基于MATLAB-SIMULINK-光伏电池最大功率点跟踪算概要.doc

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1、本 科 毕 业 设 计 （论文） 题目 基于 MATLAB/SIMULINK 光伏电池 最大功率点跟踪算法的研究 最大功率点 学 院 年 级 班 级 电气与自动化工程学院 4 年级 YZ04112 专 业 学 号 邱 孙亚新 杰 中级 自动化 YZ0411209 学生姓名 指导教师 职 称 2013-05-20 论文提交日期 常熟理工学院本科毕业设计(论文诚信承诺书 本人郑重声明： 所呈交的本科毕业设计(论文， 是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已

2、在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学号： 本人签名： 日期： 常熟理工学院本科毕业设计(论文使用授权说明 本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文的规 定，即：本科生在校期间进行毕业设计(论文工作的知识产权单位属常熟理 工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许毕业设计(论文被查阅和借阅；学校可以将毕业设计(论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编毕业设计（论文），并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。 保密的毕业设计(论文在解密后遵守此规定。 本人签名：

3、导师签名： 日期： 日期： 基于 MATLAB/SIMULINK 光伏电池最大功率点跟踪算法的研究 摘要 太阳能光伏发电由于其可再生性、清洁性及取之不尽、用之不竭等特点，正在发展成 为世界能源组成中的重要部分。太阳能电池作为太阳能光伏系统的重要组成部分，它的光 电转换效率直接影响着整个系统的成本与性能。而光伏电池的输出特性受光照强度和环境 温度的影响呈现出非线性， 为了使光伏电池工作在最大功率点， 进而更有效地利用太阳能， 对光伏电池的最大功率点进行跟踪就显得尤为重要。本文基于光伏电池的数学模型公式， 在 MATLAB 的 SIMULINK 仿真平台下建立光伏电池模型，并基于 BOOST 电路

4、建立光伏电池最 大功率点跟踪控制仿真模型。本文重点对常见的三种最大功率点跟踪（MPPT）控制（扰动 观察法，电导增量法，改进的电导增量法）进行了理论分析并进行仿真研究，仿真结果证 明了这三种最大功率点跟踪算法的可行性，通过对三种 MPPT 算法的仿真比较得出各自的 优缺点。 关键字： 关键字：光伏电池 最大功率点 SIMULINK BOOST I Research of Photovoltaic Cells Maximum Power Point Tracking Algorithm Based on MATLAB/SIMULINK Abstract Solar photovoltaic po

5、wer generation is becoming an important part of the word energy due to its renewable，clean and inexhaustibleThe solar cell is an important part of the solar photovoltaic (PV system， whose photoelectric conversion efficiency directly affects the cost and performance of the whole systemAnd the output

6、characteristics of photovoltaic cells are affected by sunlight intensity and environment showing nonlinear behaviors To make photovoltaic system working in the maximum power point of PV cell，and make better use of solar system， is particularly important to track the maximum power point of PV this pa

7、per， it In photovoltaic cell model is established in MATLAB/SIMULINK platform based on the mathematical formula of photovoltaic cells. And based on the BOOST circuit ，a photovoltaic maximum power point tracking control model is designedThis paper focuses on three popular maximum power point tracking

8、 (MPPT control schemes (perturbation and observation method， incremental conductance method ， the improved incremental conductance method ， the theoretical analysis and simulation research are presented，correspondinglyThe simulation results prove the feasibility of the three maximum power point trac

9、king algorithm， comparing By the simulation results of three MPPT schemes ，the advantage and disadvantage of each are demonstrated Keywords：photovoltaic； maximum power point； SIMULINK；BOOST ： II 目 录 1.绪论 . 1 1.1 当今世界能源问题 . 1 1.2 研究最大功率点跟踪的意义 . 2 1.3 本文主要研究内容 . 2 1.4 本文概述 . 3 2.带最大功率点跟踪控制的光伏电池系统 . 4

10、2.1 光伏发电系统 . 4 2.2 太阳能电池 . 4 2.3 升压斩波（BOOST）电路 . 5 2.3.1 升压斩波电路原理 . 5 2.3.2 升压斩波电路仿真 . 6 2.4 PWM 信号发生器 . 8 2.5 最大功率点跟踪 . 9 2.6 本章小结 . 9 3.光伏电池的工作原理 . 11 3.1 半导体的物理基础 . 11 3.2 光伏电池的基本工作原理 . 12 3.3 光伏电池的等效电路 . 12 3.4 光伏电池模型仿真与分析 . 14 3.5 本章小结 . 18 4.最大功率点跟踪 . 19 4.1 扰动观察法 MPPT 控制 . 19 4.1.1 定步长占空比扰动观察

