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1、环境能源发电：太阳能、风能和海洋能目录第 1 章太阳能发电11. 1概述11. 1. 1 光伏电池/ 组件/ 阵列的结构1. 1. 2 用于光伏电池的半导体材料1. 1. 3 主动式和被动式太阳能系统 1 3 51. 1. 4 太阳能系统部件51. 2光伏系统的 I - V 特性61. 3光伏模型和等效电路91. 3. 1 单二极管和双二极管模型91. 3. 2 无并联电阻的单二极管模型101. 3. 3 无电阻的单二极管模型111. 3. 4 在额定工况和标准工况下的光伏模型性能121. 3. 5 辐照度和温度对光伏特性的影响141. 4太阳跟踪系统141. 5MPPT 技术201. 5.
2、1 基于增量电导的 MPPT 技术201. 5. 2 基于扰动观察法的 MPPT221. 5. 3 基于线性化 I - V 特性的 MPPT 控制器231. 5. 4 基于比例开路电压的 MPPT1. 5. 5 基于比例短路电流的 MPPT1. 5. 6 基于模糊逻辑控制的 MPPT 24 26 261. 5. 7 基于神经网络的 MPPT281. 5. 8 基于纹波相关控制的 MPPT291. 5. 9 基于电流扫描的 MPPT311. 5. 10 基于直流母线电容下降控制的 MPPT321. 6光伏电池的遮蔽效应331. 7光伏系统的电力电子接口38目录1. 7. 1 并网光伏发电系统的电
3、力电子接口381. 7. 2 独立光伏系统的电力电子接口571. 8独立光伏应用的光伏板和电池组规格选择641. 8. 1 日 照 时间651. 8. 2 负 载 计算651. 8. 3 维 持 天数651. 8. 4 太 阳 辐照651. 8. 5 光伏阵列规格选择661. 9现代太阳能应用691. 9. 1 住 宅 设备691. 9. 2 电动汽车应用781. 9. 3 海洋船舶应用831. 9. 4 空 间 应用851. 10小结91参考文献91第 2 章风能发电 982. 1概述982. 2风982. 3采集风能的历史1012. 4风能采集基础设施1022. 4. 1 风力机选址2.
4、4. 2 风力机功率 102 1042. 5风力机系统1082. 5. 1 风力机的基本部件1082. 6风力机1102. 6. 1 基于轴位置的风力机分类1102. 6. 2 基于功率容量的风力机分类1102. 7不同的风力发电机1112. 7. 1 无刷直流发电机1122. 7. 2 永磁同步发电机1192. 7. 3 感应电机2. 8同步发电机 128 1472. 9风能采集研发1512. 9. 1 控制系统研发1512. 9. 2 发电机结构研发153环境能源发电： 太阳能、 风能和海洋能2. 9. 3 输电与并网拓扑结构研发1542. 10小结154参考文献154第 3 章潮汐能发电
5、1613. 1概述1613. 1. 1 潮汐能发电历史1623. 1. 2 潮汐能的物理原理1633. 2潮汐能及其相应的发电技术分类1663. 2. 1 势能1673. 2. 2 潮 汐 坝法1673. 2. 3 潮汐泻湖的概念1693. 2. 4 潮汐坝内使用的潮汐水轮机1713. 3水轮机与发电机的控制3. 3. 1 水轮机管道动力学建模 174 1753. 3. 2 水轮机控制1773. 3. 3 动能1803. 4潮汐能转换系统1933. 4. 1 发 电 机3. 4. 2 变 速 箱 193 1993. 4. 3 水轮机优化运行原理1993. 4. 4 MPPT2003. 4. 5
