二極管在光伏陣列中的作用

.PAGE.太陽(yáng)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(shū)題目：二極管在光伏陣列中的作用及原理分析__專(zhuān)業(yè)：10班級(jí)：10準(zhǔn)考證號(hào)：設(shè)計(jì)成績(jī)：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(lèi)、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(lái)描述太陽(yáng)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(guò)仿真計(jì)算和分析可知,在太陽(yáng)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(yáng)電池輸出電流,提高二極管D的導(dǎo)通電壓,可以減小太陽(yáng)電池的暗電流,提高太陽(yáng)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(duì)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(duì)提高光伏組件和陣列輸出功率是有益的。太陽(yáng)能電池陣列對(duì)于遮擋十分敏感。中間解釋了在串聯(lián)回路中,每個(gè)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(shí)可能對(duì)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(yáng)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(yáng)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)11緒言隨著全球氣候變暖、污染問(wèn)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(shì)在必行。其中太陽(yáng)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(yáng)能的利用效率成為研究熱點(diǎn)之一。本文首先對(duì)二極管的工作原理入手,利用太陽(yáng)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(shí)解答伏安特性的表達(dá)式。分析二極管在太陽(yáng)能電池、組件及陣列中的作用,及其導(dǎo)通電壓的大小對(duì)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(shuō)明二極管對(duì)光伏陣列的影響,其分析結(jié)果具有較好的實(shí)踐價(jià)值。通過(guò)仿真計(jì)算和分析可知,在太陽(yáng)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(yáng)電池輸出電流,提高二極管D的導(dǎo)通電壓,可以減小太陽(yáng)電池的暗電流,提高太陽(yáng)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(duì)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(méi)有串聯(lián)二極管,在出現(xiàn)光斑現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí),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(shí)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(chēng)晶體二極管,簡(jiǎn)稱(chēng)二極管<diode>;它只往一個(gè)方向傳送電流的電子零件。它是一種具有1個(gè)零件號(hào)接合的2個(gè)端子的器件,具有按照外加電壓的方向,使電流流動(dòng)或不流動(dòng)的性質(zhì)。晶體二極管為一個(gè)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(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí),由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)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(lèi)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(xiàn)性關(guān)系,所以在將不同的二極管并聯(lián)的時(shí)候要接相適應(yīng)的電阻。晶體二極管為一個(gè)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(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí),由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)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(shí),外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)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(yáng)能電池特性太陽(yáng)電池發(fā)電的能量來(lái)源于太陽(yáng),當(dāng)受光照射的光伏電池接上負(fù)載時(shí),光生電流流過(guò)負(fù)載,并在負(fù)載的兩端建立起端電壓,這時(shí)晶硅太陽(yáng)電池的等效電路圖如圖1所示,太陽(yáng)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(yáng)電池的基本特性和二極管相似,它的伏安特性曲線(xiàn)是單調(diào)增長(zhǎng)或單調(diào)下降的,它同時(shí)是電流控制又是電壓控制的。具有單調(diào)型非線(xiàn)性電阻的特性,非線(xiàn)性電阻是單向性的,當(dāng)加在非線(xiàn)性電阻兩端的電壓方向不同時(shí),流過(guò)它的電流完全不同。圖1光伏電池等效電路圖圖1中太陽(yáng)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(gè)處于正偏壓下的二極管及一個(gè)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(lái)提供,剩余的電流經(jīng)過(guò)一個(gè)串聯(lián)電阻RS流出太陽(yáng)電池而進(jìn)入負(fù)載RL。利用Simulink建立太陽(yáng)電池模型并對(duì)1000W/m2的光照強(qiáng)度下的太陽(yáng)電池進(jìn)行仿真,由此得到單元太陽(yáng)電池特性曲線(xiàn)如圖2,從太陽(yáng)電池特性曲線(xiàn)中可以看出,太陽(yáng)電池是一種非線(xiàn)性直流電源,從負(fù)載端看太陽(yáng)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(kāi)路,其動(dòng)態(tài)電阻是電壓對(duì)電流的導(dǎo)數(shù),對(duì)不同日照情況每條曲線(xiàn)都存在一個(gè)最大輸出功率點(diǎn),這個(gè)功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)唯一的輸出電壓和電流。硅太陽(yáng)電池的工作點(diǎn)是太陽(yáng)電池V-I曲線(xiàn)與負(fù)載特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)。最大功率跟蹤就是改變負(fù)載電阻從太陽(yáng)電池電源中獲得最大功率。負(fù)載電阻的改變可以通過(guò)PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn),這樣就實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)的跟蹤控制。但是值得注意的是硅太陽(yáng)電池具有非線(xiàn)性特性,即使相同的太陽(yáng)電池,在不同的光強(qiáng)照射下,它的等效匹配電阻也是不同的,當(dāng)光照強(qiáng)度改變時(shí),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(guò)改變負(fù)載電阻以匹配。光照強(qiáng)度對(duì)晶硅太陽(yáng)電池最大功率點(diǎn)處的電壓Ums影響不大,但是流過(guò)負(fù)載的電流卻隨著光強(qiáng)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(yáng)電池特性曲線(xiàn)因太陽(yáng)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(shì)壘電壓,這個(gè)電壓影響二極管D的導(dǎo)通電壓,對(duì)其開(kāi)路電壓是有影響的,同時(shí)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(shí),也確定太陽(yáng)電池的輸出電流的大小,進(jìn)而影響輸出功率。