二极管在光伏阵列中的作用

1、太阳能光电工程学院应用光伏学课程设计报告书题 目：二极管在光伏阵列中的作用及原理分析姓 名：专 业： 10班 级： 10准考证号：设计成绩：指导教师：摘要二极管在光伏系统中发挥着重大的作用，本文首先从二极管的作用及原 理入手，系统的介绍了光伏阵列所需二极管的种类、特性及在系统中的作用， 并系统阐述了二极管在光伏阵列的工作原理。在本文我们用图表的形式来描 述太阳能电池的内部结构、伏安特性，并以此为基础建立等效电路图。利用 Matlab和Simulink仿真工具，建立光伏阵列的仿真模型，通过仿真计算和分 析可知，在太阳电池模型中的二极管D是起到分流光生电流的作用，二极管的导 通电压的大小可以影响太

2、阳电池输出电流，提高二极管D的导通电压，可以减小 太阳电池的暗电流，提高太阳电池的输出功率，而在光伏组件中反向并联旁路二 极管作用是可以减小热斑现象对光伏组件影响，选择导通电压低的旁路二极管可 以提高组件或光伏阵列的输出功率，得出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，但能引起附加损耗的结论。研究结果表明正确选择 二极管的导通电压对提高光伏组件和阵列输出功率是有益的。太阳能电池阵列对于遮挡十分敏感。中间解释了在串联回路中，每个组件或部分电池被遮光，就 可能造成该组件或电池上产生反向电压，严重时可能对组件造成永久性的损坏。 由此引起的热斑效应。关键词：太阳能电池 二极管 光伏阵列

3、目 录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 绪言 3 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 二极管原理4 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 1.1二极管概要4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 1.2二极管特性4 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 二极管在光伏阵列中的作用 4 HYPERLINK l bookmark29 o

4、Current Document 2.1太阳能电池特性4 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 2.2二极管在光伏阵列中的作用 6 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 光伏阵列的仿真9 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 参考文献 11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。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 文首先对二极管的工作原理

5、入手，利用太阳能的内部结构、伏安特性建立 等效电路，再根据电路分析的知识解答伏安特性的表达式。分析二极管在 太阳能电池、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。详细的介绍了旁路二极管，以及在光伏阵列中的作用。利用 Matlab 和Simulink仿真工具建立光伏阵列的仿真模型，从而更加系统的说明二极管对 光伏阵列的影响，其分析结果具有较好的实践价值。通过仿真计算和分析可知， 在太阳电池模型中的二极管D是起到分流光生电流的作用，二极管的导通电压的 大小可以影响太阳电池输出电流，提高二极管D的导通电压，可以减小太阳电池 的暗电流，提高太阳电池的输出功率，而在光伏组件中反向并联

6、旁路二极管作用 是可以减小热斑现象对光伏组件影响，选择导通电压低的旁路二极管可以提高组 件或光伏阵列的输出功率。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。二极管原理1.1二极管概要二极管又称晶体二极管，简称二极管(diode);它只往一个方向传送电 流的电子零件。它是一种具有1个零件号接合的2个端子的器件，具有按 照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。品体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n

7、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。1.2二极管特性二极管的单向导电特性，几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体 二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件 之一，其应用也非常广泛。二极管的管压降：硅二极管(不发光类型)正 向管压降0.7v，锗管正向压降为0.3v发光二极管正向管压降为随不同发 光颜色而不同。二极管的电压与电流不是线性关系，所以在将不同的二极管并联的时 候要接相适应的电阻。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

8、 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。二极管在光伏阵列中的作用2.1太阳能电池特性太阳电池发电的能量来源于太阳，当受光照射的光伏电池接上负载时，光生 电流流过负载，并在负载的两端建立起端电压，这时晶硅太阳电池的等效电路图 如图1所示，太阳电池通常用半导体制成的p-n结的光伏器件，因而太阳电池的 基本特性和二极管相似，它的伏安特性曲线是单调增长或单调下降的，它同时是 电流控制又是电压控制

