光伏效应

光伏效应是由A.E.贝克勒尔于1839年发现的，它证明了光和电磁辐射的微粒性质。这种效应是当价带中存在的电子由于光子释放的能量而进入导带时发生的物理现象。该现象总结如下：

光伏电池是一个 P-N 硅结点，光能穿过表面并激发结点。当结点受到光激发时，能量等于硅材料带隙（Eg）的光子会产生一对电荷，即电子和空穴，从而产生电流。硅面板的典型 Eg 值在 1 到 1.8 eV 之间。

效能

不幸的是，只有少数光子具有足够的能量来产生这种现象。大约 40-50% 的光子要么能量过低，要么能量过高。能量小于所需带隙的光子无助于产生电能，而能量大于 Eg 的光子则会浪费能量（以热量形式耗散）。此外，约有 25-30% 的光子无法穿透电池，也无法到达结点，而是从电池表面或触点上反射出来。最后，约有 5% 的电子-空穴对重新结合，因此不会产生任何电流。这意味着光伏电池板在工作条件下的效能通常在 10-15% 左右，单晶硅电池板的峰值约为 20%。

太阳辐射

太阳辐射的入射能量按惯例被认为等于 1000 W/m^2。只有在特定的纬度、位置、污染等条件下才能达到这个值。一般来说，在赤道上直接照射光线就可以达到这个值。在其他纬度地区或环境条件下，最佳条件下的太阳辐射量可能小于 600 到 800 W/m^2，而且只占一天中的一小部分时间。

光伏电池板

如前所述，光伏电池类似于 P-N 结二极管。

光伏电池板是多个结点的串并联组合。它们的额定电压通常为 12 至 24V，开路电压为 20 至 40V。功率从几瓦特到几百瓦特不等。

等效电路和数学模型

光伏电池可简化为直流发电机，其值取决于太阳辐射。电池的等效电路示意图如下：

光伏电池的等效电路

为了描述负载中的电流，我们可以使用肖克利方程和上面的等效电路。电流I的方程描述如下：

肖克利方程

其中：

Ie 是电池中的电流，单位为安培。

Il 是与太阳辐射强度成正比的电流。

Io 是二极管的饱和电流，单位为安培。

q 是电子的电荷，即 1.6E-19C

K 是玻尔兹曼常数，即 1.38E-23J/K。

Rs 和 Rp 是串联和并联电阻，单位为欧姆。

V 是输出电压，单位为伏特。

I-V 特性曲线

上述方程描述了光伏电池的I-V特性。通过将电流乘以并联电池的数量和/或将串联电池的电压相加，获得完整光伏面板的I-V特性。典型特征如下所示：

然而，太阳辐射强度的变化导致电压和输出电流两者的相应变化。商业光伏板的文件通常报告不同太阳辐射强度下的I-V特性。下图就是一个例子：

Proteus 光伏板模型

Proteus 中有一个通用光伏电池板的仿真模型。通过输入商用产品的典型参数，可以轻松配置该模型。这些参数通常总是在光伏电池板制造商的数据表中提供。这些参数包括：

开路电压（Voc）是指面板上的开路电压。

短路电流（Isc）是面板的短路电流。

Pmax处的电压（Vpm）是最大功率下的电压。

最大功率（Pmax）是面板的最大功率。

Voc（通常为TC-Voc）的温度系数以%/摄氏度表示。

Isc（通常为TC Isc）的温度系数以%/摄氏度表示。

有时会给出 Imp（I @ 最大功率）而不是 Pmax 值。在这种情况下，Pmax 的计算公式为

在 Proteus 中输入属性

与以往一样，我们可以通过编辑元件和更改属性值来输入模型参数。方法是右键单击元件，然后单击上下文窗口中的编辑属性。此时将打开以下对话框：

I-V 特性曲线的图形仿真

如前所述，光伏电池板制造商会提供不同太阳辐照强度下电流与电压（I-V）关系的特性曲线。Proteus 可让您模拟这些曲线，还提供了在数据表中未指明的特定光照强度下获取曲线的方法。这些曲线通过传递函数图（"高级仿真功能 "模块提供）获得。下面是一个示例：

在模拟中，电压发生器IRRADIANCE用于产生相当于200 W/m^2至1000 W/m^2的太阳辐射的电压值。要使PVPANEL能够接受外部信号而不是活动的+和–控件，必须将“辐照度源”属性设置为“外部”。这将禁用激活的控制，元件将从（隐藏的）IRRADIANCE引脚接收控制值。

I-V 特性曲线的 Proteus 文件链接如下，可使用演示软件进行评估。

https://www.labcenter.com/blog/sim-pvsolar/files/CL-SM10P%20I-V%20Curves.pdsprj

Proteus实时仿真

光伏电池板模型也可以在实时模式下进行仿真。在这种模式下，可以使用两个活动控件+和–实时设置太阳辐射值。请注意，默认情况下会启用“活动”控件，即“辐照度源”属性设置为“活动组件”。

可将多个面板配置成串联、并联或两个面板的组合。在这种情况下，可以只将其中一个面板设置为主面板，而将所有其他面板设置为从面板。

举个例子，假设我们有 12 块电池板，每块电池板的电压为 18V 100W，我们想将它们并联，这样就能获得 18V @ 1200W 的电压。我们将如下图所示并联 12 块电池板：

在PV1上，我们将“辐照度源”属性设置为“活动组件”。在从PV2到PV12的其他面板上，我们将“辐照度源”属性设置为“外部”。

这样，在实时模拟过程中，我们只需对 PV1 至 PV12 的主动控制器进行操作，就能改变所有电池板（从 PV1 到 PV12）的太阳辐射强度；而 PV2 至 PV12 的控制器将被禁用。

原理图文件如下，可在 Proteus 演示版中查看。

光伏板模型的 Proteus 文件链接如下，可通过演示软件进行评估。

https://www.labcenter.com/blog/sim-pvsolar/files/DOKIO100W%2018VDC%201200W%20Parallel.pdsprj

小结

光伏电池是最有前途的清洁和可持续能源生产技术之一。这些设备可将太阳光直接转化为电能，是一种环保、低碳的替代能源。

这也是一个有效的例子，说明 了Proteus 如何帮助我们开发作为现代能源生产设备基础的物理行为模型。

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