6、 基 于 P&O 的 MPPT 方法2023. 5潮汐能应用的并网接口2053. 5. 1 潮汐水轮机应用的并网接口2053. 5. 2 使用潮汐湖结构的潮汐能发电并网和同步2093. 6潜在资源3. 7环境影响 210 2113. 7. 1 泥沙沉积物2123. 7. 2 鱼类2123. 7. 3 盐度2123. 8小结212参考文献212第 4 章海洋波浪能发电2154. 1海洋波浪能发电概述215目录4. 2波浪能2174. 3波浪能发电技术2184. 3. 1 海上能源发电拓扑结构4. 3. 2 近岸能源发电拓扑结构 219 2244. 3. 3 波浪能吸能器2264. 3. 4 波浪
7、能涡轮机类型2284. 3. 5 波浪能发电机2404. 3. 6 用于波浪能发电系统的不同发电机并网拓扑结构2734. 4波浪能应用4. 4. 1 振荡水柱 281 2824. 4. 2 Pelamis2824. 4. 3 Wave Dragon2854. 4. 4 AWS2874. 4. 5 Wave Star Energy2884. 4. 6 磁流体动力波浪能转换器2894. 5未来的波浪能2904. 6小结290参考文献291第 5 章海洋热能发电2965. 1历史2985. 2OTEC 分类2995. 2. 1 闭式循环 OTEC 系统2995. 3闭式循环 OTEC 系统的技术瓶颈
8、3035. 3. 1 流体工质及其潜在的泄漏3035. 3. 2 OTEC 系统的热能转换3055. 3. 3 开式循环 OTEC 系统3055. 3. 4 混合循环 OTEC 系统3075. 4OTEC 系统的组件3085. 4. 1 换 热 器5. 4. 2 蒸 发 器5. 4. 3 冷 凝 器 308 309 3125. 4. 4 真空闪蒸器3155. 5OTEC 发电站的控制3165. 6汽轮机的控制3195. 7潜在资源325环境能源发电： 太阳能、 风能和海洋能5. 8OTEC 系统的综合利用3275. 8. 1 海水淡化5. 8. 2 水产养殖 327 3275. 8. 3 空调
9、3275. 8. 4 矿 产 开采3285. 9对环境的影响3285. 10小结329参考文献329第 1 章太阳能发电1. 1概述太阳能是近年来备受关注的最为重要的可再生能源之一。 太阳能资源丰富， 相对于其他能源来说， 它具有最大的可获得性。 太阳在一天内为地球提供的能源总量足以满足地球一整年的总能源需求1 。 太阳能是一种清洁的零排放能源， 因为它不会产生对自然有害的污染物或者其他副产品。 将太阳能转换为电能具有广阔的应用前景， 住宅、 汽车、 航空航天以及船舶是太阳能应用的主要领域。古代文明已经将太阳光作为能量来源， 使用 “ 燃烧镜” 来点火烧毁敌人的军舰。 直到 18 世纪， 太阳
10、能还仅仅用于供暖和照明。 19 世纪， 欧洲人开始建造太阳能温室和大棚。 在 19 世纪后期， 法国科学家已经利用太阳能集热器采集的热量来驱动蒸汽机。 1882 年， 巴黎出现了以太阳能蒸汽机为动力的印刷机2 。瑞典籍美国发明家约翰爱立信 （ John Ericsson） 研制了一款高效率太阳能热空气发动机， 这些太阳能驱动的发动机被用在了船舶上3 。 第一个太阳能锅炉是由被称为现代太阳能之父的查尔斯格里利 （ Charles Greely） 博士发明的4 。 查尔斯弗里茨 （ Charles Fritts） 在 1883 年发明了第一个能工作的太阳电池5 。 构建这些原型系统使用了硒， 从而
11、实现了大约 1% 的转换效率。 卡尔文富勒 （ Cal- vin Fuller）、 达里尔蔡平 （ Daryl Chapin） 与杰拉尔德皮尔逊 （ Gerald Pearson）等研究人员在 1954 年研制出来了硅太阳电池， 该成就是在拉塞尔奥尔 （ Russel Ohl） 20 世纪 40 年代的基础性工作之上取得的6 。 这一突破性进展标志着发电领域发生了根本性的变化。 在随后的 20 世纪 50 年代研发的太阳电池， 效率从 6% 提高到了 10% 7 ， 不过由于太阳电池成本很高 （300 美元/ W）， 其商业应用仅限于那些新奇物品6 。1. 1. 1光伏电池/ 组件/ 阵列的结
