4.2　太阳能电池的电气特性

太阳能电池的电气输出具有特定的电气特性。了解了这些特性后，可将光伏阵列设计成运行效率最大且将产生最大能量的电池阵。

太阳能电池的电气输出具有电流—电压特性曲线的特性。这是电气输出的电流与电压之间的关系，有关说明请参见4.2.1节。

电流—电压特性曲线具有一些重要参数和特性：

（1）ISC和VOC。短路电流（ISC）和开路电压（VOC），分别定义了电流—电压特性曲线的起点和终点（4.2.1节）。

（2）最大功率点。太阳能电池将产生最大功率的电流—电压特性曲线上的点（4.2.2节）。

（3）等效电路。定义电流—电压特性曲线形状的太阳能电池的内电阻（4.2.3节）。

（4）填充因子。基于电流—电压特性曲线形状的太阳能电池的性能（4.2.3节）。

4.2.1　电流—电压特性曲线

太阳能电池的电流—电压特性曲线显示了电池所产生的电的电流与电压之间的关系；每一种电流输出都有相应的电压输出。电流—电压关系取决于太阳能电池的内电阻，并受接收到的太阳辐射程度以及太阳能电池的温度的影响。电流—电压特性曲线如图4.3所示。

可通过设置可变电阻器串联太阳能电池产生太阳能电池的电流—电压特性曲线（图4.4）。电流和电压将随着电阻的变化而沿着曲线改变。在最小和最大电阻下，有两个重要参数分别定义了电流—电压特性曲线的起点和终点：

（1）短路电流（ISC）。短路时的电流，即当电阻为零时的电流。这是太阳能电池的最大电流输出。

（2）开路电压（VOC）。开路时的电压，即当电阻最大时的电压。这是太阳能电池的最大电压输出。

对于ISC（R=0）与VOC（R=RMAX）之间的电阻，电流—电压特性曲线给出了电流和电压组合。随着电阻的增加，电流减少，电压则增加。

每个光伏电池产生的电流—电压特性曲线均不相同，每个电流—电压特性曲线都不固定；电流—电压特性曲线受到操作条件（即辐射和温度）的影响。进一步说明请参见第6章。

4.2.2　最大功率点

太阳能电池所产生的功率用电流乘以电压来计算为

定义

最大功率点（MPP）是电流—电压特性曲线上显示最大功率的点。它在负载电阻等于光伏电池的内电阻时出现。

电流—电压特性曲线（图4.5）显示了此功率输出。从图4.5中可看出，电流—电压特性曲线上有个显示最大功率值的点；这就是所谓的最大功率点（MPP）。该点在电流—电压特性曲线的拐点处，出现在负载电阻等于内电阻时（即图4.4中电路中的可变电阻器的电阻等于电池内电阻时）。

最大功率点处电压和电流分别被称为VMP（最大功率电压）和IMP（最大功率电流），最大功率被称为PMP。

需要重点提及的是，光伏电池不能自动获得最大功率点。

4.2.3　等效电路

太阳能电池可用包含电流源、二极管和两个电阻器的等效电路（用简化的形式保留既定电路的所有电气特性的原理电路）来表示（图4.6）。这两个电阻代表了太阳能电池的内电阻，定义了电流—电压特性曲线的形状。这些电阻具体如下：

（1）分流电阻（RSH或RSHUNT）。该电阻与电流源和二极管平行。低分流电阻允许电流泄漏通过电池结点，从而降低功率输出[图4.7（a）]。低分流电阻通常由制造缺陷所导致。

（2）串联电阻（RS或RSERIES）。这是与电流源和二极管串联的电阻。输出电流穿过串联电阻，因此如果输出电流大，它会以发热的形式造成功率损失[图4.7（b）]。串联电阻是太阳能电池中的“寄生”电阻，比如金属触点的自然抵抗。寄生串联电阻的影响是减少电流—电压特性曲线的填充因子。

要点

高串联电阻和/或低分流电阻减少电池的功率输出，降低其性能。

4.2.4　填充因子

填充因子（FF）是一种操作特性，显示了太阳能电池的性能，反映了电池内串联电阻值和分流电阻值。它将电池的实际最大功率点与电池的理论最大功率点相对比，这被定义为ISC和VOC（图4.8）的乘积。基于此，填充因子的方程式为

填充因子将在0与1之间，典型值如下：

（1）普通太阳能电池。0.6与0.7之间。

（2）合理高效的太阳能电池。0.7与0.85之间。

（3）劣质电池。0.6以下。