11、法 MPPT 控制原理 . 19 4.1.2 定步长占空比扰动观察法仿真与结果分析 . 21 4.2 电导增量法（导纳法）MPPT 控制 . 23 4.2.1 定步长电导增量法（导纳法）MPPT 控制原理 . 23 4.2.2 定步长电导增量法（导纳法）仿真结果与分析 . 25 III 4.3变步长电导增量法MPPT 控制 . 27 4.3.1变步长电导增量法MPPT 控制基本原理 . 27 4.3.2变步长电导增量法MPPT 控制仿真结果与分析 . 29 4.4本章小结. . 31总结 . 32参考文献. 33致谢 . 341. 绪论1.1当今世界当今世界能源问题能源问题进入20世纪，世界的

12、能源结构主要由一次能源构成，其重要组成部分为石油、煤、天然气等化石能源。这些化石能源在本质上是远古时候的古生物或者动物中存储的太阳能辐射能，经过数万年或者更久的时间逐渐演变为今天共我们使用的能源矿藏。在古人类活动的几千年中，已经开始消耗这些化石能源矿藏，而在近代，经过几次工业革命之后，这些化石能源的消耗更是极具的增长，随着世界经济的快速发展，世界人口的极速增长以及社会生活水平的提高，人们对能源的需求与消耗也在不断增长，那么这些宝贵的一次性化石能源总有一天会消耗殆尽。下图是根据2000年世界一次能源的探明存储量的柱形图3。图1-1 一次能源的探明剩余储量比较根据图1-1我们通过2000年时候的视

13、角来看，世界石油的储量按照当时的发展状况与开采速度仅仅能够开采45年，而中国只能开采15年；世界天然气可开采年限为61年，而中国只有30年；世界煤储量还可开采230年，而中国可开采81年；作为核能源的铀储量，世界可开采71年，中国仅可开采50年。然而世界经济的发展速度日新月异，现在已经过去13年，也就是说中国的石油还可开采2年，天然气还可开采17年，即使煤储量较大也只可开采68年，世界能源危机早已迫在眉睫，只是我们一直没有真正的重视起来。 在一次化石能源的可开采量日趋耗尽的时候，我们发现作为可再生能源的太阳能资源 具有无穷大的可利用年限，只要太阳存在一天，我们就可以利用太阳能能源一天。经过研究

14、和实践表明，太阳能具有能量丰富，分布广泛，可再生，无污染，无噪声等优点，是世界公认的理想的替代能源。在日趋枯竭的能源危机和日渐破坏的环境形势之下，可再生无污染的太阳能等新能源终将代替传统的化石能源，给人类带来新的“篇章”。1.2研究最大功率点跟踪的意义太阳能电池是太阳能光伏发电的能量转换器，太阳能电池发电原理是基于半导体的光伏效应。当太阳光照射在太阳能电池表面时，电池吸收光能，产生不平衡的电子-空穴对。不平衡的电子-空穴对在电池的内建电场下，电子和空穴被分离在电池两端，那么电池两端就出现异性电荷的积累，产生光生电压，如果在电池两端接上负载，负载上就会流过光生电流，进而获得功率输出。太阳能电池直

15、接把光能转换成电能2。太阳能光伏发电由于其可再生性、清洁性及取之不尽、用之不竭等特点，逐渐发展成为世界能源结构的重要组成部分。人们通过研究，发明创造了把太阳能直接转换为电能的太阳能电池，在社会各行各业中得到广泛的使用。无疑的太阳能给迫在眉睫的能源危机带来了一线生机，但是看似完美无缺的太阳能光伏发电也存在着其自生的一些缺点。太阳能电池工作在不同的光照强度和环境温度下，其端电压会发生变化，导致其输出功率不稳定，产生很大的变化，所以太阳能是一种极不稳定的能源。为了使太阳能电池在不同的光照强度和环境温度下输出尽可能多的电能，提高太阳能电池的工作效率就显得尤为重要，这就在太阳能电池研究的理论和实践中提出