12、构光伏 （ PV） 电池将太阳光转换成电能， 这就是被称为光电效应的物理过程。照射在光伏电池上的光线， 可能被反射、 吸收或是透射过去， 不过只有被吸收的光才能产生电能。 被吸收光的能量转移到光伏电池原子中的电子上， 这些电子藉由新获得的能量， 从它们在半导体光伏材料原子中的正常位置逃逸出来， 并成为电路中电流的一部分。 太阳电池具有一种被称为 “ 内建电场” 的特殊电性能， 能为驱动电流通过灯泡之类的外部 “ 负载” 提供所需的动力或者电压8 。为了在光伏电池内部诱导出内建电场， 可以将两种不同的半导体材料层相互接第 1 章太阳能发电9触放置： 一层是一个带有大量电子的 “ n 型” 半导体
13、， 电子带有一个负电荷； 另一层是带有大量空穴的 “ p 型” 半导体， 空穴带有一个正电荷。虽然这两种材料都是电中性的， n 型硅具有多余的电子， 而 p 型硅则具有多余的空穴。 将这些夹在一起就在交界处产生了一个p - n 结， 这样就形成了一个电场。图 1. 1 所示为光伏电池的 p - n 结。n型层p-n结耗尽层p型层背接触图 1. 1 太阳电池的 p - n 结当 n 型硅和 p 型硅相互接触时， n 型硅一侧多余的电子就会漂移到 p 型硅一侧。 结果正电荷就积累在界面处 n 型一侧， 负电荷积累在界面处 p 型一侧。这两个半导体作用就像一个电池一样， 在它们接触的表面形成了一个电
14、场， 称为 p - n 结。 这是电子和空穴流动的结果， 电场驱动电子从半导体向负表面移动， 以携带电流。 与此同时， 空穴沿着相反方向， 朝向正表面， 它们在那里等待电子进入8 。另外， 还需要额外的结构和元器件将直流电 （ DC） 转换成交流电 （ AC）。 有些系统还储存了一些电能， 这些电能通常储存在电池之中， 以备将来使用。 所有这些都是称为 “ 平衡系统” （ BOS） 的组件9 。将 BOS 组件与各个光伏组件组合在一起， 就可以构建一个完整的光伏系统。这种系统通常用于满足特定的能源需求， 比如为一台水泵、 家用电器或者照明供电。 图 1. 2 所示为单个电池、 由单个电池组成的
15、一个组件以及由组件组成的一个阵列。一个光伏或者太阳电池是光伏 （ 或者太阳电能） 系统的基本构建块。 单个光伏电池通常都非常小， 功率通常为 1W 或者 2W 左右9 。 为了提高光伏电池的输出图 1. 2 太阳电池、 组件和阵列a） 太阳电池 b） 组件 c） 阵列功率， 必须将它们连接起来形成更大的单元， 也就是所谓的组件。 同样， 也可以将这些组件连接起来形成更大的单元， 也就是所谓的阵列， 这些阵列又可以连接起来产生更大的功率。 将这些电池或者组件串联起来， 可以提高输出电压。 另一方面， 又可以将这些电池或者组件并联起来， 从而达到更高的输出电流。根据太阳光采集方法的不同， 光伏发电
16、系统可以分为两大类： 平板系统和聚光系统9 。 平板光伏系统直接获取太阳光， 或者使用环境中散射的太阳光。 它们可以固定安装使用， 或者与太阳跟踪系统组合在一起使用。 而聚光系统则是采集了大量的太阳光， 使用透镜和反射器将这些太阳光聚集并聚焦到光伏电池板上。 这些系统可以减少所需电池的大小及数量， 同时又提高了输出功率。 此外， 通过集中太阳能光源， 还能够提高光伏电池的效率。1. 1. 2用于光伏电池的半导体材料光伏器件可以使用多种半导体材料制成， 它们可以存放或者排列在不同的结构中10 。可用于太阳电池的三种主要材料类型是硅、 多晶薄膜和单晶薄膜11 ： 第一类材料是硅， 它可以有各种形式
