光伏電池發電仿真實驗

肖文波,余曉鵬,龔勇清

(南昌航空大學 國家級大學物理實驗教學示范中心,江西 南昌 330063)

當今,光伏產業得到了快速發展,對產業人才也有大量的需求[1]. 為了適應這種趨勢,許多高校開設了相關課程及實驗. 但是光伏發電的特征受到外界溫度、遮蔭方式、光照強度等因素的影響,相關理論教學難以形象闡述教學內容;且光伏發電技術屬于新課程,受到實驗設備、實驗人員等的限制, 大規模開展相關的實驗教學內容存在難度[2-3]. 隨著Matlab /Simulink 仿真語言在教學中日益廣泛的應用,國內外高校都將其作為虛擬仿真的首選工具[4-7]. 仿真虛擬實驗不僅避免了實驗條件等限制,而且學生在學習理論知識的同時加深對知識點的理解與掌握,因此開發與開展虛擬實驗教學顯得極其重要. 這不僅提高了實驗教學質量[8],更可以改進理論課程教學效果[9,10],提高本科教育質量[11].

為此,本文結合光伏電池的等效電路原理以及Matlab/Simulink語言[12-13], 開發了光伏電池發電仿真實驗. 該仿真實驗的目的,是幫助學生了解光伏電池發電的基本原理與特征,認識Matlab/Simulink語言的仿真使用方法;實踐中通過仿真光伏電池輸出的電流電壓特性,得到了光強與溫度對光伏電池輸出電壓、電流以及功率的影響規律.

1 光伏電池模型以及仿真電路的建立

光伏電池是根據光伏效應把光能轉化為電能的半導體器件,其基本結構類似于PN結. 通常單塊的光伏電池等效為由恒流源、二極管、并聯電阻和串聯電阻組成的電路結構[14],其等效電路如圖1所示.

圖1 光伏電池等效電路圖

根據等效電路圖,可知電流輸出方程式為

I=Iph-Id-Ish=

(1)

式中，I為負載上電流,Iph為光生電流,Id為二級管上電流,Ish為并聯電阻上電流,I0為二極管反向飽和電流,q為電子電荷常數,V為負載上電壓,Rs為串聯電阻,n為二極管理想因子,k為玻爾茲曼常量,T為測試時電池溫度,Rsh為并聯電阻.

式(1)是超越方程,無法用于計算模擬光伏發電特征. 由此,需要根據廠家提供的光伏電池板標準條件(光照強度為1 000 W/m2,電池溫度25 ℃)下的參量進行化簡后仿真電池特征[15],參量包括：Isc(短路電流),Voc(開路電壓),Im(最大電流),Vm(最大電壓). 在式(1)中,由于并聯電阻分非常大,可以忽略方程的最后一項;而在式(1)中,由于Rs遠小于二極管正向導通電阻,所以可以認為Isc=Iph(Iph為光電流). 由此,式(1)光伏電池的模型可以簡化為

(2)

根據光伏電池板標準條件下的參量Isc,Voc,Im,Vm就可以解出C1和C2,結果為

(3)

(4)

由光伏電池板標準條件下的Isc,Ioc,Im,Vm,可以得到新的光照強度G下和新的溫度T下的Isc′,Voc′,Im′,Vm′,由此得到在該條件下的伏安特性曲線，具體表達式為

TD=T-Tref,

(5)

(6)

(7)

Voc′=(1-c·TD)ln (1+b·GD),

(8)

(9)

Vm′=Vm(1-c·DT)ln (1+b·GD),

(10)

式中TD,T和Tref分別溫度差別、新的溫度、參考溫度;GD,G和Gref分別光強差別、新的光強和參考光強;常數系數a,b,c的值分別為a=0.002 5,b=0.5,c=0.002 88.

由式(2)～(10)建立的仿真模型如圖2所示，包含的Simulink子模塊有TD子模塊、Isc′子模塊、Im′子模塊、Voc′子模塊、Vm′子模塊、C1子模塊和C2子模塊;通過乘積運算、除法運算、加法運算等數學運算操作后,輸出電流I.

圖2 光伏電池的仿真模型

2 仿真結果與討論

根據標準情況下短路電流Isc=4.75 A，開路電壓Voc=21.25 V，最大功率點處的電流Im=4.51 A，最大功率點處的電壓Vm=17.25 V,仿真不同溫度和光強下的I-V以及P-V輸出特性,結果如圖3～6所示.

從圖3可以看出,光強不變情況下,溫度在0～100 ℃變化區間,電池的開路電壓隨溫度升高而下降,短路電流隨溫度升高而增大,與實驗結果一致[16]. 以上仿真結果證實了所搭建的仿真電路是正確的,此外也引導學生通過仿真實驗合理理解溫度對電池發電性能的影響規律.

圖3 1 000 W/m2光強下不同溫度I-V特性曲線

從圖4可以看出,光強不變情況下,溫度在0～100 ℃變化區間,電池的輸出功率隨溫度的升高而下降. 主要原因是電池的電壓隨溫度升高而下降,這說明高溫下電池的功率輸出反而會下降.

圖4 1 000 W/m2光強下不同溫度P-V特性曲線

從圖5可以看出溫度不變情況下,光強在400～1 200 W/m2變化區間,電池的開路電壓隨光照強度的升高而緩慢升高,而短路電流隨光強的變化劇烈變化,且隨光強的升高而劇烈升高. 與實驗結果一致[15]. 以上仿真結果也證實了所搭建的仿真電路是正確的.

圖5 25 ℃時不同光照I-V特性曲線

從圖6可以看出溫度不變情況下,光強在400～1 200 W/m2變化區間,電池功率隨光照強度的升高而升高. 這說明光照強度的提高是提升電池輸出功率的主要原因.

圖6 25 ℃時不同光照P-V特性曲線

3 結束語

基于Matlab/Simulink 模擬演示光伏發電過程, 加深了學生對光伏發電技術相關理論的理解. 學生可以直觀、形象地觀察到環境參量變化對光伏特性的影響,增強了工程意識,改善了教學效果和提高了教學質量，同時也解決了長期以來光伏發電技術缺少相對豐富的實驗教學狀況,為光伏發電技術等相關課程的實驗教學提供了新的途徑及方法.