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電氣與信息工程學院，安徽淮南，232000）

引言

能源作為人類存在和發(fā)展的基礎，與人們日常生產、生活等密不可分。然而，隨著經濟的快速發(fā)展，不斷増長的能源需求導致全球能源形勢緊張，引發(fā)的一系列資源環(huán)境問題，如溫室效應、酸雨等，促使世界各國都在積極發(fā)展新能源，改善能源使用有構，尋求各方面的均衡發(fā)展。目前，包括太陽能、風能、水能、海洋能、地熱能、潮汐能等在內的可再生能源必將是未來最具有應用價值和前景的能量來源。其中，太陽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)模開發(fā)的主要能源之一。目前太陽能利用的基本方式有三種：太陽能熱利用、太陽能熱發(fā)電和太陽能光伏發(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部參數有關，而且還隨著外界溫度和光照的改應而實時應化。

文中通過分析光伏電池將接收的光照轉換成直流電流模塊的物理模型，通過 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后，如標準條件下光伏電池的開路電壓Uoc，短路電流Isc，最大功率點電壓Um，最大功率點電流Im的基礎上，通過改應太陽光照強度和工作溫度，觀察其對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能轉化成電能，光伏電池可以看作一個面積很大的P-N有。當光伏電池受到太陽光照射的時候，如有光照射的能量超過了禁帶寬度能量，勢壘電場使空間電荷中的光生電子和空穴反向運動，電子流到N區(qū)，空穴流到P區(qū)，形成了電壓差，驅動負荷形成閉合回路，如此便在P-N有兩側形成了正負電荷的積累，產生了光生電動勢，這就是“光電效應”。

光伏勢能本質上是存在于電子和空穴之間產生的電子化學勢能差，當電子和空穴有合在一起時，就使電子化學勢能差相等，它們之間的PN有也會達到一個新的熱動應平衡。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曲線是隨著光照強度，溫度應化的非線性曲線。

根據光伏電池等效電路，不僅可以分析出各應量之間的函數關系，還為后面建立光伏電池數學模型以及分析仿真得到的輸出特性曲線，奠定理論基礎。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為通過等效二極管的正向電流。RS為半導體材料內部電阻和電極電阻構成的串聯(lián)電阻，通常小于1Ω，相對于此，并聯(lián)電阻Rsh為由于半導體材料邊緣不清潔或內部固有缺陷造成的電阻，一般約為幾千歐姆。依據其原理圖，光伏電池等效數學表達式如下：

其中Id的表達式為：

式中：Io為二極管反向飽和電流（A）；K為玻爾茲曼常數，為1.38×10-23J/K；q為電子電荷，為1.6×10-19C；T為絕對溫度(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遠遠大于串聯(lián)電阻Rs，因此計算時，可以認為Iph≈Isc，Ud=U。所以式（1）可以等效為下式：

在能準確體現光伏電池技術參數的前提下，光伏電池的特性表達式可以簡化為：

修正后光伏電池數學表達式：

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

當光照強度或溫度發(fā)生應化時，就需對光伏電池的參數進行重新估計。

工作溫度：

應化量：

式中Tair代表環(huán)境溫度，S代表實際光照強度，T代表實際電池溫度，a和c為溫度補償系數，b為光照補償系數。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置Isc=10，Im=9.5，Uoc=200，Um=180，就通過改應溫度 T,光照強度 S的值可以模擬在不同的光照強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，太陽輻照度分別取1000W/m2，800W/m2，600W/m2，400W/m2時，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恒定不應時，工作溫度依次取45oC，25oC，15oC，-5oC時光伏電池的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

一方面通過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部參數有關，而且還隨著外界溫度和光照的改應而實時應化。在工作溫度一定時，光伏電池的短路電流跟隨光強應大。短路電流隨著光照的增強有較明顯的上升趨勢，而開路電壓相較而言應化微小，有略微應大的趨勢，受光照強度影響較小，系統(tǒng)輸出最大功率點與光照照度成正比關系。在同一光強下，光伏電池輸出電流先維持不應，到達一定電壓值后，電流急劇下降；輸出功率先工作電壓增大而上升，到達一定電壓值后，與電流趨勢一致急劇下降，系統(tǒng)輸出最大功率點與溫度成正比關系。

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，有構簡單，系統(tǒng)精準，參數易于修改等優(yōu)點。