17、， 包括单晶、 多晶和非晶等； 第二类材料是多晶薄膜， 特别是铜铟硒三元化合物 （ CIS）、 碲化镉 （ CdTe） 和薄膜硅等； 第三类材料是单晶薄膜， 主要是用于砷化镓 （ GaAs） 电池的制作10，12 。1） 硅 （ Si） 包括单晶硅、 多晶硅和非晶硅。 最早用来制造光伏器件的硅， 现在仍然是最为常用的太阳电池材料13 。 硅也是在地球地壳中储量第二丰富的元素， 仅次于氧13 。 不过， 要想成为太阳电池可用的半导体材料， 必须将硅的纯度提纯到 99. 9999% 12，13 。在单晶硅中， 分子结构 （ 也就是材料中原子的排列） 是一致的， 因为整个结构生长自相同的晶体。 这种
18、一致性是通过材料高效传输电子的理想选择。 为了制造高效的光伏电池， 硅必须 “ 掺入” 其他元素， 使之成为 n 型或者 p 型14 。相反， 半结晶硅则由几个较小的晶体或者颗粒组成， 从而引入了边界。 这些边界阻碍了电子的流动， 并鼓励它们与空穴结合， 从而降低了太阳电池的输出功率。半结晶硅比单晶硅的生产成本要低得多。 因此， 研究人员正在研究其他方法， 以尽量减小晶界的影响14 。2） 多晶薄膜包括 CIS、 CdTe 和薄膜硅。 对光伏产业具有至关重要影响的计算机半导体产业的另一个科学发现是薄膜技术。 “ 薄膜” 一词来源于沉积膜的方法， 而不是膜的薄度： 薄膜电池沉积在非常薄的原子、
19、分子或者离子的连续层上。 薄膜电池与 “ 厚膜” 电池相比具有许多优点。 例如， 它们使用的材料更少： 电池的作用区通常只有 1 10m 厚， 而厚膜通常达 100 300m 厚。 薄膜电池的制造通常可以采用大面积工艺， 这种工艺可以实现自动化连续生产。 最后， 它们可以沉积在软性基片材料之上15 。3） 单晶薄膜包括砷化镓这类高效材料。 砷化镓是一种化合物半导体： 镓和砷两种元素的混合物。镓是其他金属 （ 特别是铝和锌） 冶炼的副产品， 它比黄金更为稀有。 砷并不罕见， 但它是有毒的15 。 几乎是在开发用于发光二极管、 激光器以及使用光的其他电子器件的同时， 砷化镓也被开发用于太阳电池。砷
20、化镓特别适用于多结太阳电池和高效太阳电池的理由如下： 砷化镓的带隙为 1. 43V， 几乎是单结太阳电池的理想之选。 砷化镓具有很高的吸收率， 因此一个电池只需要几微米的厚度来吸收太阳光 （ 结晶硅需要 100m 或者更厚） 15 。 与硅电池不同， 砷化镓电池对热相对不敏感。 砷化镓电池温度通常可以相当高， 尤其在选矿厂 （ Concentrator） 中应用时更是如此。 由砷化镓和铝、 磷、 锑、 铟等制成的合金具有与砷化镓互补的特性， 使得电池设计具有极大的灵活性。 砷化镓具有很强的抗辐照损伤性。 这一点连同其高效性， 使得砷化镓非常适合于太空应用。砷化镓及其合金作为光伏电池材料最重要的
21、优势之一是， 它能够满足范围广泛的设计要求。 砷化镓基电池的各层组分可以略有不同， 这样一来， 电池设计人员就可以精确地控制电子和空穴的产生和收集15 。通过这种程度的控制， 电池设计人员可以使电池效率逼近理论水平。 例如， 最常见的一种砷化镓电池结构中就有一个铝砷化镓制成的非常薄的窗口层。 采用这种薄层结构可以在靠近 “ 结” 电场处创建电子和空穴15 。1. 1. 3主动式和被动式太阳能系统太阳能系统一般分为两大类： 被动式系统和主动式系统16，17 。被动式太阳能系统， 不依赖面板系统或者其他运动机制来产生能量。 被动式系统利用非机械式技术来控制捕获的日照量， 并将这种能量配送成各种有用
