光电池基本特性

2024-10-21

光电池基本特性（通用3篇）

光电池基本特性篇1

随着世界经济社会发展，社会对能源的需求越来越大，传统的矿物能源造成的大气环境污染问题备受关注，而利用可再生能源是缓解能源危机和环境问题的有效途径[1,2]。太阳能以采集方便、无污染等优点而备受关注，已成为最有前途的可再生能源之一。目前，光伏发电的效率并不高[3]，提高光伏能发电装置的效率以实现最大功率点的有效跟踪是该领域研究的焦点问题。

对光伏电池进行建模和电气特性的分析，建立准确的光伏电池模块模型，研究在不同辐射强度和温度下光伏模块的特征曲线，分析光伏阵列输出特性与外界气候条件变化，如输出受日照强度、模块温度和负载情况的影响，是光伏发电系统研究的基础，对提高发电效能有着重要的作用。

1 光伏模块的单二极管等效电路模型

硅材料的光伏电池等效电路模型主要有理想等效电路模型、单二极管等效电路模型和双二极管等效电路模型等[4,5]。图1为单光伏电池的理想等效电路模型，其结构很简单，分析起来较为容易，但是精度有限。用U和J分别表示光伏电池的端电压和负载电流密度，由量子力学和半导体材料特性推导可知，光伏电池单元的电流密度J可以用式(1)表示。

在实际中，常采用能满足工程需要的单二极管等效电路模型。由一组光伏电池串、并联构成光伏模块。理想情况下，认为光伏电池具有相同的参数，结合实际测得的光伏电池终端特性，为了达到工程要求精度，需要增加参数Rs、Rsh，图2为单二极管模型光伏模块的等效电路。

图2中输出电压U和电流I的关系如式(2)。

式(2)中，Ns和Np分别为串联和并联的单光伏电池数。

2 光伏模块的电气特性

单二极管模型还是太过于复杂，考虑到光伏模块的串联电阻Rs通常小于1Ω，而旁路电阻Rs h在几百欧姆以上[6]，在满足工程应用的前提下，可以忽略Rs和Rs h对光伏电池输出特性的影响，在此假设基础上推到功率模块数学模型。输出电流可用式(3)表达。

式(3)中，C1和C1分别为修正系数，即

式中，Im和Um分别为最大功率点电流和电压，Isc为短路电流，Uoc为开路电压。

模块短路电流为

模块开路电压为

式(5)中，温度电流系数Ci=0.002 5 A/℃，温度电压系数Cv=0.002 88 V/℃，功率密度为b。

3 仿真结果分析

为了验证所提出的模型的有效性，在Matlab/simulink中搭建仿真模型。simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。图3在Matlab/simulink中搭建光伏模块的仿真模型。

在实际运行的光伏系统中，应该尽量通过负载匹配使整个系统运行在最大功率点附近，以最大限度地提高运行效率，在同样的辐照强度和模块温度下，最大功率点电压Um通常是在开路电压Uoc的0.8～0.9倍。由于在电压-电流曲线上(Um,Im)点左侧光伏模块输出电流值受模块端口电压的影响小，基本保持不变，称这一段为恒流源区，而右侧光伏模块端口电压值受输出电流的影响较小，变化范围小，称这一段为恒压区。

通过光伏模块的模型上输入的辐照强度和模块温度，来测试模型的输出效果，校验其动态特性。

图4和图5分别为模块温度为298 K时，设置辐照强度分别为0.4 kW/m[2]、0.6 kW/m[2]、0.8 k W/m[2]、1 k W/m[2]时的电压-功率曲线和电压-电流曲线。在图中，有三个特殊点:输出短路点(0,Isc)，这里Isc为对应输出电压为零时的短路电流;输出开路点(Uoc,0),Uoc为对应输出电流为零时的开路电压;最大功率输出点(Um,Im)，该点满足d P/d U=0，输出功率为Pm=UmIm是光伏模块对应伏安特性上所能获得的最大输出功率。观察光伏模块随辐照度的变化可以发现，随着辐照强度的升高，光伏模块的短路电流变大，开路电压也升高，最大输出功率也变大，图4中在15～20 V区间出现最大功率点，图5中随着电压的升高电流呈下降趋势。

图6和图7分别为辐照强度为1 kW/m[2]时，设置光伏模块温度分别为298 K、308 K、318 K、328 K时的电压-功率曲线和电压-电流曲线。观察光伏模块随辐照度的变化可以发现光伏模块的输出特性和环境温度密切相关，模块温度对输出特性的影响与辐照强度有相似之处，随着温度的升高，光伏模块的短路电流变大，但开路电压也降低，在光辐照度恒定的条件下，模块温度越高，最大输出功率越小。