16、了太阳能电池最大功率点跟踪的问题。本文就是对如何提高太阳能电池工作效率做研究。就太阳能电池最大功率点跟踪问题查阅了相关资料，总结前人的研究成果，对太阳能电池最大功率点跟踪控制进行仿真设计研究。1.3本文主要研究内容由于太阳能电池的输出特性受光照、温度、负载等状态的影响，使得不同工作条件下太阳能电池最大功率点的位置也不同，为了更好的利用太阳能电池，使其在各种条件下都能发出最大的功率，人们根据其受外界环境温度和光照强度对太阳能电池输出特性的影响研究出了太阳能电池最大功率跟踪算法，通过对太阳能电池最大功率点跟踪控制，实现太阳能电池在各种环境下最大功率的输出，从而提高太阳能电池的工作效率。本文利用MA

17、TLAB/SIMULINK仿真平台建立太阳能电池仿真模型，通过对太阳能电池进行建模仿真，研究太阳能电池受不同光照强度和环境温度的影响，为了使太阳能电池工作在最大功率点，本文在详细分析太阳能电池最大功率点跟踪技术的理论基础上，针对当今社会运用比较广泛的扰动观察法最大功率点跟踪控制算法、电导增量法最大功率点跟踪控制算法和改进的电导增量法最大功率点跟踪控制算法进行建模仿真。通过运用SIMULINK 将整个带有最大功率点跟踪控制的太阳能电池系统建立仿真模型，本文根据仿真分析了太阳能电池在外界光照强度、温度发生突变时的最大功率点跟踪情况，并根据仿真得出的太阳能电池输出功率波形分析三种太阳能电池最大功率点

18、跟踪算法的优缺点。1.4本文概述本文共包括五个章节，具体安排如下：第一章为本文绪论，讲述当今世界能源问题，在日益匮乏的传统能源形势下，发展可再生的清洁无污染的太阳能是非常必要的。并对本文研究意义研究内容作解要介绍。 本文第二章对带最大功率点跟踪控制的太阳能电池发电系统作整体分析介绍。本章给出了太阳能电池发电系统结构框图，并对系统里的各个控制模块的基本的原理进行分析，进而阐述其在整个系统中的作用。第三章对太阳能电池的工作原理进行详细的分析，建立太阳能电池等效电路图，得出太阳能电池的数学模型公式。根据模型公式在MATLAB/SIMULINK仿真平台建立太阳能电池的仿真模型。通过仿真，观察在不同光照

19、强度和环境温度对太阳能电池输出特性的影响，总结太阳能电池的工作特性。第四章对本文研究的三种最大功率点跟踪算法（扰动观察法、电导增量法、改进的电导增量法）做原理分析，建立算法流程图，并根据原理和流程图建立算法的仿真模型。最后建立带最大功率点跟踪控制的太阳能电池发电系统整体模型，并对三种最大功率点跟踪算法实现仿真。通过仿真，观察太阳能电池输出波形，总结三种最大功率点跟踪算法的优缺点。2. 带最大功率点跟踪控制的光伏电池系统为了在限定的条件下有效利用光伏电池，使它发出更多的电量，输出最大功率，常常要在光伏发电系统中施加一个最大功率跟踪（MPPT）控制策略或算法，来实现负载与光伏电池间达到最佳匹配，本

20、章将介绍带最大功率点跟踪控制的太阳能光伏发电系统，并针对整个系统的框架图下图给出每一个模块的相关介绍。2.1光伏发电系统 下图所示为带有最大功率点跟踪（MPPT）功能的光伏发电系统结构图。图2-1 太阳能电池系统结构图如图2-1所示的太阳能电池系统结构图，它包括太阳能电池模块、最大功率点跟踪（MPPT）模块、脉宽调制（PWM）信号发生器模块、升压斩波（BOOST）电路模块和负载模块。在整个系统中，太阳能电池模块的输出为太阳能电池光生电流，光生电流连接到BOOST 电路，作为BOOST 电路的恒流源电源，为整个系统提供能量。MPPT模块以太阳能电池输出的光生电流和光生电压（BOOST电路的输入端

