[科普中國(guó)]-電池板IU特征曲線

電池板IU特征曲線是用來(lái)研究電池板電阻的變化規(guī)律的特征曲線圖，圖像常以縱坐標(biāo)表示通過(guò)電池板的電流I、橫坐標(biāo)表示電池板兩端的電壓U，以此畫出的I-U圖像叫做導(dǎo)體的電池板IU特征曲線。

引言化石能源即將枯竭現(xiàn)狀的威逼和日益嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題的壓力，使得儲(chǔ)量無(wú)限、使用清潔無(wú)污染的太陽(yáng)能成為人們所青睞的能源之一。而光電轉(zhuǎn)換是太陽(yáng)能利用的主要手段，太陽(yáng)能電池板則是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換必不可少的器件。在電量消耗中照明用電占總用電量的14%，所以研究光伏LED照明系統(tǒng)符合綠色節(jié)能的發(fā)展理念。而其中太陽(yáng)能電池板的特性是整個(gè)系統(tǒng)研究應(yīng)用的基本出發(fā)點(diǎn)，掌握了電池板的輸出特性就能選擇合適的跟蹤方法對(duì)其最大功率點(diǎn)準(zhǔn)確跟蹤，提高光電轉(zhuǎn)換率。根據(jù)電池板的輸出曲線和跟蹤方法可以檢驗(yàn)對(duì)電池板最大功率點(diǎn)的跟蹤效果，以使整個(gè)光伏照明系統(tǒng)高效可靠。自從電池板的出現(xiàn)，對(duì)其特性的研究就未曾間斷過(guò)。只是等效電路中的并聯(lián)電阻容易在簡(jiǎn)化的分析中被忽略，這對(duì)單板的特性研究影響較小，但在電池板組件的組裝使用過(guò)程中，這種影響以及產(chǎn)生的誤差就不得不被考慮。1

電池板模型的建立等效電路在光照強(qiáng)度不變時(shí)，光電池產(chǎn)生的電流基本保持不變，等效電路中可以將其看成恒流源。光生電流通過(guò)負(fù)載產(chǎn)生的電壓又使p-n結(jié)正偏，產(chǎn)生與光電流方向相反的暗電流Id。此外，由于電池板材料本身的電阻率在光生電流的作用下會(huì)引起電池板內(nèi)部的串聯(lián)損耗，引入串聯(lián)電阻Rs。而且由于工藝的必然缺陷會(huì)使電池板產(chǎn)生漏電流，引入并聯(lián)電阻Rsh。由此可以得出太陽(yáng)能電池板的等效電路圖。

等效模型建立為了了解電池板輸出特性，首先在外界環(huán)境穩(wěn)定的理想情況下，對(duì)電池板模塊進(jìn)行仿真，將光照強(qiáng)度和溫度分別設(shè)置為1000W/m2和25℃。為下面將要進(jìn)行變化的溫度、光照強(qiáng)度下電池板的特性曲線分析，以及不同串并聯(lián)個(gè)數(shù)電池板輸出特性曲線分析做好基礎(chǔ)。其中，A取值為1.5。根據(jù)12V-50W太陽(yáng)能電池板的參數(shù)，開(kāi)路電壓為22V，短路電流為2.6A，按照公式(1)~(5)在Simulink中建立仿真模塊。

從圖中可以看出太陽(yáng)能電池板的輸出電流隨著輸出電壓的增大先保持不變隨后快速減?。浑姵匕宓妮敵龉β孰S著輸出電壓的增大先增大，達(dá)到最大功率點(diǎn)后隨著輸出電壓的增大又迅速減小。這反映的內(nèi)在關(guān)系是：在電池板負(fù)載電阻值增大的過(guò)程中，它的輸出電流剛開(kāi)始基本保持不變，然后快速減小。只有當(dāng)負(fù)載電阻值達(dá)到與電池板內(nèi)阻相匹配的時(shí)候，電池板輸出最大功率。