4 结语

在分析光伏电池原理基础上，建立了实用化的光伏电池模块模型，在Matlab/simulink平台上实现了光伏电池模块模型仿真，仿真结果表明温度恒定时，随着辐照强度的升高，光伏模块的短路电流变大，开路电压也升高，最大输出功率也变大;在光辐照度恒定时，随着温度的升高，光伏模块的短路电流变大，但开路电压也降低。验证了所提出光伏电池模块模型的正确性和的有效性，为光伏发电最大功率点跟踪和大型光伏发电系统研究提供了重要参考。

参考文献

[1]由世俊,杨洪兴,娄承芝,等.建筑物用光伏集成系统在中国应用的前景.太阳能学报,2000;21(4):434—438

[2]王飞,余世杰,苏建徽,等.光伏并网发电系统的研究及实现.太阳能学报,2005;26(5):605—608

[3] Fukuda S,Yoda T.A novel current-tracking method for active filtersbased on a sinusoidal internal model.IEEE Trans on Industry Appli-cations,2001;37(3):888—895

[4] Bull S R.Renewable energy today and tomorrow.Proceedings of the IEEE,2001;89(8):1216—1226

[5]张承慧,叶颖,陈阿莲,等.基于输出电流控制的光伏并网逆变电源.电工技术学报,2007;22(8):41—45

[6] Lindgren M,Svensson J.Control of a voltage-source converter con-nected to the grid through an LCL-filter:application to active filte-ring.IEEE PESC,Fukuoda,Japan,1998

电场探头光电特性研究篇2

电场探头作为一种测量电磁场的设备,被广泛应用于工业、科学、医疗方面,也可以用于电磁兼容试验、检查电场场强以及寄生辐射等。因此研究探索电场探头的实现方法具有重要的工程应用价值。电场探头的结构由三部分组成:探测单元(通常是偶极子天线或小环天线)、传输单元(同轴线或者光纤)和测量单元。考虑到探头探测到的信号较小,同时要求探头对测量环境扰动尽可能小,可通过电光转换将探测到的信号转换为光信号,并通过光纤进行传输,而在接收端使用光电转换,实现电场场强测量。系统回路包括:电子元件和光电子元件,即光电集成回路(OEIC)[1]。本文通过速率方程将回路中的光学器件等效为电子电路,进而实现对电场探头的模拟分析。

1 回路的速率方程

速率方程确立了光子和载流子之间的相互作用,并被广泛应用在半导体器的静态特性、频谱特性、动态特性等的研究上[2]。本节讨论电场探头的核心器件多量子激光器(MQW)和光电二极管(PIN-PD)的速率方程。

多量子阱激光器较完整的速率方程[1,3,5]:

其中,即,gO为增益系数,Ntr为透明载流子浓度,I为注入电流,V为有源区体积G为净受激发射率,ph为激光腔中的光子寿命,N为载流子密度,sp为载流子寿命,β为自发辐射因子,M为阱数,(1+εS)-1为增益饱和项。

令,得到输入的电流为:

R1和R2分别为MQW上下DBR区的等效反射率,λ为真空波长,D为有源区和光限制区的总厚度,W为有源区宽度,ng群折射率,h为普朗克常数。

光电二极管中的光电流由三个部分组成:N区过剩扩散电流Ip、P区过剩扩散电流In、I区电子空穴漂移电流。

Pn(Np)为N(P)区过剩空穴(电子)总数,Ni(Pi)为I区过剩电子(空穴)总数,τp(τn)为N(P)区空穴(电子)寿命,τnr(τpr)为I区电子(空穴)复合寿命,τnt(τpt)为I区电子(空穴)漂移时间,Gp(Gn)为入射光在N(P)区的电子(空穴)对产生率(单位时间产生的电子-空穴对总数),Gi为入射光在I区的电子-空穴对产生率,Ip(In)为N(P)区少数载流子空穴(电子)扩散电流。则流过N-I界面的端电流[7]:

式(11)中CT=CS+CJ,Cs为寄生电容;CJ=ε0εSA/WI,s为材料相介电常数,A为器件面积,WI为I区厚度,Vj为节电压,Rd为寄生电阻。

2 等效模型与仿真分析

偶极子天线将空间电场信号转化为电信号,并加载在光源上,实现电信号对光源的直接调制,调制后的光信号通过光纤传输到光电二极管,经过放大后实现最后的测量。为实现用电子电路方式处理光信号的输出、输入,在MQW的模型中引入一个虚拟的端口,用来输出光信号。同样,PIN的模型中引入一个虚拟的端口,用来接收光信号。通过将天线和低噪声放大器等效为信号源,并将MQW和PIN转化为电子电路,忽略光纤中的传输损耗,实现建模。模型如图一所示。其中C1,C2,R分别为MQW内部等效电容或电阻,Con,Ron,Rop,Roi,Rn,Rnd,Rpd,Rnr为PIN内部等效电容或电阻,βn,βp为PIN中N区和P区等效电导,Rs1,Rs2分别为MQW和PIN的寄生串联电阻。

