二级管在光伏阵列中的作用及原理分析

1、 摘 要本设计主要阐述了分析二极管在光伏阵列的作用。根据太阳电池的仿真模型，建立光伏阵列的仿真模型，分析计算二极管在阵列中的作用。得出二极管在光伏阵列中的作用是：1防夜间蓄电池给太阳能组件反充，2防蓄电池反接负载。 关键字 二极管 光伏矩阵 太阳能组件防反冲 反接负载 目 录摘要2绪言4一.光伏阵列51.1二极管阵列检测器5 1.2二级管阵列检测器的工作原理6 1.3二级管阵列检测器优缺点6二.光伏阵列中二极管的种类及作用6三.光伏阵列中二极管作用及原理分析8四.光伏阵列在未来的发展9参考文献10 绪 言 随着全球气候变暖、污染问题日益严重，从传统能源向可再生能源的转变势在必行。太阳能光伏技术

2、（photovoltaic）是将太阳能转化为电力的技术，其核心是可释放电子的半导体物质。最常用的半导体材料是硅。地壳硅储量丰富，可以说是取之不尽、用之不竭。太阳能光伏电池有两层半导体，一层为正极，一层为负极。阳光照射在半导体上时，两极交界处产生电流。阳光强度越大，电流就越强。太阳能光伏系统不仅只在强烈阳光下运作，在阴天也能发电。其优点有：燃料免费、没有会磨损、毁坏或需替换的活动部件、保持系统运转仅需很少的维护、系统为组件，可在任何地方快速安装、无噪声、无有害排放和污染气体等。其中太阳能作为可再生能源的重要部分，最近几年已经得到了很广泛的应用，如何提高太阳能的利用效率成为研究热点之一。本文首先从

3、晶体硅太阳电池的等效电路图入手，根据电路分析的知识求解出等效电路伏安特性的数学表达式，建立光伏组件和阵列仿真模型，分析二极管在太阳电池、组件及阵列中的作用，及其导通电压的大小对光伏应用效果的影响，其分析结果具有较好的实践价值。一.光伏阵列 独立光伏系统的构成主要包括：光伏组件（阵列）、蓄电池、逆变器、控制器。见图8.4。下而我们分别加以讨论。 一个光伏阵列包含两个或两个以上的光伏组件，具体需要多少个组件及如何连接组件与所需电压（电流）及各个组件的参数有关。光伏组件是由太阳能电池片群密封而成，是阵列的最小可换单元。目前大多数太阳能电池片是单晶或多晶硅电池。这些电池正面用退水玻璃背面用软的东西封装

4、。它就是光伏系统中把辐射能转换成电能的部件。1.1二极管阵列检测器二极管阵列检测器 即光电二级阵列管检测器又称光电二极管列阵检测器或光电二极管矩阵检测器，表示为pda（photo-diode array）、pdad（photo-diode array detector）或（diode array detector，dad）是20世纪80年代出现的一种光学多通道检测器。在晶体硅上紧密排列一系列光电二极管，每一个二极管相当于一个单色器的出口狭缝，二极管越多分辨率越高，一般是一个二极管对应接受光谱上一个纳米谱带宽的单色光。此外，还有的商家称之为多通道快速紫外-可见光检测器（multichannel

5、rapid scanning uv-vis detector），三维检测器（three dimensional detector）等。光电二极管阵列检测器目前已在高效液相色谱分析中大量使用，一般认为是液相色谱最有发展、最好的检测器。 1.2二级管阵列检测器的工作原理复色光通过样品池被组分选择性吸收后再进入单色器，照射在二极管阵列装置上，使每个纳米波长的光强度转变为相应的电信号强度，即获得组分的吸收光谱，从而获得特定组分的结构信息，有助于未知组分或复杂组分的结构确定。许多色谱工作站可将两张图谱绘在一张三维坐标图上而获得三维光谱一色谱图，也可进行峰纯度检查。以峰纯度数值说明某个色谱峰的纯度，数值越