9、的。具有单调型非线性电阻的特性，非线性电阻是单向性的，当加在非线性电阻两端的电压方向不同时，流过它的电流完全不同。图1光伏电池等效电路图图1中太阳电池看作为稳定地光生电流Iph的电流源，与之并联的有一个处 于正偏压下的二极管及一个并联电阻Rsh。显然正向二极管的暗电流Id和并联电 阻的旁路电流Ish都要靠Iph来提供，剩余的电流经过一个串联电阻RS流出太阳电 池而进入负载RL。利用Simulink建立太阳电池模型并对1 000W/m2的光照强度 下的太阳电池进行仿真，由此得到单元太阳电池特性曲线如图2,从太阳电池特 性曲线中可以看出，太阳电池是一种非线性直流电源，从负载端看太阳电池具有 电流源

10、的特性即可以短路，也具有电压源的特性即可以开路，其动态电阻是电压 对电流的导数，对不同日照情况每条曲线都存在一个最大输出功率点，这个功率 点对应唯一的输出电压和电流。硅太阳电池的工作点是太阳电池V-I曲线与负载 特性曲线的交点。最大功率跟踪就是改变负载电阻从太阳电池电源中获得最大功 率。负载电阻的改变可以通过PWM控制技术实现，这样就实现了最大功率点的跟 踪控制。但是值得注意的是硅太阳电池具有非线性特性，即使相同的太阳电池， 在不同的光强照射下，它的等效匹配电阻也是不同的，当光照强度改变时，其端 口的等效匹配电阻就发生变化，为了获得最大的输出功率，必须通过改变负载电 阻以匹配。光照强度对晶硅太

11、阳电池最大功率点处的电压Ums影响不大，但是流 过负载的电流却随着光强度的增加而大幅增加，因此最佳匹配等效电阻减小。具 有近似反比例函数关系。b 5 4 3 a 2 V）光照强度J（W m 2）支路【二极管 损耗圭路n二极曾损耗/W支路1电流支路I】屯流门工作电压W工作电流M最大功率/琼1 0000.909 00.909 04 4474.447342.98.8953 050晰0. 874 6(k 808 44.2813LJ63354.08. 24.52 9196000.961 9(1 862 84例4.225317.38.9242 832表S苴路中无串联.极管Table 5 The resul

12、ts wiLh-out by-pass diades光照强度，m 3）支路1二芝菅 损耗/w支路11 .械管 损耗m支隔r屯流u支路H屯流苗工作电压/v工作电流/ A最大功率1 000004. 4704. 47034L48.9393 052800004 2833.964354. 18.2472 920600004 6974.218317.88.9152 833从表4可以看出在支路中串联二极管引起附加损耗，并且当二极管的导通电 压提高损耗会随之增加，但会对支路的工作电压起到钳位作用，当出现光线遮挡 时，支路I、支路II的工作电流不同，互不影响。从表 得到由于没有二极管的 损耗，阵列总输出功率比阵

13、列中串联二极管的总输出功率高，由于光强度对硅太 阳电池最大功率点处的电压影响不大，因而对阵列的最佳工作电压影响较小，支 路I、支路II的工作电流也是不同的，在最大输出功率工作点处，支路I、支路 II联合向负载提供功率，但需要说明的是，在阵列的端电压接近开路电压时，支 路II的电流为负，等于支路I的电流，在两条支路中形成了回路，也就是说，支 路II分流了支路I的电流，减小了向负载提供电流，引起回路中的附加损耗，并 且这种现象随着光强度的减弱而加重。通过仿真计算和分析可知，在太阳电池模型中的二极管D是起到分流光生电 流的作用，二极管的导通电压的大小可以影响太阳电池输出电流，提高二极管D 的导通电压，可以减小太阳电池的暗电流，提高太阳电池的输出功率，而在光伏 组件中反向并联旁路二极管作用是可以减小热斑现象对光伏组件影响，选择导通 电压低的旁路二极管可以提高组件或光伏阵列的输出功率。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