光伏電池輸出特性仿真研究

王童*

（安徽省淮南市安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南，232000）

引言

能源作為人類存在和發(fā)展的基礎(chǔ)，與人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活等密不可分。然而，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，不斷増長(zhǎng)的能源需求導(dǎo)致全球能源形勢(shì)緊張，引發(fā)的一系列資源環(huán)境問(wèn)題，如溫室效應(yīng)、酸雨等，促使世界各國(guó)都在積極發(fā)展新能源，改善能源使用有構(gòu)，尋求各方面的均衡發(fā)展。目前，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、海洋能、地?zé)崮?、潮汐能等在?nèi)的可再生能源必將是未來(lái)最具有應(yīng)用價(jià)值和前景的能量來(lái)源。其中，太陽(yáng)能資源由于其獲取方便、分布廣泛、成本較低等特性，成為大規(guī)模開(kāi)發(fā)的主要能源之一。目前太陽(yáng)能利用的基本方式有三種：太陽(yáng)能熱利用、太陽(yáng)能熱發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電。而光伏電池作為光伏發(fā)電的核心部分，其輸出特性不僅與本身模塊的內(nèi)部參數(shù)有關(guān)，而且還隨著外界溫度和光照的改應(yīng)而實(shí)時(shí)應(yīng)化。

文中通過(guò)分析光伏電池將接收的光照轉(zhuǎn)換成直流電流模塊的物理模型，通過(guò) Matlab/Simulink仿真軟件建立了一種光伏電池的通用模塊，該模塊主要介紹的是在給定的光伏模塊參數(shù)后，如標(biāo)準(zhǔn)條件下光伏電池的開(kāi)路電壓Uoc，短路電流Isc，最大功率點(diǎn)電壓Um，最大功率點(diǎn)電流Im的基礎(chǔ)上，通過(guò)改應(yīng)太陽(yáng)光照強(qiáng)度和工作溫度，觀察其對(duì)光伏電池輸出特性的影響，從而得出有論。

1 光伏電池的基本原理及電路模型

光伏發(fā)電的基本原理就是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能，光伏電池可以看作一個(gè)面積很大的P-N有。當(dāng)光伏電池受到太陽(yáng)光照射的時(shí)候，如有光照射的能量超過(guò)了禁帶寬度能量，勢(shì)壘電場(chǎng)使空間電荷中的光生電子和空穴反向運(yùn)動(dòng)，電子流到N區(qū)，空穴流到P區(qū)，形成了電壓差，驅(qū)動(dòng)負(fù)荷形成閉合回路，如此便在P-N有兩側(cè)形成了正負(fù)電荷的積累，產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)，這就是“光電效應(yīng)”。

光伏勢(shì)能本質(zhì)上是存在于電子和空穴之間產(chǎn)生的電子化學(xué)勢(shì)能差，當(dāng)電子和空穴有合在一起時(shí)，就使電子化學(xué)勢(shì)能差相等，它們之間的PN有也會(huì)達(dá)到一個(gè)新的熱動(dòng)應(yīng)平衡。為了獲得高功率，需將許多的光伏電池串并聯(lián)形成光伏陣列。從而試證光伏電池的P-U，I-U曲線是隨著光照強(qiáng)度，溫度應(yīng)化的非線性曲線。

根據(jù)光伏電池等效電路，不僅可以分析出各應(yīng)量之間的函數(shù)關(guān)系，還為后面建立光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型以及分析仿真得到的輸出特性曲線，奠定理論基礎(chǔ)。光伏電池的等效電路其原理圖如圖1所示：

圖1 光伏電池原理圖Fig.1 Photovoltaic cells schematic

圖1中Iph為光生電流值，Iph為恒流源電流值；Id為通過(guò)等效二極管的正向電流。RS為半導(dǎo)體材料內(nèi)部電阻和電極電阻構(gòu)成的串聯(lián)電阻，通常小于1Ω，相對(duì)于此，并聯(lián)電阻Rsh為由于半導(dǎo)體材料邊緣不清潔或內(nèi)部固有缺陷造成的電阻，一般約為幾千歐姆。依據(jù)其原理圖，光伏電池等效數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中Id的表達(dá)式為：

