一种基于教学过程的光伏组件电特性分析

李颖华 徐云龙 令前华

摘 要：光伏专业教学中，关于光伏组件的电性能部分，学生难以深入理解其作为电源与普通直流电源的本质区别。针对光伏组件电特性教学环节难学难教的特点，本文比较了光伏组件与普通直流电源的电特性，从光伏电池片电特性、直流电压源电特性、光伏组件电特性及影响光伏组件输出特性的因素等方面进行分析。这种比较理解法适用于光伏教学，使光伏组件教学过程事半功倍。

关键词：光伏组件；电性能；比较分析

中图分类号 ： G4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）09（B）-0000-00

光伏组件作为电源与普通直流电源有本质区别，本文深入电源本质来理解光伏组件电特性，研究适用于光伏教学与实践的方法。光伏系统是一种基于光电转换原理的新能源发电系统，而光伏组件中真正发电部件是光伏电池片。若要对光伏组件的电特性进行分析，先分析光伏电池片的电特性。

1 硅光伏电池片的等效电路分析

如图1a）所示硅光伏电池片的等效电路图，光伏电池片可等效为一个光电池并联了一个正偏二极管，以及等效串联电阻和等效并联电阻[1]。光生伏特效应产生光电流Iph-cell，其中流过二极管的电流成为了漏电流Id，因此二极管的漏电流会抵消部分光生电流。等效串联电阻是光伏电池片的体电阻、扩散层横向电阻、金属电极与电池片体的接触电阻，以及金属电极自身电阻混合而成的，其中扩散层横向电阻为主要因素，小于1Ω。等效并联电阻即旁路电阻，由硅晶体缺陷引起的边缘漏电导致的，以及电池表面污染使一部分本来应该通过负载的电流短路形成电流Ish-cell，等效于存在一个并联电阻（约几kΩ）。串联电阻越小，并联电阻越大，电性能越好，就越接近理想的光伏电池片。光伏组件的电特性便由若干光伏电池片电特性叠加而成，分析光伏组件的发电特性，与直流电压源的分析方法一致。

a） 硅电池片等效电路 b）电压源的I-U特性

图1 硅电池片等效电路与实际电压源特性对比

2 直流电压源的I-U特性

若二端元件电流可变，电压保持常量Uoc，则为独立电压源。为了深入理解光伏组件电特性，先来研究直流电源电特性。电压源自身电压Uoc由其本身特性决定，与所接外电路无关[2]；而电压源的电流还需考虑外电路的影响，电压源输出到外电路的电压U为零时相当于短路。如图1b）所示为直流电压源的电特性，实际电源的电压会随着电源电流增加而下降[3]。特性曲线与电压轴的交点Uoc表示电源不接负载时的开路电压，随着电流的增加，电压沿直线下降，当电流超过某一额定值In后，电压将急剧下降。为了得到电源在正常工作时的电路模型，将直线部分延长，与电流轴交点为（Isc，0）。该直线的方程为

式中Ro=Uoc/Isc称为电源内阻，由直线的斜率确定。电路模型由电压源Uoc和电阻Ro的串联组成，电阻Ro的电压降模拟实际电源电压随电流增加而下降的特性，Ro越小的电源，其电压越稳定[4]。独立电压源电压和电流间的约束关系由I-U平面上的一条直线来描述。

3 光伏组件的I-U特性

光伏组件的电特性不像直流电压源电特性那样呈现很好的直线特性，因为光伏电源特性是非线性的。那么与电压源的直线电特性比较，光伏电池片的I-U特性有两种可能。

a）凹线 b）凸线

图2 光伏组件电流-电压曲线的两种情况

3.1两种I-U曲线比较

1）如图2a所示，a点之前电流下降很快，而电压增加的很慢；a点之后电压增加幅度大，但电流下降接近于0。显然实际光伏电源工作中，这样的电特性始终无法满足需要。2）如图2b所示，a点之前电流下降了，而电压增加的更快；a点之后电压增加幅度变小，但电流下降向0靠近。显然实际光伏电源工作中，这样的电特性比较适合。另外，从功率的角度去比较，图2b中任一工作点的功率都比在普通电压源直线特性相同工作点的功率大，不像2a图中功率小得太多。

3.2 光伏组件的实际I-U特性

光伏组件I-U特性的3个关键点即峰值功率Pmax、开路电压Uoc和短路电流Isc，此外还有峰值电流Iop、峰值电压Vop、填充因子和转换效率等。光伏组件短路时，电压U=0，此时的电流即短路电流Isc，短路电流随光强变化而变化。光伏组件不接负载时处于开路状态，此时测到的电压即开路电压，光伏电池片串联越多Uoc越大，36片电池片串联的构成的光伏组件Uoc=21V左右。即峰值功率（最大输出功率或最佳输出功率），指光伏组件工作在正常条件或标准测试条件下（欧洲委员会101号标准条件是辐照度1kW/㎡、光谱AM1.5、测试温度25℃）的输出功率（Pmax=Uop×Iop）。

4 不同光强和不同温度下的光伏组件I-U特性

光伏组件的输出功率取决于光照强度、阳光分布、温度、阴影和光伏电池片晶体结构等因素，其中最关键的是光强和温度[1]。光强和温度随时在变，所以Pmax通常用模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的光伏电池进行比较。

1）光强：光伏组件的输出功率与光强成正比，日照增强时组件输出功率也随之增强。当环境温度相同且曲线的形状保持一致时，光强增大，光伏组件的输出电压变化不大，但输出电流增大较多，最大功率点上升。Isc随光强增大而增大较多，Uoc变化小。光强从100W/m2上升到1000 W/m2过程中，光电流增长呈线性；温度不变，光强从400 W/m2上升到1000 W/m2，光伏组件输出电压变化很小。2）温度：光伏组件温度越高，工作效率越低，温度上升导致工作电压下降，最大功率点下降。温度每升高1℃，光伏电池片的输出电压下降约5mV，那么光伏组件输出电压下降约0.18V（36片）或0.36V左右（72片）。不同光伏组件温度系数不同，光伏电池片温度升高，开路电压减小，在20℃～100℃，温度每增加1℃，光伏电池片的电压减小2mV左右；而光电流随温度的增加略有上升，温度每增加1℃，光伏电池片的光电流增加千分之一左右。

另外，当负载阻抗与光伏组件的输出特性匹配得当时，光伏组件可输出最高功率，产生最大的效率。当负载阻抗较大或者因为某种因素增大时，光伏组件将运行在高于最大功率点的电压上，这时组件效率和输出电流都会减小。当负载阻抗较小或者因为某种因素变小时，光伏组件的输出电流将增大，光伏组件将运行在低于最大功率点的电压上，组件的运行效率同样会降低。

5 总结

本文比较了光伏组件与普通直流电源的电特性，从光伏电池片电特性、直流电压源电特性、光伏组件电特性及影响光伏组件输出特性的因素等方面进行分析。基于光伏组件电性能的分析以及不同角度的I-U特性比较，对理解光伏组件的电性能有很大促进作用，这种比较分析法可以解决光伏专业教学与实践中，关于光伏组件的电性能部分难以理解的问题，使实践过程事半功倍。

参考文献

[1]徐云龙.光伏组件生产技术[M].机械工业出版社，2015.

[2]王慧玲.电路基础[M].高等教育出版社，2014.

[3]沈元华.以叠加原理为纲统帅传统光学[J].大学物理，1997，（09）.

[4]刘全慧，赵仲罴，杨建民.对《应用叠加原理时较普遍存在的一个疏忽》一文的补充[J].大学物理，1993，（08）.