3 实验结果和数据分析

首先进行直流特性的仿真,结果如图二所示。仿真曲线与实际测量结果基本吻合,曲线表示在室温下MQW的阈值电流大约为8m A,则激光器工作电流范围为8m A到24m A,在此工作条件下,PIN检测的光电流与MQW输入电流成线性关系。

根据图二,我们选取MQW直流偏置为16m A,调制信号幅度为峰值3m A,频率1GHz的正弦信号来进行瞬态仿真,结果如图三所示。从图三知输出功率8m V附近上下波动(负载为50欧),这与图二的曲线十分吻合。由于信号较小,实际应用中PIN的输出阻抗较大,其相应的信号处理电路必须仔细设计,应满足低偏置电流、低噪声和高增益的要求,可采用TIA(跨阻放大器)用来将这个低电流转换为一个可用的电压信号,并将高阻抗变换为低阻抗(50欧),便于与测量仪器连接。此外,从图中还可以看到,输出信号较调制信号有大约0.2ns的导通时延。

4 结束语

本文建立了一个适用于电场探头系统的等效电路模型。利用电路分析软件PSpice进行了仿真,得到了一些特性曲线,这些曲线与理论分析一致,并与实际器件性能相符,该等效模型的正确性得到了验证。该等效电路模型可以用在电场探头的电路模型中,对电场探头的研究有一定的指导意义。

参考文献

[1]甄志强,赵晓艳,汤正信.垂直腔表面发射半导体激光器的PSPICE模型[J].河南科技大学学报(自然科学版),2007,28(5):98-100.

[2]张晓霞.垂直腔面发射半导体激光器的研究[D].成都:西南交通大学,2001.

[3]F.Stern.Gain current relation for GaAs lasers with n-type and undoped active lasers[J].IEEE J.Quant.El ectr.,1973,9(3):290-293.

[4]Detemple T A,Herzinger C M.On the semicondu-ctor laser lograrithmic gain-current density relat-ion[J].IEEE J.Quantum Electorn.,1993,29(5):1246-1252.

[5]吴文光,范广涵,沈为民.多量子阱VCSEL速率方程的数值模拟分析[J].半导体光电,2007,28(5):651-654.

[6]张玲丽.量子阱激光器的电路模型及其PSpice模拟[D].武汉:武汉理工大学,2006.

光伏电池的特性及仿真篇3

面临世界能源不断紧缺以及环境污染问题日益严峻的难题, 新能源的开发和利用备受关注, 由新能源构成的分布式发电技术也成为热点话题[1]。太阳能以其取之不尽、用之不竭、廉价而又无污染的绝对性优势成为研究的首选, 光伏电池的输出功率不仅受自身因素影响, 而且与光照强度、环境温度及其所接负载等外部因素有关, 能否实现光伏发电系统光电转换效率的最大化, 是整个光伏发电系统的关键所在。本文主要通过对太阳能电池特性的深入分析, 对太阳能电池阵列进行数学建模, 运用Matlab仿真。

1光伏发电系统的输出特性

光伏电池是一种利用光生伏特效应将光能转化为电能的器件, 根据电路理论, 其可等效为如图1所示的电路模型[2,3]。

2光伏电池输出特性

通过上述分析, 可在Matlab/Simulink中建立光伏电池仿真模型, 如图2所示。

设置仿真时间为60 s, 采用ode45算法, 分别进行了外界条件不同的2组仿真实验, 仿真结果分别如下页图3所示。

从图3可以看出, 光照强度对短路电流影响显著, 而开路电压随光照强度的升高略有增大;在右侧电压较高区域, 光伏电池可视为一系列不同等级的电压源, 具有明显的低内阻特性, 在左侧电压较低区域内, 光伏电池可视为一系列不同等级的电流源, 具有明显的高电阻特性。

3结论

光照强度不变时输出功率随输出电压的变化先增加后减少, 光照强度变化时输出功率也会变化。这样在一天中光伏电池存在输出最大功率的一点, 但随着光照强度的变化光伏电池不可能一直工作在最大功率点, 所以必须对光伏电池的输出电压进行调节, 使光伏电池有最大输出功率。

摘要：为了更好地跟踪光伏阵列的最大功率点, 分析单个光伏电池的物理特性, 从物理结构到特性曲线, 深入认识光伏电池。对光伏电池的数学模型进行抽象, 建立了适合于工程应用的光伏电池数学模型, 并用Matlab进行仿真。

关键词：光伏发电,仿真,数学模型

参考文献

[1]许晓艳, 黄越辉, 刘纯, 等.分布式光伏发电对配电网电压的影响及电压越限的解决方案[J].电网技术, 2010, 34 (10) :140-146.