太阳能电池功率影响因素研究＊

李 廷，冮明颖，裴国斐

（辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001）

1 引言

太阳能电池是光伏发电系统中最小的发电单元与元件，由于光生电流Ip只受光照强度的影响，与外接负载无关，所以，把Ip看作恒流电源，光电流Ip在负载R上产生的电压降设为U，ID为通过p-n结的总扩散电流，与光生电流方向相反。RS为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和接触电阻组成。RSH为旁路电阻，它是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的。

由光伏电池等效电路可得输出电流I等于光生电流Ip减掉p-n结的总扩散电流ID和流经旁路电阻的电流。由于硅片的旁路电阻阻值相对比较大，流经串联电阻RS的电流可以近似为I，所以，恒流电源上的电压为I乘以串联电阻RS加上负载电阻上的电压U，从而可得负载上的输出电流，即是太阳能电池精确数学模型为：

根据光伏电池等效电路并结合式（1），研究太阳能电池的输出特性，可得太阳能电池输出特性曲线及各参数之间的关系。由于受外界环境因素和光伏电池自身内部模块的结构等参数的影响，输出特性表现出很明显的非线性。在某一特定的工作环境（光照和温度确定）中，太阳能光伏电池输出特性曲线上存在唯一的点，该点即是最大功率输出点。而对于I-V曲线，在该点的左边区间内，太阳能光伏电池则显示了它本身的近似恒流源特性。

2 模型搭建

在实际工程中，太阳能电池组件是由许多光伏电池单元串联和并联形成的阵列，本文将理论研究数学模型进行简化，一般RS数量级为mΩ，而RSH数量级为kΩ。因此，可以对其进行相应简化，忽略“－（V＋IRS）/RSH项。又因为IO<

式（2）即为简化的光伏电池组件数学模型，式中涉及

IP、IO、RS三个未知量，根据光伏电池生产厂家提供的数据可知，温度与光照度对IP、VOC的影响与Ki、Ku为光伏电池短路电流温度系数、开路电压温度系数有关，且Ki、Ku通常数量级很小可忽略，则进一步化简得：IP＝Iscref、VOC＝Vocref.

当光伏电池开路时，V＝VOC，I＝0，可求出IO的表达式。令常量MKT/q＝KO，且当光伏电池工作于最大功率点时，将I

＝IMPPref，V＝VMPPref带入式（2）得：如式（3）所示，该式可用于近似求取标准条件下光伏

电池在最大功率低处的串联电阻。RS的大小随环境改变的变

化量很小，所以，可求得电阻值进行代替。RS直接与光伏电

池标准条件下2个运行参数Vocref和Iscref相关，且能够保留对电流影响较大的串联电阻，因此，该数学模型理论上更具

准确性。根据文中对太阳能光伏电池简化后数学模型的推导，

设太阳能光伏电池电气参数为Vocref、Iscref、VMPPref、IMPPref，可搭建其Matlab/simulink仿真模型。

3 实验数据分析

利用新能源实验室对薄膜、单晶硅、多晶硅等太阳能电池进行实验测量，薄膜光伏电池在光照强度分别为弱光、中光、强光时的最小阻值条件下，测量电流为0.05A、0.29A、0.39 A，测量电压为0.5 V、2.0 V、2.8 V；在最大阻值条件下，测量电流为0.06A、0.3A、0.36A，测量电压为3.5 V、15.5 V、18.7 V；光照强度分别为弱光、中光、强光时开路电压为78.6 V、82.2 V、81.4 V，最大功率为0.21 W、4.65 W、6.73 W。单晶硅太阳能电池在光照强度分别为弱光、中光、强光时的最小阻值条件下，测量电流为1.53 A、1.66 A、2.67A，测量电压为10.6 V、11.6 V、18.6 V；在最大阻值条件下，测量电流为0.6 A、0.77 A、0.77 A，测量电压为30.9 V、39.0 V、36.03 V；光照强度分别为弱光、中光、强光时，开路电压为40.5 V、40.0 V、40.5 V，分别在电压为30.9 V、37.2 V、36.8 V时，获得最大输出功率为18.54 W、54.68 W、79.86 W。单晶硅太阳能电池根据实验测量数据所绘制的特性曲线如图1所示。

多晶硅太阳能电池在光照强度分别为弱光、中光、强光时的最小阻值条件下，测量电流为1.29A、2.24A、3.05A，测量电压为9.1 V、15.7 V、21 V；在最大阻值条件下，测量电流为0.53A、0.64A、0.64A，测量电压为27.9 V、32.3 V、32.2 V；当光照强度分别为弱光、中光、强光时，开路电压为32.9 V、32.6 V、33.2 V，电压为25.9 V、27.4 V、29.4 V时获得最大输出功率为14.29 W、52.36 W、74.38 W。

分析上述实验数据可得，在相同开路电压下，单晶硅太阳能电池的短路电流远大于非晶硅太阳能电池的短路电流，总趋势即开始较平缓，到某一点后开始下降。单晶硅太阳能电池的输出功率大于非晶硅太阳能电池的输出功率，总的趋势是先增后减，即存在最大输出功率。负载阻抗主要影响太阳能电池的输出功率，负载不等时工作点不同。虽然光伏电池模型中的串联电阻对短路电流和开路电压影响不大，但在很大程度上影响最大功率点处的输出功率值。对不同光照强度下太阳能电池的输出特性曲线进行比较，可发现光照强度对最大功率点处的电压和开路电压影响不显著。

4 结论

本文借助新能源实验室实验平台，采取理论分析与实验验证相结合的方法进行相关论证，得出以下结论：①在相同温度条件下，光强较强时，最佳阻值较小，最大输出功率较大。当光强减小时，开路电压和短路电流都减小。②在相同光照条件下，温度较高时，最佳阻值较小，最大输出功率较小。当温度升高时，开路电压变小，短路电流有小幅度提升。总体而言，输出最大功率是变小的。③在适当条件下，减小太阳能电池器件的温度，增大光照强度，可以提高太阳能电池的输出功率。

［1］胡长武，李宝国，王兰梦，等.光伏电池简化数学模型的Matlab/Simulink仿真研究［J］.可再生能源，2013，31（10）：20-24.

［2］吴洋，张嫒嫒，侯奎.光伏电池的建模与仿真［J］.科技视界，2017（09）：1-2.