2.2二極管在光伏陣列中的作用太陽(yáng)能電池陣列對(duì)于遮擋十分敏感。在串聯(lián)回路中,每個(gè)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(shí)可能對(duì)組件造成永久性的損壞。因此,在安排光伏電池板串聯(lián)時(shí),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(jìn)行并聯(lián)。光伏電池并聯(lián)時(shí),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(yáng)能電池串列所產(chǎn)生的能量。被遮擋的太陽(yáng)能電池組件此時(shí)將會(huì)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(gè)光伏電池組件上安裝旁路二極管,被遮擋電池板將通過(guò)旁路二極管導(dǎo)通整個(gè)陣列的電流,使被遮擋的光伏電池不構(gòu)成負(fù)載。在儲(chǔ)能的蓄電池或逆變器與光伏陣列之間串聯(lián)一個(gè)屏蔽二極管,又稱(chēng)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(yáng)電池方陣在陰雨天和夜晚不發(fā)電或出現(xiàn)短路故障時(shí),光伏電池所發(fā)電壓低于其供電的直流母線(xiàn)電壓,蓄電池或逆變器向光伏陣列反向放點(diǎn),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(yáng)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(wú)謂的消耗在二極管中。如果陣列的功率很大,可以用幾個(gè)二極管并聯(lián)或者分別把每個(gè)二極管接在陣列的一個(gè)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(gè)電池或一組電池被遮光或損壞時(shí),工作電流超過(guò)了該電池或電池組降低了的短路電流,在組件中會(huì)發(fā)生熱斑加熱。此時(shí)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(guò)熱。可見(jiàn),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)重降低組件的使用壽命,對(duì)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(jiàn)的遮擋物有：樹(shù)葉、塵土、云層、動(dòng)物及動(dòng)物糞便、積雪等；內(nèi)在因素有太陽(yáng)電池內(nèi)阻和太陽(yáng)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(yáng)電池內(nèi)阻串聯(lián),由等效電路圖得到流過(guò)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(duì)電池片溫度的影響是肯定的,對(duì)于電池片來(lái)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(duì)于電池片的焊接工藝應(yīng)該引起充分重視,對(duì)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(shí)際等效電路分析,對(duì)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(wú)法正常工作,相對(duì)于組件來(lái)說(shuō)其是個(gè)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(yáng)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(qiáng)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(shí)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(yáng)電池的類(lèi)型、安裝地點(diǎn)、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(wú)人維護(hù)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(duì)組件的不利影響成為組件設(shè)計(jì)的重要問(wèn)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(lái)減輕熱斑的影響。首先來(lái)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(gè)消耗電阻；在其兩端產(chǎn)生S-1片電池片的方向偏壓,如無(wú)旁路二極管保護(hù),則組件電流流過(guò)后將產(chǎn)生熱量。組件的正向I-V特性曲線(xiàn)和被遮擋的電池片的反向I-V特性曲線(xiàn)相交出形成的陰影為電池片的最大消耗功率。在每個(gè)光伏組件上并聯(lián)一個(gè)正向二極管實(shí)現(xiàn)電流的旁路,該二極管稱(chēng)為旁路二極管。其具體的連接方法是在每個(gè)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(shí)不工作,耐受反向偏壓,正常運(yùn)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(shí),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(shí)消耗能量和影響其它正常陣列的能量輸出。該二極管稱(chēng)為隔離二極管,隔離二極管從一定意義上說(shuō)也是屏蔽二極管。施工現(xiàn)場(chǎng)中系統(tǒng)總要安裝蓄電池,有時(shí)由于不注意,或?yàn)榕涔ぷ髟?可能會(huì)將正負(fù)極接錯(cuò)?，F(xiàn)在一般采用二極管對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)或用繼電器防止反接,使蓄電池接錯(cuò)時(shí)不閉合,系統(tǒng)中無(wú)電流,但繼電器要消耗2~3W的電能,而且全天耗能。在陰天時(shí)這種能耗則相當(dāng)可觀(guān)。而只安裝二極管只能保護(hù)電路中的器件免受損失卻無(wú)法保護(hù)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(dá)到預(yù)期最大運(yùn)行電流的兩倍,耐壓容量應(yīng)能夠達(dá)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(yùn)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(guò)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(dá)到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。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(duì)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(lái)說(shuō)相對(duì)較小。太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(shí)形成的p-n結(jié)在電池的正面制得一個(gè)臺(tái)面型二極管,就稱(chēng)為臺(tái)面型二極硅太陽(yáng)能電池?？傊?每塊組件中都反向并聯(lián)二個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)二極管不能正常工作,這時(shí)的現(xiàn)象等同與沒(méi)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(shí),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(méi)有降低太多,保證組件的輸出功率降低不大。由于每個(gè)光伏陣列的功率一般有幾千瓦到幾百千瓦,一個(gè)串聯(lián)支路滿(mǎn)足不了,有幾個(gè)或十幾個(gè)支路并聯(lián),每個(gè)支路串聯(lián)一個(gè)二極管或沒(méi)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(méi)有降低太多,保證組件的輸出功率降低不大。由于每個(gè)光伏陣列的功率一般有幾千瓦到幾百千瓦,一個(gè)串聯(lián)支路滿(mǎn)足不了,有幾個(gè)或十幾個(gè)支路并聯(lián),每個(gè)支路串聯(lián)一個(gè)二極管或沒(méi)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)行仿真計(jì)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(méi)被遮擋,表4、表5是陣列輸出功率最大時(shí)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(huì)隨之增加,但會(huì)對(duì)支路的工作電壓起到鉗位作用,當(dāng)出現(xiàn)光線(xiàn)遮擋時(shí),支路Ⅰ、支