6、高，色谱峰为单峰的可能性越大；数值越低，色谱峰为重叠峰的可能性越大，用于指导色谱分离条件的摸索。随着化学计量学的发展，将色谱信息和相对应的光谱信息相结合，按一定的数学模型处理，能解决重叠峰的识别和定量难题。但dad检测器的灵敏度比通常的ua检测器约低一个数量级。所以单纯用于含量测定或杂质检查时，还是采用ua检测器为好。1.3二级管阵列检测器优缺点 用一组光电二极管同时检测透过样品的所有波长紫外光，而不是某一个或几个波长，和普通的紫外-可见分光检测器不同的是进入流动池的光不再是单色光。它具有以下优点：1、灵敏度高2、噪音低3、线性范围宽4、对流速和温度的波动不灵敏，适用于梯度洗脱及制备色谱5、可

7、得任意波长的色谱图，极为方便6、可得任意时间的光谱图，相当于与紫外联用7、色谱峰纯度鉴定、光谱图检索等功能，可提供组分的定性信息 。缺点：1、只能检测有紫外吸收的物质2、流动相的选择有一定限制，流动相的截止波长必须小于检测波长二.光伏阵列中二极管的种类 二极管的种类pn 结型光电二极管（也称pd），pin 结型光电二极管，雪崩光电二极管（记为apd），肖特基势垒光电二极管，光电三极管等。二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（ge管）和硅二极管（si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管

8、及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“pn结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的“pn结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。 光伏阵列的任何部分不能被遮荫，它不像太阳能集热器，如果遮住了光伏组件必须有相同的电流。如果有几个电池被遮荫，则它们便不会产生电流且会成为

9、反向偏压，这就意味着被遮电池消耗功率发热，久而久之，形成故障。但是有些偶然的遮挡是不可避免的，所以需要用旁路二极管来起保护作用。如果所有的组件是并联的，就不需要旁路二极管，即如果要求阵列输出电压为12v，而每个组件的输出恰为12v，则不需要对每个组件加旁路二极管，如果要求24v阵列（或者更高），那么必须有2个（或者更多的）组件串联，这时就需要加上旁路二极管，如图8.17所示,图8.17 带旁路二极管的串联电池组件组件组件组件+-dc24v 组件组件组件组件+-dc24v阻塞二极管 图8.18 对于24v阵列阻塞二极管的接法阻塞二极管是用来控制光伏系统中电流的:任何一个独立光伏系统都必须有防止从

10、蓄电池流向阵列的反向电流的方法或有保护或失效的单元的方法。如果控制器没有这项功能的话，就要用到阻塞二极管，如图8.18阻塞二极管既可在每一并联支路，又可在阵列与控制器之间的干路上，但是当多条支路并联接成一个大系统，则应在每条支路上用阻塞二极管（如图8.18）以防止由于支路故障或遮蔽引起的电流由强电流支路流向弱电流支路的现象。在小系统中，在干路上用一个阻塞二极管就够了，不要两种都用，因为每个二极管会降压0.40.7v是一个12v系统的6%，这也是不小的一个比例。在组成光伏阵列的支路中串联二极管可以起到电压钳位作用，但能引起附加损耗; 而在阵列支路中没有串联二极管，在出现光斑现象严重时，可能出现支

11、路间的回路电流，增加了电路的附加损耗。由于二极管导通时有损耗，建议使用导通电压低的二极管。 三.光伏阵列中二极管作用及原理分析防反充(防逆流)二极管：防反充二极管的作用之一是防止太阳能电池组件或方阵在不发电时，蓄电池的电流反过来向组件或方阵倒送，不仅消耗能量，而且会使组件或方阵发热甚至损坏；作用之二是在电池方阵中，防止方阵各支路之间的电流倒送。这是因为串联各支路的输出电压不可能绝对相等，各支路电压总有高低之差，或者某一支路因为故障、阴影遮蔽等使该支路的输出电压降低，高电压支路的电流就会流向低电压支路，甚至会使方阵总体输出电压的降低。在各支路中串联接入防反充二极管就避免了这一现象的发生。二极管的

