伏并网系统的境下光伏并网系统的 结构，结构
26、，以期达到最佳的光伏能量以期达到最佳的光伏能量利用率。利用率。34济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17 协同过程：协同过程：当外部光照较低时，控制组协同开当外部光照较低时，控制组协同开关使所有的光伏组件或光伏串只和一个并网逆关使所有的光伏组件或光伏串只和一个并网逆变器相连，构成为集中式结构，变器相连，构成为集中式结构， 从而克服逆变从而克服逆变器轻载低效之不足。光照较强时，组协同开关器轻载低效之不足。光照较强时，组协同开关将动态调整光伏组件的串结构，使不同规模的将动态调整光伏组件的串结构，使不同规模的光伏串和相应等级的逆变器相连，从而达到最光伏串和相应等级的逆变器相连，从而达到最
27、佳的逆变器效率以提高光伏能量利用率。佳的逆变器效率以提高光伏能量利用率。 系统高效稳定运行的关键是具有较好的系统高效稳定运行的关键是具有较好的协同控制算法协同控制算法35济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-173.6 直流模块式结构直流模块式结构 构成：构成：光伏直流建筑模块和集中逆变器模块。光伏光伏直流建筑模块和集中逆变器模块。光伏直流建筑模块是将光伏组件、高增益直流建筑模块是将光伏组件、高增益DC/DC变换器和变换器和表面建表面建 筑材料集成为一体，构成具有光伏发电功能、筑材料集成为一体，构成具有光伏发电功能、独立的、即插即用的表面建筑原件。集中逆变器将大独立的、即插即用的表面建
28、筑原件。集中逆变器将大量公共直流母线上的直流电能逆变为交流电能实现并量公共直流母线上的直流电能逆变为交流电能实现并网功能，控制直流母线电压。网功能，控制直流母线电压。融合了并联多支路结构思想与交流模块式结构思想。融合了并联多支路结构思想与交流模块式结构思想。36济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17PV控控 制制 器器光伏直流建筑模块光伏直流建筑模块PV控控 制制 器器光伏直流建筑模块光伏直流建筑模块PV控控 制制 器器光伏直流建筑模块光伏直流建筑模块.控控 制制 器器集中逆集中逆变模变模块块.直流模块式结构直流模块式结构37济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-17 主要特点：主要特点：每一个直流建筑模块具有独立的每一个直流建筑模块具有独立的MPPT电路能保证每个光伏组件均运行在最大功电路能保证每个光伏组件均运行在最大功率点，能量转化效率高；具有很高的抗局部阴影率点，能量转化效率高；具有很高的抗局部阴影和组件电气参数失配能力；采用模块化设计，和组件电气参数失配能力；采用模块化设计， 构造灵活。构造灵活。38济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-171、光伏并网系统有几种体系结构，每种体系结、光伏并网系统有几种体系结构，每种体系结构都有什么特点。构都有什么特点。作业：作业：
