1、太陽能光電工程學院應用光伏學課程設計報告書題 目：二極管在光伏陣列中的作用及原理分析姓 名：專 業： 10班 級： 10準考證號：設計成績：指導教師：摘要二極管在光伏系統中發揮著重大的作用，本文首先從二極管的作用及原 理入手，系統的介紹了光伏陣列所需二極管的種類、特性及在系統中的作用， 并系統闡述了二極管在光伏陣列的工作原理。在本文我們用圖表的形式來描 述太陽能電池的內部結構、伏安特性，并以此為基礎建立等效電路圖。利用 Matlab和Simulink仿真工具，建立光伏陣列的仿真模型，通過仿真計算和分 析可知，在太陽電池模型中的二極管D是起到分流光生電流的作用，二極管的導 通電壓的大小可以影響太

2、陽電池輸出電流，提高二極管D的導通電壓，可以減小 太陽電池的暗電流，提高太陽電池的輸出功率，而在光伏組件中反向并聯旁路二 極管作用是可以減小熱斑現象對光伏組件影響，選擇導通電壓低的旁路二極管可 以提高組件或光伏陣列的輸出功率，得出在組成光伏陣列的支路中串聯二極管 可以起到電壓鉗位作用，但能引起附加損耗的結論。研究結果表明正確選擇 二極管的導通電壓對提高光伏組件和陣列輸出功率是有益的。太陽能電池陣列對于遮擋十分敏感。中間解釋了在串聯回路中，每個組件或部分電池被遮光，就 可能造成該組件或電池上產生反向電壓，嚴重時可能對組件造成永久性的損壞。 由此引起的熱斑效應。關鍵詞：太陽能電池 二極管 光伏陣列

3、目 錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 緒言 3 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 二極管原理4 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 1.1二極管概要4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 1.2二極管特性4 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 二極管在光伏陣列中的作用 4 HYPERLINK l bookmark29 o

4、Current Document 2.1太陽能電池特性4 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 2.2二極管在光伏陣列中的作用 6 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 光伏陣列的仿真9 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 參考文獻 11緒言隨著全球氣候變暖、污染問。題日益嚴重，從傳統能源向可再生能源 的轉變勢在必行。其中太陽能作為可再生能源的重要部分，最近幾年已經 得到了很廣泛的應用，如何提高太陽能的利用效率成為研究熱點之一。本 文首先對二極管的工作原理

5、入手，利用太陽能的內部結構、伏安特性建立 等效電路，再根據電路分析的知識解答伏安特性的表達式。分析二極管在 太陽能電池、組件及陣列中的作用，及其導通電壓的大小對光伏應用效果 的影響。詳細的介紹了旁路二極管，以及在光伏陣列中的作用。利用 Matlab 和Simulink仿真工具建立光伏陣列的仿真模型，從而更加系統的說明二極管對 光伏陣列的影響，其分析結果具有較好的實踐價值。通過仿真計算和分析可知， 在太陽電池模型中的二極管D是起到分流光生電流的作用，二極管的導通電壓的 大小可以影響太陽電池輸出電流，提高二極管D的導通電壓，可以減小太陽電池 的暗電流，提高太陽電池的輸出功率，而在光伏組件中反向并聯

6、旁路二極管作用 是可以減小熱斑現象對光伏組件影響，選擇導通電壓低的旁路二極管可以提高組 件或光伏陣列的輸出功率。在組成光伏陣列的支路中串聯二極管可以起到電壓鉗 位作用，但能引起附加損耗;而在陣列支路中沒有串聯二極管，在出現光斑現象 嚴重時，可能出現支路間的回路電流，增加了電路的附加損耗。由于二極管導通 時有損耗，建議使用導通電壓低的二極管。二極管原理1.1二極管概要二極管又稱晶體二極管，簡稱二極管(diode);它只往一個方向傳送電 流的電子零件。它是一種具有1個零件號接合的2個端子的器件，具有按 照外加電壓的方向，使電流流動或不流動的性質。品體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n

7、結，在其界面處兩側形成空間電荷層， 并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態。1.2二極管特性二極管的單向導電特性，幾乎在所有的電子電路中，都要用到半導體 二極管，它在許多的電路中起著重要的作用，它是誕生最早的半導體器件 之一，其應用也非常廣泛。二極管的管壓降：硅二極管(不發光類型)正 向管壓降0.7v，鍺管正向壓降為0.3v發光二極管正向管壓降為隨不同發 光顏色而不同。二極管的電壓與電流不是線性關系，所以在將不同的二極管并聯的時 候要接相適應的電阻。晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界