22、的形式， 如供暖、 照明、 冷却和通风等。 这些技术包括选择具有良好热性能的材料来吸收和储存能量、 设计能够自然循环空气以传递能量的空间、 为建筑物的位置提供向阳参考以提高能源捕获等。 在某些情况下， 被动式太阳能装置可以用移动部件来构成， 其特点在于这种运动是自动的， 并且由太阳能直接驱动。 这些系统可作供暖和照明之用， 这就意味着太阳能不仅要用于供暖和照明， 同时还要用于太阳跟踪系统的驱动。主动式太阳能系统通常涉及电气和机械部件， 比如跟踪机构、 泵、 风扇以捕获阳光， 并将其转换成供暖、 照明、 电能等各种可用的形式。 面板被调整成最大限度地曝露在阳光下。 依靠这些系统， 面板就可以将太
23、阳光转化成电能， 而这种电能又从直流电变换成交流电， 并储存在电池之中， 或者是输给本地公共电网。 主动式系统不仅成本更高， 而且更加复杂。1. 1. 4太阳能系统部件图 1. 3 所示为太阳能系统原理结构框图。 这个系统通过光伏阵列来捕获阳光。太阳跟踪系统使用光敏二极管或者光电式传感器， 并确定太阳跟踪电动机的方位。因此可以跟踪太阳位置每日和季节性的变化， 以便实现直接面向太阳， 并最大限度地捕捉可用阳光。 光伏面板的输出连接到一个DC - DC 变换器， 以便工作在所需的电流或者电压之上， 进而与来自光伏组件的最大可用功率相匹配。这个 MPPT （ 最大功率点跟踪） DC - DC 变换器
24、之后是用于并网供电或者交流负载供电的DC - AC 逆变器。 一个电池组可以与系统的直流母线相连接， 为夜间或者阴天可能无法使用的光伏组件提供额外的电力。 电池组也可以在光伏组件产生的能量供大于求时将能量储存起来。如图 1. 3 所示， 太阳能系统由若干组件构成。 若干光伏组件串联或者并联起来， 连接方式取决于光伏阵列的电压和电能的需求。 光伏阵列朝向太阳的方向可以通过位置电动机来控制， 实现面板的水平与 （ 或） 垂直运动。 太阳跟踪系统采集来自太阳传感器或者光敏二极管的数据， 并进行处理， 以此来确定电动机的方位， 使得对着太阳的光伏阵列处于最佳光照位置。 这种位置检测和调整与机械功率点跟
25、太阳辐射电网或者家用交流负载DC-AC逆变器DC-DC变换器(MP T)DC-DC变换器(可选)太阳跟踪系统光敏二极管或传感器电池组电动机位置控制器图 1. 3 太阳能系统踪技术相类似18 。 另一方面， 由于光伏阵列的电压电流和电流功率特性， 电气最大功率点 （ MPP） 会根据工作电流和电压而有所不同。 因此， 需要使用一个电气最大功率点跟踪 （ MPPT） 系统来使光伏阵列工作在最大功率点上。 这可以通过一个 DC - DC 变换器来完成。由于光伏阵列产生的功率与负载的功率需求可能不相匹配， 会使用一个电池组来补偿这些失配的情况。 当光伏阵列的可用功率大于所需的功率时， 可以使用这种电池
26、组作为能源缓冲器来储存能量。 反之， 当太阳能的功率供给低于所需的负载功率时， 也可以使用这些电池组的放电以满足持续的负载需求。 电池可以接成不同的拓扑结构， 根据所需的零部件， 控制复杂性、 灵活性， 电池尺寸、 数量和成本的不同， 各种拓扑结构互有优劣。 最后， 直流母线的功率应变换为交流功率， 用以并网或者满足独立应用系统的交流负载的功率需求。 并网也可以用于从公共电网中“ 抽取” 功率， 或者向公共电网 “ 输入” 功率， 以此来利用额外的功率或者是在公共电网高峰期使用电网功率来对电池进行充电。1. 2光伏系统的 I - V 特性电流电压 （ I - V） 曲线通过如下方式获得： 将光
27、伏电池曝露在恒定光照水平之下， 同时令电池温度保持恒定， 改变负载电阻， 并测量产生的电流。 I - V 曲线通常会典型地经过以下两点：1） 短路电流 （ ISC ）： ISC 是在光伏电池正负极短路、 正负极端子之间电压为零时产生的电流， 这相当于零负载电阻工况。2） 开路电压 （ VOC ）： VOC 是开路条件下的电路正负极两端的电压， 此时电流为零， 这相当于无穷大负载电阻工况。光伏电池可以在较宽的电压和电流范围内工作。 通过将负载电阻从零 （ 短路） 改变至无穷大 （ 开路）， 就能够确定电池的 MPP。 在 I - V 曲线上， 当电流和电压之积最大时， 会出现最大功率点 （ Pm
