光伏太阳能电池板的光伏效应原理

　　光伏效应

　　光电效应是由A.E. Becquerel在1839年发现的，并且提供了光和电磁辐射的微粒本质的演示。这种效应是一种物理现象，当价带中存在的电子由于光子释放的能量而传递到导带时发生。下图总结了这一现象：

　　光伏效应。

　　光伏电池由P-N硅结表示，光能穿过表面并激发结。

　　当结被光激发时，能量等于硅材料带隙（Eg）的光子产生一对电荷，一个电子和一个空穴，因此产生电流。对于硅面板，典型的Eg值在1和1.8 eV之间。

　　效率

　　不幸的是，只有一小部分光子有足够的能量产生这种现象。大约40-50%的光子要么太少，要么太多。能量小于所需带隙的光子不会有助于产生电，而能量大于Eg的光子会浪费能量（以热的形式耗散）。此外，约25-30%的光子没有穿透电池，没有到达结，而是从电池表面或触点上反射。最后，大约5%的电子-空穴对重新结合，因此不产生任何电流。

　　这意味着光伏板在工作条件下的效率约为10-15%，在单晶硅板中的峰值约为20%。

　　太阳辐射

　　按照惯例，太阳辐射的入射能量被认为等于1000 W/m^2.

　　这个值只有在特定的纬度、位置、污染等条件下才能达到。在赤道上直接曝光通常是可以实现的。在其他纬度或环境条件下，最佳条件下的太阳辐射值可以从小于600 w/m^2变化到800，并且仅在一天的一小部分时间内变化。

　　光伏板

　　如前所述，光伏电池类似于pn结二极管。

　　光伏电池板是许多接点的串并联组合。它们的额定电压通常为12至24V，开路额定电压为20至40V。功率范围从几瓦到几百瓦都有。

　　等效电路和数学模型

　　光伏电池可以简化为直流发电机，其值取决于太阳辐射。电池的等效电路示意如下：

　　光伏电池的等效电路

　　为了描述负载中的电流，我们可以使用肖克利方程和上面的等效电路。该电流I由下式描述：

　　肖克利方程。

　　其中：

　　Ie是电池中的电流，用安培表示。

　　Il是与太阳辐射强度成比例的电流。

　　Io是二极管的饱和电流，单位为安培。

　　q是电子的电荷。即1.6E-19C

　　k是玻尔兹曼常数。即1.38E-23J/K

　　Rs和Rp是串联和并联电阻，单位为欧姆。

　　v是输出电压，单位为伏特。

　　特性曲线I-V

　　上面的等式描述了光伏电池的I-V特性。通过将电流乘以并联电池的数量和/或将串联电池的电压相加，获得完整光伏板的I-V特性。典型特征如下所示：

　　然而，太阳辐射强度的变化导致电压和输出电流的相应变化。商业光伏板的文件通常报告在不同太阳辐射强度下的I-V特性。下图显示了一个示例：

　　Proteus光伏电池板模型

　　Proteus包括一个通用光伏板的现实模拟模型。通过输入商业产品的典型参数，可以容易地配置该模型。这些参数通常总是在光伏面板制造商的数据表中提供。这些参数是：

　　开路电压（Voc）是面板上的开路电压。

　　短路电流（Isc）是面板的短路电流。

　　Pmax处的电压（Vpm）是最大功率时的电压。

　　最大功率（Pmax）是面板的最大功率。

　　Voc（通常为TC Voc）的温度系数用%/摄氏度表示。

　　Isc的温度系数（通常为TC Isc）用%/摄氏度表示。

　　有时会给出Imp （I @ max power）而不是Pmax值。在这种情况下，Pmax计算如下：

　　Pmax = Vmp x Imp在Proteus中输入属性

　　与往常一样，我们可以通过编辑零件和更改属性值来输入模型参数。这可以通过右击零件并点击上下文窗口中的编辑属性来完成。这将打开以下对话框：

　　I-V特性曲线的图形模拟

　　如前所述，光伏板的制造商提供了在不同的太阳辐射强度下作为电压（I-V）函数的电流特性曲线。Proteus允许您模拟这些曲线，还提供了一种方法来获得数据手册中未指定的特定光强下的曲线。这些曲线是使用传递函数图（可通过“高级仿真功能”产品获得）获得的。这里有一个例子

　　在模拟中，电压发生器辐照度用于产生相当于从200 W/m^2到1000 W/m^2.的太阳辐射的电压值要使PVPANEL接受外部信号而不是激活的+和–控件，辐照源属性必须设置为外部。这将禁用活动控制，器件将从（隐藏的）辐照度引脚接收控制值。

　　I-V特性曲线的Proteus文件链接如下，可使用演示软件进行评估。

　　I-V特性曲线Proteus实例下载A Proteus的演示副本需要打开。pdsprj文件。

　　Proteus实时仿真

　　PV板模型也可以在实时模式下模拟。在此模式下，可以使用两个活动控件+和-实时设置太阳辐射值。请注意，默认情况下会启用主动控制，即“辐照度源”属性设置为“主动组件”。

　　串联、并联或两者结合的多面板配置是可能的。在这种情况下，可以只将其中一个面板设置为主面板，而将所有其他面板设置为从面板。

　　例如，假设我们有12个18V 100W的面板，我们希望并联连接，因此我们得到18V @ 1200W。我们将并联连接12个面板，如下所示：

　　在PV1上，我们将设置辐射源属性为主动组件。在PV2到PV12的其他面板上，我们将辐照源属性设置为外部。

　　通过这种方式，在实时模拟期间，我们将能够通过仅作用于PV1的主动控制来改变从PV1到PV12的所有面板的太阳辐射强度；从PV2到PV12的那些将被禁用。

　　结论

　　光伏电池是生产清洁和可持续能源的最有前途的技术之一。这些设备将阳光直接转化为电能，提供了一种环保低碳的替代方案。

　　这也是一个有效的例子，说明Proteus如何帮助我们开发物理行为模型，这是现代能源生产设备的基础。

　　审核编辑：黄飞