光伏效應
光伏效應是由A.E.貝克勒爾于1839年發現的，它證明了光和電磁輻射的微粒性質。這種效應是當價帶中存在的電子由于光子釋放的能量而進入導帶時發生的物理現象。該現象總結如下：
光伏電池是一個 P-N 硅結點，光能穿過表面并激發結點。當結點受到光激發時，能量等于硅材料帶隙（Eg）的光子會產生一對電荷，即電子和空穴，從而產生電流。硅面板的典型 Eg 值在 1 到 1.8 eV 之間。
效能
不幸的是，只有少數光子具有足夠的能量來產生這種現象。大約 40-50% 的光子要么能量過低，要么能量過高。能量小于所需帶隙的光子無助于產生電能，而能量大于 Eg 的光子則會浪費能量（以熱量形式耗散）。此外，約有 25-30% 的光子無法穿透電池，也無法到達結點，而是從電池表面或觸點上反射出來。最后，約有 5% 的電子-空穴對重新結合，因此不會產生任何電流。這意味著光伏電池板在工作條件下的效能通常在 10-15% 左右，單晶硅電池板的峰值約為 20%。
太陽輻射
太陽輻射的入射能量按慣例被認為等于 1000 W/m^2。只有在特定的緯度、位置、污染等條件下才能達到這個值。一般來說，在赤道上直接照射光線就可以達到這個值。在其他緯度地區或環境條件下，最佳條件下的太陽輻射量可能小于 600 到 800 W/m^2，而且只占一天中的一小部分時間。
光伏電池板
如前所述，光伏電池類似于 P-N 結二極管。
光伏電池板是多個結點的串并聯組合。它們的額定電壓通常為 12 至 24V，開路電壓為 20 至 40V。功率從幾瓦特到幾百瓦特不等。
等效電路和數學模型
光伏電池可簡化為直流發電機，其值取決于太陽輻射。電池的等效電路示意圖如下：
光伏電池的等效電路
為了描述負載中的電流，我們可以使用肖克利方程和上面的等效電路。電流I的方程描述如下：
肖克利方程
其中：
Ie 是電池中的電流，單位為安培。
Il 是與太陽輻射強度成正比的電流。
Io 是二極管的飽和電流，單位為安培。
q 是電子的電荷，即 1.6E-19C
K 是玻爾茲曼常數，即 1.38E-23J/K。
Rs 和 Rp 是串聯和并聯電阻，單位為歐姆。
V 是輸出電壓，單位為伏特。
I-V 特性曲線
上述方程描述了光伏電池的I-V特性。通過將電流乘以并聯電池的數量和/或將串聯電池的電壓相加，獲得完整光伏面板的I-V特性。典型特征如下所示：
然而，太陽輻射強度的變化導致電壓和輸出電流兩者的相應變化。商業光伏板的文件通常報告不同太陽輻射強度下的I-V特性。下圖就是一個例子：
Proteus 光伏板模型
Proteus 中有一個通用光伏電池板的仿真模型。通過輸入商用產品的典型參數，可以輕松配置該模型。這些參數通常總是在光伏電池板制造商的數據表中提供。這些參數包括：
開路電壓（Voc）是指面板上的開路電壓。
短路電流（Isc）是面板的短路電流。
Pmax處的電壓（Vpm）是最大功率下的電壓。
最大功率（Pmax）是面板的最大功率。
Voc（通常為TC-Voc）的溫度系數以%/攝氏度表示。
Isc（通常為TC Isc）的溫度系數以%/攝氏度表示。
有時會給出 Imp（I @ 最大功率）而不是 Pmax 值。在這種情況下，Pmax 的計算公式為
在 Proteus 中輸入屬性
與以往一樣，我們可以通過編輯元件和更改屬性值來輸入模型參數。方法是右鍵單擊元件，然后單擊上下文窗口中的編輯屬性。此時將打開以下對話框：
I-V 特性曲線的圖形仿真
如前所述，光伏電池板制造商會提供不同太陽輻照強度下電流與電壓（I-V）關系的特性曲線。Proteus 可讓您模擬這些曲線，還提供了在數據表中未指明的特定光照強度下獲取曲線的方法。這些曲線通過傳遞函數圖（"高級仿真功能 "模塊提供）獲得。下面是一個示例：
在模擬中，電壓發生器IRRADIANCE用于產生相當于200 W/m^2至1000 W/m^2的太陽輻射的電壓值。要使PVPANEL能夠接受外部信號而不是活動的+和–控件，必須將“輻照度源”屬性設置為“外部”。這將禁用激活的控制，元件將從（隱藏的）IRRADIANCE引腳接收控制值。
I-V 特性曲線的 Proteus 文件鏈接如下，可使用演示軟件進行評估。
https://www.labcenter.com/blog/sim-pvsolar/files/CL-SM10P%20I-V%20Curves.pdsprj
Proteus實時仿真
光伏電池板模型也可以在實時模式下進行仿真。在這種模式下，可以使用兩個活動控件+和–實時設置太陽輻射值。請注意，默認情況下會啟用“活動”控件，即“輻照度源”屬性設置為“活動組件”。
可將多個面板配置成串聯、并聯或兩個面板的組合。在這種情況下，可以只將其中一個面板設置為主面板，而將所有其他面板設置為從面板。
舉個例子，假設我們有 12 塊電池板，每塊電池板的電壓為 18V 100W，我們想將它們并聯，這樣就能獲得 18V @ 1200W 的電壓。我們將如下圖所示并聯 12 塊電池板：
在PV1上，我們將“輻照度源”屬性設置為“活動組件”。在從PV2到PV12的其他面板上，我們將“輻照度源”屬性設置為“外部”。
這樣，在實時模擬過程中，我們只需對 PV1 至 PV12 的主動控制器進行操作，就能改變所有電池板（從 PV1 到 PV12）的太陽輻射強度；而 PV2 至 PV12 的控制器將被禁用。
原理圖文件如下，可在 Proteus 演示版中查看。
光伏板模型的 Proteus 文件鏈接如下，可通過演示軟件進行評估。
https://www.labcenter.com/blog/sim-pvsolar/files/DOKIO100W%2018VDC%201200W%20Parallel.pdsprj
小結
光伏電池是最有前途的清潔和可持續能源生產技術之一。這些設備可將太陽光直接轉化為電能，是一種環保、低碳的替代能源。
這也是一個有效的例子，說明 了Proteus 如何幫助我們開發作為現代能源生產設備基礎的物理行為模型。
本文章版權歸英國Labcenter公司所有，由廣州風標電子提供翻譯，原文鏈接如下：https://www.labcenter.com/blog/sim-pvsolar/