8、 面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于 p-n結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等 而處于電平衡狀態。當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載 流子的擴散電流增加引起了正向電流。二極管在光伏陣列中的作用2.1太陽能電池特性太陽電池發電的能量來源于太陽，當受光照射的光伏電池接上負載時，光生 電流流過負載，并在負載的兩端建立起端電壓，這時晶硅太陽電池的等效電路圖 如圖1所示，太陽電池通常用半導體制成的p-n結的光伏器件，因而太陽電池的 基本特性和二極管相似，它的伏安特性曲線是單調增長或單調下降的，它同時是 電流控制又是電壓控制

9、的。具有單調型非線性電阻的特性，非線性電阻是單向性的，當加在非線性電阻兩端的電壓方向不同時，流過它的電流完全不同。圖1光伏電池等效電路圖圖1中太陽電池看作為穩定地光生電流Iph的電流源，與之并聯的有一個處 于正偏壓下的二極管及一個并聯電阻Rsh。顯然正向二極管的暗電流Id和并聯電 阻的旁路電流Ish都要靠Iph來提供，剩余的電流經過一個串聯電阻RS流出太陽電 池而進入負載RL。利用Simulink建立太陽電池模型并對1 000W/m2的光照強度 下的太陽電池進行仿真，由此得到單元太陽電池特性曲線如圖2,從太陽電池特 性曲線中可以看出，太陽電池是一種非線性直流電源，從負載端看太陽電池具有 電流源

10、的特性即可以短路，也具有電壓源的特性即可以開路，其動態電阻是電壓 對電流的導數，對不同日照情況每條曲線都存在一個最大輸出功率點，這個功率 點對應唯一的輸出電壓和電流。硅太陽電池的工作點是太陽電池V-I曲線與負載 特性曲線的交點。最大功率跟蹤就是改變負載電阻從太陽電池電源中獲得最大功 率。負載電阻的改變可以通過PWM控制技術實現，這樣就實現了最大功率點的跟 蹤控制。但是值得注意的是硅太陽電池具有非線性特性，即使相同的太陽電池， 在不同的光強照射下，它的等效匹配電阻也是不同的，當光照強度改變時，其端 口的等效匹配電阻就發生變化，為了獲得最大的輸出功率，必須通過改變負載電 阻以匹配。光照強度對晶硅太

11、陽電池最大功率點處的電壓Ums影響不大，但是流 過負載的電流卻隨著光強度的增加而大幅增加，因此最佳匹配等效電阻減小。具 有近似反比例函數關系。b 5 4 3 a 2 V）光照強度J（W m 2）支路【二極管 損耗圭路n二極曾損耗/W支路1電流支路I】屯流門工作電壓W工作電流M最大功率/瓊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苴路中無串聯.極管Table 5 The resul

12、ts wiLh-out by-pass diades光照強度，m 3）支路1二芝菅 損耗/w支路11 .械管 損耗m支隔r屯流u支路H屯流苗工作電壓/v工作電流/ A最大功率1 000004. 4704. 47034L48.9393 052800004 2833.964354. 18.2472 920600004 6974.218317.88.9152 833從表4可以看出在支路中串聯二極管引起附加損耗，并且當二極管的導通電 壓提高損耗會隨之增加，但會對支路的工作電壓起到鉗位作用，當出現光線遮擋 時，支路I、支路II的工作電流不同，互不影響。從表 得到由于沒有二極管的 損耗，陣列總輸出功率比陣

13、列中串聯二極管的總輸出功率高，由于光強度對硅太 陽電池最大功率點處的電壓影響不大，因而對陣列的最佳工作電壓影響較小，支 路I、支路II的工作電流也是不同的，在最大輸出功率工作點處，支路I、支路 II聯合向負載提供功率，但需要說明的是，在陣列的端電壓接近開路電壓時，支 路II的電流為負，等于支路I的電流，在兩條支路中形成了回路，也就是說，支 路II分流了支路I的電流，減小了向負載提供電流，引起回路中的附加損耗，并 且這種現象隨著光強度的減弱而加重。通過仿真計算和分析可知，在太陽電池模型中的二極管D是起到分流光生電 流的作用，二極管的導通電壓的大小可以影響太陽電池輸出電流，提高二極管D 的導通電壓，可以減小太陽電池的暗電流，提高太陽電池的輸出功率，而在光伏 組件中反向并聯旁路二極管作用是可以減小熱斑現象對光伏組件影響，選擇導通 電壓低的旁路二極管可以提高組件或光伏陣列的輸出功率。在組成光伏陣列的支 路中串聯二極管可以起到電壓鉗位作用，但能引起附加損耗;而在陣列支路中沒 有串聯二極管，在出現光斑現象嚴重時