太阳能PV电池特性那些事

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随着近些年的发展，风能，光伏等产业发展迅速，作为可再生能源，在环境保护及使用便利性方面有很大的优势，比如，制作光伏面板的硅材料在地球上非常丰富，本文就这个产业涉及到的重要部件，太阳能电池的基本特性做一个简介梳理。

PV技术是一个可靠的技术，随着业界制作光伏面板能力的不断增强，更加促进了光伏电源系统的需求增加，对系统总成本的优化也起到了重要作用。

对并网光伏逆变器有哪些主要需求？

首先，是需要从PV电池板收获能量，通过电源转换器，产生一个正弦电流，如果需要并网使用，那么需要注入电流的相位和正弦电压同相。为了能高效的将能量从PV电池中搜集出来，需要一个最大功率点跟踪算法，这个算法决定了任何时候从PV电池中获得的最大能量。同时，如果是并网使用，需要设计遵守一定的公共标准，这些标准和功率质量，安全方面，接地，孤岛检测等相关。

PV电池的基本特性是什么？

PV电池是一个半导体器件，其电气特性类似于一个二极管，然而，PV电池还是一个能量源，当有光照时，比如太阳光照，此时它作为电流源使用。现今最普遍的技术是单晶硅和多晶硅模块的技术，其原理模型如图1所示。

图1 PV电池的简化模型

这里的基本模型中，Rp并联电阻，Rs串联电阻是寄生电阻，在理想情况下，Rp为无穷大，Rs为0.

PV电池随着其大小尺寸变化，所连接的负载类型，光照强度不同，其特性表现是不同的，所以一般通过不同环境下的运行电流和运行电压所描述。

这里我们介绍两个基本的特性参数，开路电压Voc和短路电流Isc。当电池暴露于太阳光照下时，但是没有连接负载时，跨过PV电池的电压达到最大值，这个电压就是开路电压Voc，而当电池连接负载时，电流开始流过电路，流过电池的最大电流是确定的一个值，理想的情况，当电池两端短接时，流过PV电池的电流最大Isc，两端电阻为0.

PV电池特性受哪些因素影响最大？

PV电池的电流大小是直接受光照强度影响的，光照强度越大，则电流越大，而光照强度对电压的影响却不大。那什么因素会导致PV电池电压变化呢？答案是常见的一个因素，那就是温度。我们用图示2来表示光照强度和温度对电池特性的影响。

图2 光照强度和PV电池特性的关系

从图2上看，随着光照强度的变化，PV电池特性表现出不同的曲线，光照强度越大，则对应曲线电流越大，所以，光照越强，提供的能量越大。

图3 温度和PV电池特性的关系

从图3上看，随着温度的变化，同一个电流值下的PV电池电压会发生变化，温度越高，电池电压越小，类似于二极管的温度特性。

一般来说，对于普遍使用的PV材料，光照影响对于PV电池输出功率的影响比温度对于输出功率的影响要大很多。当光照强度降低时，电池输出功率降低，当温度升高时电池输出功率也会一定程度上降低。这里有一个数据，当光照减小80%时，输出开路电压只减小10%。

什么是最大功率点MPP?

鉴于前述的一些影响因素，太阳能PV电池会运行在一个宽的电压及电流特性范围内。在光照条件下，我们连续增加电池的阻性负载，从短路条件的0负载，到较大负载的开路条件，那么，此时随着PV电池电压逐步增加，这时候就会有一个最大功率点MPP，此时电压V和电流I的乘积最大，此时PV电池会传输最大功率出来。这里有两个特殊的极限情况需要注意，当输出电压为0时，即短路时，向外传输功率为0，而相应的，输出开路时，输出电流为0，向外传输的功率也是0.

举例来说，一个高质量的单晶硅太阳能电池，在常温25C时，能产生的开路电压是0.6V,在光照满度的情况下，在常温下，电池的温度将达到45C，根据前述所谈的，随着温度的升高，电池电压将降低到0.55V,随着温度升高电池电压将更低，最终就是达到短路电压。

对于一个太阳能PV电池在45C时，其最大功率点MPP一般是80%的开路电压，和90%的短路电流乘积得到，

对于一些较低质量的电池，随着电流的增加，其电压将下降更多，使它的可用功率将从70%降到50%或者更低。

接下来的图示，我们用图4表示最大功率点的输出性能。

图4 PV电池模块MPPT输出特性

可以看出，在一定的光照下，随着负载阻抗的增加，电压会增加，电流会降低，曲线从短路电流点沿曲线到开路电压点，逐步达到一个最大功率点。

如何实现MPPT?

一般来说，光伏PV电池为了从中获取最大能量，所以需要PV模块运行在最大功率点，在任何光照条件下都需要满足这一特性，以提高能量转换效率。

通过MPPT控制环就可以实现这一特性，这就是Maximum Power Point Tracker，为了达到高百分比的MPPT跟踪，需要PV输出电压纹波要足够的小，这样的话使得它运行在MPP点附近，而不随着电池电流而变。

举例来说，一个PV模块的典型MPP电压范围是25V-45V,可以产生大概250W的功率，而开路电压不到50V.

图5 典型光伏微逆变系统框图

如上图5是一个典型光伏微逆系统的框图，简单来说，就是一个低功率的逆变器模块配合一个PV电池模块而组成。

总结，本文通过讨论PV电池的基本特性及MPPT的基本概念，有助于相关朋友的一些设计。

参考文献：AN1444 Grid-Connected Solar Microinverter Reference Design