12、工作原理 ：晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。 在独立光伏发电系统中，有些光伏控制器的电路上已经接入了防反充二极管，即控制器带有防反充功能时，组件输出就不需要再接二极管了。 防反充二极管存在有正向导通压降，串联在电路中会有一定的功率消耗，一般使用的硅整流二极管管压降为0.7v左右，大功率管可达l2v。肖特基二极管虽然管压降较低，

13、为0.20.3v，但其耐压和功率都较小，适合小功率场合应用。用户在使用电池供电产品时常常会误将电池装反，利用单个二极管或二极管桥可以避免损坏电路，但那会浪费功率，并由于在电池与系统电源间串入了一或两个二极管压降，使可用的电源电压减小。 pin光电二极管原理：由于pn结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收， 因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在pn结中间设置一层本征半导体(称为i)，这种结构便是常用的pin光电二极管。pin光电二极管原理：pin管的结构：在p型半导体和n型半导体之间夹着一层本征半导体。因为本征层相对于p区和n区是高阻区。这样，pn结的内电场就基本上全集中于

14、 i 层中。pin光电二极管原理：i层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率，从而使灵敏度得以提高。两侧p层和n层很薄，吸收入射光的比例很小，i层几乎占据整个耗尽层， 因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。i层所起的作用:本征层的引入，明显增大了p+区的耗尽层的厚度，这有利于缩短载流子的扩散过程。耗尽层的加宽，也可以明显减少结电容cj,从尔使电路常数减小。同时耗尽加宽还有利于对长波区的吸收。性能良好的pin光电二极管，扩散和漂移时间一般在10-10 s数量级，频率响应在千兆赫兹。实际应用中决定光电二极管

15、的频率响应的主要因素是电路的时间常数。合理选择负载电阻是一个很重要的问题。 四.光伏阵列在未来的发展早在1839年，法国科学家贝克雷尔（becqurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了光电转换效率为4.5%的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。 此后太阳能光伏产业技术水平不断提高，生产规模持续扩大。在1990-2006 年这十几年里，全球太阳能电池产量增长了50 多倍。随着全球能源形势趋紧，太阳能光伏发电作为一种可持续的能源替代方式，

16、于近年得到迅速发展，并首先在太阳能资源丰富的国家，如德国和日本，得到了大面积的推广和应用。在国际市场和国内政策的拉动下，中国的光伏产业逐渐兴起，并迅速成为后起之秀，涌现了无锡尚德、常州天合和天威英利等一大批优秀的光伏企业，带动了上下游企业的发展，中国光伏发电产业链正在形成。自2005年可再生能源法公布以来，国家有关部门相继公布了可再生能源产业发展指导目录、可再生能源中长期发展规划、可再生能源发展“十一五”规划等文件，出台了一系列政策措施，营造了较好的鼓励国内市场发展的政策环境。我们希望，国内光伏市场能够由此进入一个快速发展的时期，从而为我国的太阳能电池产业开辟更好的市场前景。 参考文献1 ka

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18、 1995， 37( 2): 123 1323 陈维，沈辉 光伏系统因素研究j 中山大学学报: 自然科学版， 2007， 46( 6) : 34 384 nguyen d d，lehman b modeling and simulation ofsolar pv arrays under changing illumination conditionscieee workshops on computer in power electronicss 1: s n ， 2006: 295 2995 吴海涛，孔娟，夏东伟 基matlab/simulink 的光伏电池建模与仿真j 青岛大学学报: 工程技术版， 2006，21( 4) : 74 776 邱关源 电路m 北京: 高等教育出版社，2004，9