28、 ）。 短路电流无电压或者开路电压无电流时， 没有功率产生。 因此， MPP 介于这两点之间。 最大功率产生于曲线的 “ 膝” 部。这一点代表将太阳光转换成电能的太阳能设备的最大效率19 。一个光伏系统由许多串联和并联的光伏电池组成， 用以提供所需的输出端电压和电流。 这个光伏系统表现出非线性 I - V 特性20 。 有多种模型可供光伏系统的I - V特性建模使用。 Masoum 等人介绍了一种适用于硅太阳能光伏电池板的模型： 光伏电池等效模型， 它表征了式 （1. 1） 所描述的光伏系统的动态非线性 I - V 特性。 光伏系统的输出电压特性可以表示为光伏输出电压公式中使用的参数如下：理想
29、或者完全因子；I0 光伏电池反向饱和电流 （ A）；IPV 光伏电池的输出电流 （ A）；ISC 电池短路电流 （ 代表隔离水平） （ A）；k玻耳兹曼常数 （1. 380 10 - 23 J / K）；MV 电压因子； Np 并联的串数；Ns 每串串联的电池数；q电子电荷 （ - 1. 602 10 - 19 C）； Rs 光伏电池的串联电阻 （ ）； T光伏电池的温度 （ K）；VMP 对应于最大功率的光伏电池电压 （ V）；VOC 开路电压 （ V）；VPV 光伏电池端电压 （ V）。（1. 1）使用光伏输出公式， 根据不同的短路电流值， 可以得到光伏阵列的 I - V 特性（ Np =
30、 30， Ns = 112）， 如图 1. 4 所示。利用 I - V 曲线， 可以得到电流 - 功率曲线， 如图 1. 5 所示。图 1. 6a 表示了在电压增加的情况下， 串联电池的电流如何保持不变。 同时，在相同的电压下， 并联电池的电流则会增加， 如图 1. 6b 所示。IPV AVPV V对应不同ISC值的光伏阵列I-V曲线图 1. 4 不同短路电流 ISC 时的光伏电池 I - V 曲线 ISCIPV APPV W对应不同ISC值的光伏阵列I-P曲线图 1. 5 不同短路电流 ISC 时的光伏电池 I - P 曲线图 1. 6 两个相同的电池的串联与并联a） 串 联 b） 并 联1
31、. 3光伏模型和等效电路1. 3. 1单二极管和双二极管模型一个光伏模型可以通过图 1. 7 所示的等效电路来表示。 这种模型也称为单二极管模型。图 1. 7 太阳电池等效电路的单二极管模型在这个模型中， 开路电压和短路电流是关键参数。 短路电流取决于照明情况， 而开路电压则会受到材料和温度的影响。 在这个模型中， VT 为温度电压， 表示为VT = kT / q， 在 25 时为 25. 7mV。 这个模型的理想化因子 通常在 1 5 之间变化。这个模型的定义公式为该太阳电池的 I - V 特性也可以定义为21式中IPH 光电流 （ A）；ID 二极管电流 （ A）；Rs 串联电阻； Rp
32、并联电阻。（1. 2）（1. 3）（1. 4）（1. 5）光伏电池的另外一种模型是双二极管模型， 如图 1. 8 所示。 在双二极管模型中， 提供了额外的自由度， 以求得到更高的精度。 不过， 在光伏领域中， 第一个模型获得了广泛应用， 因为它足以表征光伏特性和动力学特性。 双二极管模型虽然精度更高， 却因其较为复杂而未得到广泛应用。第 1 章太阳能发电97图 1. 8 双二极管模型1. 3. 2无并联电阻的单二极管模型一般来说， 单二极管模型的并联电阻阻值会大到足以类似于一个开路。 因此， 忽略这种电阻并不会显著地牺牲该模型的精度。 一个太阳电池通常由一个等效二极管模型来表示， 如图 1.