21、电压）为输入，提供MPPT 模块输入信号，输入信号经过MPPT 模块获得一个仿真步长，此仿真步长作为PWM 模块的输入，连接PWM 模块。PWM 信号发生器把输入信号与固定频率的三角波进行比较，输出以MPPT 模块中获得的步长为脉宽的脉宽调制信号，此脉冲信号连接BOOST 电路中的全控器件的门极，控制全控器件的导通和关断，实现对太阳能电池最大功率点跟踪控制。在BOOST 电路的输出端接入一定阻值的电阻作为系统的负载模块。下面分别对各个模块做详细的功能介绍。2.2太阳能电池在带有最大功率点跟踪控制的太阳能电池系统中，太阳能电池模块是至关重要的一部分。目前太阳能电池可分为硅太阳能电池和化合物太阳能

22、电池，而硅太阳能电池中又可分为晶体硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。尽管太阳能电池的种类繁多，但是其工作原理与工作特性是一样的。太阳能电池能够利用光电效应把光能转变成电能，该模块输出的光生电流，为升压斩波电路提供能量，替代升压斩波电路中的电源，进而为整个系统提供能量。关于太阳能电池的原理和外界环境对太阳能电池输出特性的影响，本文将在第三章中做详细的介绍。2.3升压斩波升压斩波（BOOST ）电路在太阳能发电系统中，由于其发出的直流电能是不稳定的，因此直流变换电路在光伏发电系统中是不可或缺的。在本文中太阳能电池系统的直流-直流（DC-DC）变换器选用开关电源中的升压斩波（BOOST）电路以电感电流

23、源方式向负载放电，实现负载电压升高的目的。直流变换电路由实现直流变换的主电路和实现直流变换的控制电路两部分组成。该模块的功能是将太阳能电池模块输出的直流不可控电流转变为可控的直流输出，并且作为整个光伏发电系统的主电路，联接各个太阳能发电系统模块。2.3.1升压斩波电路原理直流斩波电路实际是采用脉宽调制（PWM）技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，通过改变脉冲的占空比可以获得所需的输出电压。升压斩波（BOOST）电路原理图如下所示： 出电压U 为恒定值，记为U 。设可控器件V 处于通态的时间为T ,那么在这个阶段电感L 上存储能量为EI t 。当可控器件Mosfet 处于断态时电源E 和

24、电感L 共同向电容C 充电并为负载R 提供能量。设可控器件Mosfet 处于断态的时间为t ，那么在此阶段电感L 释放的能量为（U EIt 。在电路工作处于稳态时，一个工作周期T 中电感L 存储的能量与释放的能量相等11，即 EI t UEIt （2-1） 化简得U E E （2-2） 式中，T t 1，因为电路的输出电压高于电源电压，所以称该电路为升压斩波电路。T t 表示升压比，调节升压比大小，就可以改变输出电压U 的大小，用表示升压比，即，而占空比表示，则与的关系如下所示11 1 （2-3） 因此U E E （2-4）由公式（2-4）可以看出升压斩波（BOOST）电路的输出电压要高于电源

25、电压，其两个关键原因是电感L 储能后使电压泵升和电容C 将输出电压保持住了11。2.3.2升压斩波电路仿真根据升压斩波电路原理图，在MATLAB/SIMULINK仿真平台下选择SimPowerSystems 模块库，将模块库中的绝缘栅双极性晶体管模块Mosfet、二极管模块DI、直流电压源VDC、串联RLC、并联RLC、脉冲发生器模块Pulse、电压表模块、电流表模块、示波器模块和信号终结器模块拖到SIMULINK 的仿真平台上，按照BOOST 原理图连接各个模块，完成的BOOST电路的仿真模型如下图所示9： 图2-3 升压斩波电路仿真模型通过双击模块设置模块参数和仿真参数，在仿真模型中设置升

26、压电路直流电源电压为43V（在本文第三章中采用的150W 太阳能电池板开路电压为43V），电感值为22e-4H,电容值为300e-4F,负载电阻设置为8，设置脉冲发生器频率为1000Hz，占空比为0.5，指定模型算法为变步长连续算法ode23tb，仿真时间为2秒。升压后得到的电压波形如下图所示： 图2-4 升压斩波电路升压后波形如图2-4的升压斩波电路输出电压波形，我们观察到输出电压值大约在86V 左右，符合升压斩波电路原理，证明了此模型的可行性。2.4 PWM信号发生器PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来

