基于simcape的太陽能垃圾桶光伏發(fā)電特性研究

藍平，王剛，趙宏晨，蔣圣

(1．貴州理工學院機械工程學院，貴州 貴陽 550003；2．沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110023)

0 引言

太陽能作為一種清潔能源，能夠解決環(huán)保和能源問題，已經(jīng)得到了廣泛的應用。為了防止垃圾桶內(nèi)的垃圾溢出，實現(xiàn)垃圾桶的智能化和自動化，需要能源來驅(qū)動其壓縮機構(gòu)，故將太陽能電池應用在垃圾桶上具有很好的實用價值[1，2]。

在太陽能垃圾桶的設計研究中，選擇廉價高效的太陽能電池至關(guān)重要。為了研究不同日照和溫度下，太陽能電池的發(fā)電特性是否滿足垃圾桶的功率需求，需要研究其光伏發(fā)電特性，故有必要建立其精確的數(shù)學模型進行仿真分析。在光伏電池的數(shù)學模型中，有經(jīng)典的工程用光伏電池模型。如文獻[3-5]研究了工程用的光伏電池模型，研究表明該模型適合硅晶體的太陽能電池。文獻[6]應用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡擬合光伏電池的非線性模型，取得了較高的精度。文獻[7]應用Bezier函數(shù)進行了光伏電池的模型簡化。除了上述模型外，還有經(jīng)典的單二極管非線性電流模型，該模型較為復雜，但實驗表明其準確度較高[8]。為了對光伏電池進行仿真分析，通常采用matlab或者simulink進行數(shù)值仿真，并普遍采用工程用的數(shù)學模型或擬合模型，難以反映實際的光電熱耦合效應，且大部分仿真手段并未考慮實際的日照變化和熱流效應[9]。

在光伏電池工作時，為了使其發(fā)電功率工作在最佳狀態(tài)，需要研究在不同光照和溫度下的I—V及P—V特性。文獻[10]應用matlab軟件研究了光伏電池的I—V特性，得到了其最佳功率點。為了選取合適的光伏電池型號，需要通過仿真來驗證其是否滿足設計需求。不同于以往的研究，本文應用可視化程度更高的simcape軟件來搭建光伏電池的非線性物理模型，并考慮了熱流效應，提高了仿真的精確度。研究表明仿真模型得到的STC數(shù)據(jù)與實測接近，滿足工程要求。最后以貴陽某時段的日照數(shù)據(jù)為例，分析了變?nèi)照諚l件下的光伏電池的功率特性。該研究能為光伏電池的仿真研究及太陽能垃圾桶的設計提供有價值的參考。

1 太陽能垃圾桶結(jié)構(gòu)

太陽能垃圾桶結(jié)構(gòu)主要由太陽能板、電機、傳感器、減速機構(gòu)、往復絲桿、移動桿等組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

太陽能垃圾桶的結(jié)構(gòu)采用對稱性分布設計，當傳感器檢測到垃圾超出界限時，在電機驅(qū)動下，動力通過減速機構(gòu)降速改變其傳遞方向，使其向往復絲桿傳遞足夠的力，最后借助連桿機構(gòu)使壓板起到壓縮的作用。當壓力足夠大時，停止壓縮。借助往復絲桿讓移動桿做周期性地運動，使與移動桿相連的連桿機構(gòu)具有做伸縮的功能。

發(fā)電裝置為半導體二極管組成的太陽能光伏電池，是基于太陽光照射在P-N結(jié)上，半導體捕獲部分光子所形成的空穴-電子對，進而形成電勢差，即形成帶正電的P型半導體和帶負電的N型半導體，形成為負載工作所需要的電流。

2 光伏電池數(shù)學模型

2.1 非線性電流模型

單個光伏電池的I—V電路可用圖2的單二極管等效電路表示，其中包含一個光電流發(fā)生器、一個二極管和串并聯(lián)電阻以及可控電壓源。單二極管等效電路用于表達晶體硅的光伏電池的特性具有很高的精確性。

結(jié)合圖2和基爾霍夫定律，光伏電池的非線性數(shù)學模型由五部分組成。考慮電池的串并聯(lián)特性，則光伏陣列的光生電流方程為：

(1)

二極管飽和電流方程為：

(2)

逆飽和電流方程為：

(3)

分流電阻電流方程為：

(4)

輸出電流方程為：

(5)

公式(1)-(5)為光伏陣列的非線性指數(shù)超越方程，難以得出解析解，在本文仿真中，用牛頓迭代的數(shù)值解法求解。該方程相對于經(jīng)典的硅電池工程用數(shù)學模型[3-5]復雜，但模型精確度高，能夠較精確地模擬光電熱耦合效應。其中模型參數(shù)及定義如表1所示。表中STC表示廠商出廠測試的標準條件，即光照度1 000 W/m2，電池溫度25°C，大氣質(zhì)量1.5。

表1 模型參數(shù)