33、9 所示22 。图 1. 9 单个太阳电池模型净输出电流 IPV 是光电流 IPH 和正常的二极管电流 ID 之间的差值：（1. 6）对于这个模型来说， 建议将正常工况下的理想化因子 设置为 1. 3。 在实验研究和理论分析的基础上， 可以确定 值， 以实现与实际光伏特性的最佳匹配。 对于不同的应用和工况， 此值一般在 1 2 之间取值。图 1. 10 所示为特定环境辐照度 Ga 、 某固定电池温度 TC 下的太阳电池 I - V特性。如果该电池的端子连接到一个可变电阻 R 上， 工作点应由太阳电池的 I - V 特性和负载的 I - V 特性曲线的交点来确定 （ 见图 1. 10）。 对于电
34、阻性负载， 负载特性是一个斜率为 I / V = 1 / R 的直线。 应该指出的是， 提供给负载的功率取决于负载的电阻值。 不过， 如果负载电阻小， 电池工作在曲线的 MN 区， 此时的电池可作为一个恒定电流源， 几乎等于短路电流。 另一方面， 如果负载电阻大， 电池工作在曲线的 PS 区， 此时的电池更类似于一个恒定电压源， 几乎等于开路电压。对于这种单二极管模型来说， 太阳电池的特性可以通过短路电流、 开路电压、图 1. 10 一个太阳电池的典型 I - V 曲线最大功率和最大效率等基本参数来描述。通过令输出电流为零， 可以求得开路电压为最大效率为最大功率和入射光功率之比： 式中Ga 环
35、境辐照度；A电池的面积。填充因子 （ FF） 是可以提供给负载的最大功率与 ISC 和 VOC 之积的比：（1. 7）（1. 8）（1. 9）0. 7。该因子是测量实际 I - V 特性的一种手段。 如果电池状态良好， 该值则高于这一因子随着电池温度上升而减小。若干电池可以连接起来形成一个组件。 一个电池组件的 I - V 关系可以表示为式 （1. 10）。 在这个公式中， 符号 M 是指组件变量 （ 组件电压和电流） 和任意工况下的光伏组件电流：式中IMSC 组件的短路电流， IMSC = Np ISC ； VMOC 组件的开路电压， VMOC = Ns VCOC ；（1. 10）1. 3.