實(shí)際環(huán)境下電池板的輸出特性串并聯(lián)方式由于光伏照明系統(tǒng)中照明設(shè)備的額定工作電壓和電流一般比單個(gè)太陽(yáng)能電池板的輸出電壓和電流大，所以在光伏照明系統(tǒng)中將許多塊電池板進(jìn)行串并聯(lián)連接后使用。下面分別對(duì)不同并聯(lián)電池板個(gè)數(shù)和不同串聯(lián)電池板個(gè)數(shù)的模型進(jìn)行仿真，其電壓-功率仿真結(jié)果曲線如所示。從圖中可以看出，隨著并聯(lián)電池板個(gè)數(shù)的增加，最大功率值也增加，但最大功率所對(duì)應(yīng)的電壓在減小，即當(dāng)并聯(lián)的電池板數(shù)量較多時(shí)電池板工作在較小的電壓即可達(dá)到最大功率。而這種變化在并聯(lián)電池板個(gè)數(shù)增加到3個(gè)后就基本停止，輸出曲線基本不變。圖(a)中曲線由下到上表示電池板并聯(lián)個(gè)數(shù)分別為1、2、3、4、5、6。圖(b)中橫軸的分度值比較大使得左邊的第一條曲線看起來(lái)很小，而且也使曲線下降看起來(lái)很陡直。從圖(b)可以看出，電池板的輸出功率仍然是隨著輸出電壓的增大先增大后減小。但是隨著串聯(lián)電池板個(gè)數(shù)的增加，最大功率峰值先逐漸增大，超過(guò)一定值后輸出曲線中最大功率峰值保持不變。

不同光照強(qiáng)度在研究光照強(qiáng)度對(duì)電池板的影響時(shí)，為了消除溫度的影響，在參考溫度T0為300K時(shí)設(shè)定當(dāng)前溫度為恒定值300K。取Ir0為1000W/m2為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度，根據(jù)公式：

Iph=Isc·[1+m(T-T0)]Ir/Ir0

來(lái)判斷其他各光照強(qiáng)度下的光生電流值。式中Ir為當(dāng)前光照強(qiáng)度。建立變化光照強(qiáng)度下的電池板仿真模塊，其中光照強(qiáng)度的變化過(guò)程是以單位延遲模塊產(chǎn)生的。為了與光照強(qiáng)度變化的頻率相一致，電壓信號(hào)設(shè)置為周期2s的鋸齒波。在Simulink建立的光照強(qiáng)度變化時(shí)電池板仿真模型中，光照強(qiáng)度和輸出電壓變化的仿真模塊如圖5所示。

設(shè)定仿真時(shí)間為5s，可以得出在光照強(qiáng)度為200、400、600、800、1000W/m2下太陽(yáng)能電池板的輸出特性曲線。仿真結(jié)果如圖6所示。圖中，(a)、(b)中的曲線從下到上光照強(qiáng)度依次分別為200、400、600、800、1000W/m2。

從圖中可以看出太陽(yáng)能電池板的輸出電壓隨著光照強(qiáng)度的增大基本保持不變，而輸出電流隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大。

不同溫度從公式(6)可以看出，光生電流也是溫度的函數(shù)。為消除光照強(qiáng)度的影響，標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度Ir和當(dāng)前光照強(qiáng)度Ir0都取值為1000W/m2。在電池板的短路電流溫度系數(shù)m取值0.003A/K的情況下可計(jì)算出不同溫度下的光生電流大小。此外，溫度也會(huì)對(duì)開(kāi)路電壓產(chǎn)生影響。1

總 結(jié)從輸出曲線可以看出，電池板的輸出電流隨著輸出電壓的增大先基本保持不變，然后快速減??；輸出功率隨著電壓的不斷增大，先增大再減小。此外，電池板最大功率處所對(duì)應(yīng)的電壓值會(huì)隨著并聯(lián)電池板的數(shù)量增加而減小，但當(dāng)并聯(lián)電池板數(shù)量超過(guò)3時(shí)輸出曲線就基本保持不變；最大功率峰值會(huì)隨著串聯(lián)電池板數(shù)量的增加先增大，當(dāng)串聯(lián)電池板數(shù)量超過(guò)一定值時(shí)最大功率值開(kāi)始保持不變。而且太陽(yáng)能電池板的輸出功率隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，隨著溫度的升高而減小，所以光伏照明系統(tǒng)中，電池板應(yīng)盡可能在低溫的條件下增強(qiáng)光照強(qiáng)度。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)