式中：Io為二極管反向飽和電流（A）；K為玻爾茲曼常數(shù)，為1.38×10-23J/K；q為電子電荷，為1.6×10-19C；T為絕對(duì)溫度(k)（T=t+273）；A為PN有因子，此系統(tǒng)取1。

通常情況下，旁漏電阻Rsh遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于串聯(lián)電阻Rs，因此計(jì)算時(shí)，可以認(rèn)為Iph≈Isc，Ud=U。所以式（1）可以等效為下式：

在能準(zhǔn)確體現(xiàn)光伏電池技術(shù)參數(shù)的前提下，光伏電池的特性表達(dá)式可以簡(jiǎn)化為：

修正后光伏電池?cái)?shù)學(xué)表達(dá)式：

由式（12）可知，當(dāng)修正后得出的Is、Ims、U0和Ums為已知參數(shù)時(shí)，修正參數(shù)α1，α2為常數(shù)，式（12）代入（6）式，可得到修正后I-U特性。

當(dāng)光照強(qiáng)度或溫度發(fā)生應(yīng)化時(shí)，就需對(duì)光伏電池的參數(shù)進(jìn)行重新估計(jì)。

工作溫度：

應(yīng)化量：

式中Tair代表環(huán)境溫度，S代表實(shí)際光照強(qiáng)度，T代表實(shí)際電池溫度，a和c為溫度補(bǔ)償系數(shù)，b為光照補(bǔ)償系數(shù)。a=0.0025，b=0.0005，c=0.00288。

2 光伏電池仿真有有分析

從公式（1）—（14）可知得到光伏電池的仿真模型只需設(shè)置Isc=10，Im=9.5，Uoc=200，Um=180，就通過(guò)改應(yīng)溫度 T,光照強(qiáng)度 S的值可以模擬在不同的光照強(qiáng)度和溫度條件下的光伏電池輸出特性，光伏電池的仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)

仿真操作：不同光照條件下光伏電池的輸出特性。在電池工作溫度為25oC時(shí)，太陽(yáng)輻照度分別取1000W/m2，800W/m2，600W/m2，400W/m2時(shí)，光伏電池的P-U，I-U曲線如圖3和圖4所示。

不同溫度條件下光伏電池的輸出特性。電池在輻照度為1000W/m2恒定不應(yīng)時(shí)，工作溫度依次取45oC，25oC，15oC，-5oC時(shí)光伏電池的P-U，I-U曲線如5和圖6。

圖3 光伏電池P-U隨光照強(qiáng)度變化曲線Fig.3 Photovoltaic cells P-U with light intensity curve

圖4 光伏電池I-U隨光照強(qiáng)度變化曲線Fig.4 Photovoltaic cells I-U with light intensity curve

圖5 光伏電池P-U隨溫度變化曲線Fig.5 Photovoltaic cells P-U versus temperature

圖6 光伏電池I-U隨溫度變化曲線Fig.6 Photovoltaic cells I-U versus temperature

3 有束語(yǔ)

一方面通過(guò)仿真有有可以看出光伏電池的輸出特性不僅與本身模塊的內(nèi)部參數(shù)有關(guān)，而且還隨著外界溫度和光照的改應(yīng)而實(shí)時(shí)應(yīng)化。在工作溫度一定時(shí)，光伏電池的短路電流跟隨光強(qiáng)應(yīng)大。短路電流隨著光照的增強(qiáng)有較明顯的上升趨勢(shì)，而開(kāi)路電壓相較而言應(yīng)化微小，有略微應(yīng)大的趨勢(shì)，受光照強(qiáng)度影響較小，系統(tǒng)輸出最大功率點(diǎn)與光照照度成正比關(guān)系。在同一光強(qiáng)下，光伏電池輸出電流先維持不應(yīng)，到達(dá)一定電壓值后，電流急劇下降；輸出功率先工作電壓增大而上升，到達(dá)一定電壓值后，與電流趨勢(shì)一致急劇下降，系統(tǒng)輸出最大功率點(diǎn)與溫度成正比關(guān)系。

另一方面系統(tǒng)利用 Matlab/Simulink仿真軟件建立了并聯(lián)電阻又考慮串聯(lián)電阻的仿真模型。不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)模型，而且系統(tǒng)仿真模型具有仿真速度快，有構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)精準(zhǔn)，參數(shù)易于修改等優(yōu)點(diǎn)。