36、 3RMS 组件的等效串联电阻， RMS = Ns / Np RS 。无电阻的单二极管模型为了简化起见， 串联输出电阻也可以忽略不计， 因为它的值通常很小。 通过这种方式， 就可以用图 1. 11 所示的简化等效电路和给定的公式来表示一个光伏电池。图 1. 11 太阳电池等效电路在电池组件结构中， 无电阻的单二极管模型的数学模型可以表示如下：因此（1. 11）（1. 12）在这个模型中， 串联电阻和并联电阻都被忽略了。 辐照度的变化会导致光伏阵列的工作温度变化， 不过这种影响在该模型中可以忽略不计， 因为它的变化率要比其他的影响因素慢很多22 。1. 3. 4在额定工况和标准工况下的光伏模型性
37、能实际上， 一个组件或者其他光伏器件的性能可以通过将其曝露在已知工况下来确定。 制造商所提供的组件特性通常是在特殊工况下确定的， 比如说在额定工况或者标准工况下， 见表 1. 1。表 1. 1 光伏系统的额定工况和标准工况额定工况标准工况辐照度： Ga，ref = 800W / m2辐照度： Ga，0 = 1000W / m2环境温度： Ta，ref = 20电池温度： T0C = 25风速： 1m / s在标准工况下， 需要测量以下参数： 1） 组件的短路电流 TMSC，0 ；2） 组件的开路电压 VMOC，0 ；3） 组件的最大功率 PMmax，0 。在额定工况下， 可得到以下参数： 1）
38、 环境辐照度 Ga，ref ；2） 环境温度 Ta，ref ；3） 电池温度 TCref 。光伏组件的电流可以使用表 1. 2 所示的步骤， 在某些特定的工作点 （ VM 、 Ta和 Ga ） 下测量。 该算法步骤如下：1） 光伏制造商的产品目录提供了有关组件的标准工况的信息： 最大功率 PMmax，0 ； 短路电流 IMSC，0 ； 开路电压 VMOC，0 ； 串联电池数 NSM ； 并联电池数 NPM 。2） 标准工况下的电池数据： PCmax，0 、 VCOC，0 、 ICSC，0 和 RCS ， 见表 1. 1。3） 在给定工况 （ VM 、 Ta 和 Ga ） 下， 可以确定电池的特
39、性参数。 因此， 可以计算得出与辐照度 Ga 成正比的短路电流 ICSC ：表 1. 2 在特定工作点的光伏组件电流的确定第 1 步标准工况的组件数据PMmax，0 ， IMSC，0 ， VMOC，0 ， NSM ， NPM第 2 步标准工况的电池参数PCmax，0 = PMmax，0 / （ NSM NPM ）VCOC，0 = VPMOC，0 / NSM ICSC，0 = IMSC，0 / NPMVCt，0 = mkTC / e vOC，0 = VCOC，0 / VCt，0FF = （ VCOC，0 - ln （ vOC，0 + 0. 72） / （ vOC，0 + 1） FF0 = PCm
40、ax，0 / （ VCOC，0 ICOC，0 ）rS = 1 - FF / FF0RCS = rS VCOC，0 / ICSC，0第 3 步运行工况的电池参数 （ VM 、 Ta 和 Ga ）C1 = ICSC，0 / Ga，0 ICSC = C1 Ga TC = Ta + C2 GaVCOC = VCOC，0 + C3 （ TC - T0C ）VCt = mk （273 + TC ） / e第 4 步运行工况的组件电流IM = NPM ICSC 1 - exp （ （ VM - NSM VCOC + IM RCS NSM / NPM ） / （ NSM VCt ）电池工作温度 TC 惟一地取
41、决于辐照度 Ga 和环境温度 Ta ， 公式如下： 式中C2 常数， 有（1. 13）（1. 14） （1. 15）如果 TCref 未知， 可以将其合理地近似为 C2 = 0. 03Cm2 / W。 太阳电池开路电压和温度之间的关系为式中， 一般认为 C3 = - 2. 3mV / C。4） 最后一步是确定运行工况下光伏组件的电流。1. 3. 5辐照度和温度对光伏特性的影响（1. 16）随着辐照度的增大， 太阳电池的短路电流 （ ISC ） 和开路电压 （ VOC ） 也随之增大。 短路电流几乎与辐照度呈线性比例关系。 另一方面， 随着温度的升高， 开路电压会降低， 而短路电流则会增大。 这是因为温度是辐照度的函数。图 1. 12 给出了一个太阳电池在一定的环境辐照度 Ga 和一定的电池温度 TC 下的 I - V 特性。 环境辐照度 Ga 和环境温度 TC 对于电池特性的影响如图 1. 12 所示。图 1. 12 环境辐照度对电池 I - V 特性的影响与电池温度对电池 I - V 特性的影响a） 环境辐照度对电池 I - V 特性的影响 b） 电池温度对电池 I - V 特性的影响图 1. 12a 表明， 开路电压随着环境辐照度对数上升， 而短路电流则是环境辐照度的线性函数。 箭头显示的是辐