光伏电池工作原理与物理建模方法分析

林 洪 袁红波

（国网聊城供电公司，山东聊城252000）

0 引言

当前，传统能源储量日益减少，且化石能源发电给环境带来的影响已越来越引起人们的重视[1]。充分利用风能、太阳能等可再生能源发电成为各个国家在发电领域研究的热点。我国风能主要集中在偏远山区、西北地区及东南沿海等，相比于风力发电对地域、占地及建设环境的要求，太阳能发电以其安装的便捷性及对建设环境的较小影响，而日益呈现出多样性的发展方向：它不仅可以在偏远且太阳能充沛的地区进行集中配置，还可以在城市的楼宇顶部、乡村房顶、别墅屋顶等进行分散式配置。太阳能发电运行模式在满足自身需求的同时，可将多余的能量反馈回电网盈利。

《2019全球可再生能源报告》数据显示，太阳能光伏新增装机约100 GW，占可再生能源新增装机的55%，总容量达到505 GW。2018年全国新增光伏发电装机容量4 426万kW，截至2018年底累计光伏发电装机容量达1.74亿kW，约占总装机容量的9%，全年新增和累计装机容量均居世界首位[2]。《能源生产和消费革命战略（2016—2030）》提出，争取到2020年和2030年，非化石能源占一次能源消费的比重达到15%和20%，实现2050年能源消费的总量基本稳定，非化石能源占比超过50%，建成能源文明消费型社会[3]。《中国可再生能源发展路线图2050》表明，到2050年，中国电力供应中的可再生能源发电比例将达到86%。

本文对光伏发电的原理及模型进行了论述，为后期光伏发电系统的控制策略设计奠定了基础。

1 光伏电池工作原理

光伏电池作为光伏发电系统的基本单元，主要是基于半导体的光生伏特效应将太阳能转换为电能。它的主要原理是：当太阳光照射到光伏电池时，光伏电池吸收了其中一部分辐射能，产生电子—空穴对。在电池内建电场的作用下，电子和空穴被分离，电子向N区移动，空穴向P区转移，使得N区带负电荷，P区带正电荷，即在PN结附近产生与内建电场方向相反的光生电压，这就是光生伏特效应[4]，如图1所示。这时若在P区和N区分别接上金属导线，连接负载，则有“光生电流”流过负载，就有功率输出，实现了光电转换。

图1 光伏电池工作原理

2 光伏电池物理建模

光伏电池的数学模型主要包括单二极管模型、双二极管模型等。

2.1 单二极管模型

光伏电池的理想模型由一个光生电流源Iph和二极管D并联构成，若考虑光伏电池的内阻，则需要在光伏电池理想模型的电路图中加入一个串联等效电阻Rs和一个并联等效电阻Rsh，得到光伏电池的单二极管模型，如图2所示。

图2 光伏电池单二极管等效电路模型图

光伏电池单二极管模型的输出电流I和输出电压V的关系式为：

式中：k和q为常量，其值分别为1.831×10-23J/K和1.602×10-19C；A为拟合系数且是一个变量；Is代表二极管饱和电流。

光照强度和光伏电池的实际工作温度是影响光生电流大小的重要参数，三者的关系如下：

式中：CT为温度系数（A/K）；S为实际日照强度（W/m2）；T为光伏电池的实际工作温度；带下标其他量分别为对应相关参数的标准参考值。

2.2 双二极管模型

光伏电池的双二极管模型如图3所示。

图3 光伏电池双二极管等效电路模型图

双二极管模型较单二极管模型精度更高，因为耗尽区的复合损耗也加入考虑的范围，其输出电流、电压的关系式为：

2.3 光伏阵列

实际光伏发电系统中需要将单个光伏电池通过串联、并联组成光伏阵列进行发电，以满足发电系统输出电压和输出功率的要求。假定组成光伏阵列的光伏电池相关特性参数一致，选用单二极管模型建立光伏阵列，如图4所示。

图4 单二极管模型光伏阵列等效电路图

光伏阵列的输出电流、电压关系式为：

式中：Ns为光伏电池串联个数；Np为光伏电池并联个数。

3 结语

本文从光生伏特效应出发阐述了光伏发电的原理，并且根据实际光伏发电系统的模型列出了如何将单个光伏电池通过串联、并联组成光伏阵列，实现光伏输出功率，为后续光伏发电的仿真建模提供了依据。