27、等效地获得所需要的波形。在2.3.2的升压斩波（BOOST）电路仿真模型中控制全控器件Mosfet 通断的是脉冲发生器模块Pulse,其输出占空比为0.5的脉冲信号，输出电压为直流电源的2倍。在光伏发电系统中为了实现对太阳能电池输出电流的跟踪控制，需要建立一个PWM 信号发生器，建立的PWM 信号发生器替代BOOST 电路中的脉冲发生器模块(pulse,太阳能电池的输出电流经过最大功率点跟踪算法获得一个步长信号，作为PWM 信号发生器的输入，PWM信号发生器的输出为获得的步长宽度的脉冲信号，脉冲信号控制BOOST 电路中全控器件Mosfet 的通断，从而跟踪控制整个太阳能系统输出电压。用鼠标将

28、simulink 模块库中的实现零阶保持器模块（Zero-Order-Hold）、输入端口模块（In1）、输出端口（Out1）、三角波发生器模块（Repeating Sequence）、限制信号范围模块（Saturation）、常数模块（Constant）、指令切换输入信号模块（Switch）和加法运算模块（Add）拖到仿真平台中，连接各个模块建立如下图所示的PWM 信号发生器。 图2-5 PWM信号发生器如图2-5所示，PWM信号发生器的结构非常简单，PWM信号可以由一个最大值为1、最小值为0的固定采样周期T 的三角波发生器与输入信号进行比较获得。假定输入信号为D （01之间），三角波的周期

29、为T，则在一个周期内，输入信号大于三角波输出的时间为D/T，此时输出的PWM 信号为高电平；输入信号小于三角波输出的时间为（1-D）/T，此时输出的PWM 信号为低电平。此外为了以后整体系统的建立，便于整个太阳能电池系统模型的建立，本文通过simulink 子系统封装功能对PWM 信号发生器进行了封装14。2.5最大功率点跟踪在光伏发电系统中，为了提高整个系统的工作效率，需要使太阳能电池始终工作在最大功率点附近，最有效的方法就是实时的跟踪太阳能电池最大功率点。最大功率点跟踪控制技术是光伏发电系统中的关键技术，其实现对太阳能电池工作点的跟踪控制，是光伏发电系统中不可或缺的部分。在一定的光照强度和

30、环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点（Maximum Power Point,MPP）。因此不断地根据外界不同光照强度、环境温度等特性调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点处，叫做最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）技术4。 最早出现的光伏功率输出控制方法是恒电压（CVT）控制。但由于环境温度的变化，CVT 控制会使光伏电池偏离最大功率输出点，产生较大的功率损失。为了克服CVT 方法功率损失较大的缺

31、点，出现了改进型CVT 算法，如手动调解参考电压法、根据温度查表调节法、参考电流法等等。通过对CVT 算法的改进，出现了具有MPPT 雏形的控制方法。其中比较经典的有干扰观察法、电导增量法、模糊逻辑控制、神经元网络控制法、最优梯度法等，以及在这些算法上进行各种改进的控制算法。目前，对MPPT 技术的评估尚无统一的标准，各种控制方法都有各自的优缺点1。本文在第四章中将对太阳能电池的三种最大功率点跟踪算法（扰动观察法、电导增量法和变步长电导增量法）做详细的介绍和研究，对其进行仿真分析。2.6本章小结本章给出了带最大功率点跟踪控制的光伏发电系统结构原理图，并就光伏发电系统中的各个模块分别作了简要分析

32、。（1）太阳能电池模块实现太阳辐射能转换成光能，为整个系统提供能量输出，是光伏发电系统中不可或缺的部分。其工作原理将在后面的章节中做详细分析。（2）升压斩波（BOOST）电路将太阳能电池模块输出的直流不可控电流转变为可控的直流输出，并且作为整个光伏发电系统的主电路，联接各个太阳能发电系统模块。本章中建立了升压斩波电路的仿真模型，验证了升压斩波电路的原理，实现升压功能。（3）在带最大功率点跟踪控制的太阳能电池系统中，为了实现对太阳能电池输出电流的跟踪控制，需要建立一个PWM 信号发生器，建立的PWM 信号发生器替代BOOST 电路中的脉冲发生器模块(pulse，太阳能电池的电流输出作为最大功率点