2.2 熱力學模型

在仿真過程中，光伏電池的熱流主要由內(nèi)部和外部組成，內(nèi)部主要為電阻消耗的熱量。外部為空氣與太陽板之間的熱輻射和熱傳導。為了仿真系統(tǒng)的熱流對溫度的影響，需要建立太陽能板和空氣及光照間的熱力學模型。其中光照產(chǎn)生的熱流計算式如下：

Q1=1r×A×φ

(6)

式中φ為光照傳熱效率，取值為0.3，A為太陽能板有效面積。

空氣與太陽能板的熱輻射計算式為：

Q2=k×A×(T4-Ta4)

(7)

式中k為熱輻射系數(shù)。取值為2×10-8W/(m2K)，Ta為空氣溫度。

空氣與太陽能板的熱傳導計算式為

Q3=λ×A×(T-Ta)

(8)

式中λ為熱傳導系數(shù)，取值為20W/(m2K)

總的熱流計算式為

Q=Q1+Q2+Q3

(9)

3 P—V和I—V特性仿真

為了分析所設計光伏電池的P—V和I—V特性，首先建立光伏電池的simcape模型，如圖3所示。在仿真中，設置測試電壓為0-40V的斜坡信號。選取的太陽能板的型號為Eagle 60P Watt多晶硅太陽能組件，其出廠STC電氣參數(shù)為：有效面積A=1.6 m2，電池厚度為35 mm，開路電壓Voc=39.1 V，短路電流lsc=9.15 A，最大功率275 W。短路電流溫度系數(shù)0.06 %/℃，最大功率溫度系數(shù)-0.38 %/℃，如圖4所示。

為了取得最大功率點電壓，應用搭建的simcape模型進行數(shù)值仿真。不同溫度和日照度的I—V特性和P—V特性曲線如圖5所示，其中測試溫度為25 ℃和50 ℃，測試的日照度分別為200 W/m2、500 W/m2、1000 W/m2。從圖5中I—V特性曲線可知，隨著電壓增大，電流逐漸減小，且在相同的日照度下，短路電流隨溫度提高而減小。從P—V特性曲線可知，每一條曲線對應一個功率峰值，且功率峰值對溫度和日照度的變化較為敏感。溫度越低，日照度越大，其峰值功率越大。為了得到最佳工作功率，取得不同條件下最大功率點電壓至關(guān)重要。

表2為仿真與實測功率對比，從表2可知，在STC條件下，仿真的最大功率與測試最佳功率誤差在1%之內(nèi)，符合工程要求。由圖4的最大功率溫度系數(shù)可知，在其他溫度下，數(shù)據(jù)也基本吻合。由于非線性指數(shù)超越方程精確度最高，故該模型可較好地反映光伏發(fā)電特性。

表2 仿真與實測最佳功率對比

為了使光伏電池工作在最佳功率點，需要測得最大功率點電壓。應用simcape模型，分別測試9組不同溫度和日照度下的最大功率點電壓，如表3所示。應用thin-plate樣條插值法得到圖6所示的三維擬合曲面，圖中黑點為仿真得到的最佳功率點。故在設計逆變器時，可應用曲面的數(shù)據(jù)點來創(chuàng)建2D-Look-up表來產(chǎn)生最佳工作電壓。

表3 最大功率點電壓

4 變?nèi)照諚l件下的simcape模型及發(fā)電特性

為了模擬變?nèi)照諚l件下的光伏發(fā)電特性，搭建如圖7所示的simcape光伏電池熱電耦合仿真模型。在該模型中，應用上節(jié)得到的最優(yōu)功率操作點擬合曲面建立優(yōu)化的Look-up表，并考慮太陽能板和空氣的熱力學效應，假定DC-AC變換器的效率為97%。環(huán)境輸入包括日照度Irrad和環(huán)境溫度Tatm。

以貴陽某晴天某時段下的日照度數(shù)據(jù)(1h)為例進行仿真分析，其輸入值如圖8所示。從圖8可知，隨著日照度和空氣溫度的增大，光伏電池的發(fā)電功率達到最大的234 W，最低的發(fā)電功率為81W。故能夠滿足太陽能垃圾桶的發(fā)電功率需求。太陽能板的溫度顯然和日照度及環(huán)境溫度有關(guān)，在兩者最大時，達到峰值。仿真較好的反映了變?nèi)照諚l件下光伏電池發(fā)電特性，與實際情況相符。

5 結(jié)語

為了分析不同工況下太陽能垃圾桶的光伏電池發(fā)電特性，搭建了基于simcape的光伏電池模型。數(shù)值仿真驗證了所選型號電池的可行性，能夠滿足太陽能垃圾桶的功率需求。該模型采用經(jīng)典的單二極管非線性模型，模型精確度高，符合實際的測試數(shù)據(jù)。最后以某時段的日照數(shù)據(jù)為例，仿真得出光伏電池的最優(yōu)功率特性曲線。該研究能夠為光伏電池提供有效的仿真手段，并為后續(xù)的充放電研究提供有價值的理論參考。