33、跟踪（MPPT）模块的输入，经过MPPT 后获得步长信号作为PWM 信号发生器的输入，最终获得脉冲信号控制BOOST 电路中全控器件IGBT 的通断，实现太阳能电池的最大功率点跟踪控制。（4）最大功率点跟踪（MPPT）模块的功能是实现太阳能电池最大功率点跟踪，使太阳能电池工作点始终处于最大功率点处，也就是说，如果没有MPPT 模块，太阳能电池将不能实现最大功率的输出，其工作原理将在第四章中做详细的介绍。3. 光伏电池的工作原理光伏发电系统首先要解决的是怎样将太阳能转换为电能。光伏电池就是利用半导体光伏效应制成的一种将太阳辐射能直接转换为电能的转换器。本章重点讨论太阳能电池的工作原理，根据太阳能

34、电池原理在MATLAB/SIMULINK仿真平台上建立太阳能电池仿真模型，并对太阳能电池在不同光照强度和环境温度下工作时的输出特性进行分析。3.1半导体的物理基础在自然界中，物体根据导电性能和电阻率的大小分为三类，电阻率在10-610-3cm 左右的称为导体，如金、银、铜等；电阻率在10-3108cm左右的称为半导体；电阻率在1081020cm左右的称为绝缘体，如塑料、木头等。大部分半导体的特点在于导电能力和电阻率对掺入微量杂质的种类和浓度十分敏感，具有对温度和光照等外部条件变化的热敏和光敏等特性3。众所周知，各种元素的原子结构都由带正电的原子核和带负电绕核转动的电子组成。其中最外层的电子受原

35、子核的束缚力最小，称为价电子。锗、硅等多数半导体都是4价元素，每个原子各有4个最外层电子，通常称其为4个价电子。在常温下本证半导体中只有为数极少的电子-空穴对参与导电，部分自由电子遇到空穴会迅速恢复合成为共价键电子结构，所以从外特性来看它们是不导电的。为了增加半导体的导电能力，一般都在4价的本征半导体材料中掺入一定浓度的硼、镓、铝等3价元素或磷、砷、锑等5价元素，这些杂质元素与周围的4价元素组成共价键后，即会出现多余的电子或空穴。掺入5价元素的半导体称为N 型半导体，在共价键之外会产生多余的电子；而掺入3价的半导体称为P 型半导体，在共价键之外产生多余的空穴3。 利用这些特性，人们制成了多种多

36、样的半导体材料。半导体材料具有很强的光伏效应。光伏效应是指物体吸收光能后，其半导体材料内部能传导电流的载流子的分布浓度和状态发生变化，产生出电流和电动势的效应。当太阳光（或其他光能）照射到半导体的P-N 结上时，就会产生光生电压，如果把P-N 结短路，就会产生光生电流。光伏电池就是利用了半导体材料的这些特性，把光能直接转化成电能。在这个过程中，光伏电池本身不发生任何化学反应，也没有机械磨耗；在使用过程中，没有噪音，无气无味，对环境无污染3。3.2光伏光伏电池的电池的电池的基本基本基本工作原理工作原理由于太阳能只是一种辐射能，所以它必须借助于某些能量转换器才可以实现电能的转化。我们把这个实现光能

37、转化成电能的转换器叫做太阳能电池。太阳能电池工作原理，是以半导体P-N 结的光伏效应为基础。光伏效应是指是当物体受到光照的时候，物体内部的电荷分布状态会发生变化，从而产生电流和电动势的一种效应。虽然在固体、液体和气体中都可产生光伏效应，但是在固体尤其是半导体中，光能转换成电能的转换效率特别高，所以半导体的光电效应引起了人们更多的注意，对其研究也最多，然后发明制造出了半导体光伏电池。太阳能电池光伏原理如下图所示2： 图3-1 光伏效应原理图我们可将太阳能电池的发电过程概括成下面4点：首先太阳能电池表面收集太阳光或者其他光能。由于太阳能电池吸收了具有一定能量的光子，半导体材料内部会激发出非平衡状态电子-空穴对。这些被激发的电子-空穴对具有足够的寿命，在他们被分离前是不会自动复合或消失。这些电性相反的电子和空穴在太阳能电池P-N 结的内建电场作用下被分离，空穴集中在了一边，电子集中在了另一边，在半导体P-N 结两边积累了不同电性的电荷，进而产生了光生电动势，即光生电压。如果在太阳能电池的P-N 两端引出电极，接上负载，那么负载上就会有光生电流，进而得到输出功率。太阳能电池就是这样把光能直接转化成为电能的2。3.3光伏光伏电池的电池的电池的等效电路等效电路太阳能电池的基本特性可以用其电流和电压的关系曲线来表征，电流、电压之间的关系自然又是通过其他一系列参变量来表征，特