茹 珂 劉勝華 朱婧楠 李譚欣 羅歆昱

(中國礦業(yè)大學(xué)〈北京〉機(jī)電與信息工程學(xué)院,中國 北京 100083)

0 前言

目前世界能源短缺與環(huán)境惡化的加劇使得人類加快了研究新能源的步伐。由于太陽能分布廣泛、蘊(yùn)藏豐富，因此太陽能發(fā)電被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的清潔能源[1-2]。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)中太陽能電池是最重要的組件，它將太陽能轉(zhuǎn)換為可以利用的電能。由于太陽能組件的特殊性，發(fā)展太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的初期投資較大，且目前太陽能電池板壽命有限，因此需要提高發(fā)電以及轉(zhuǎn)換效率從中獲得更多的能量[3]。為了從中獲得更多的能量，需要針對性的對太陽能電池的特性進(jìn)行分析。同時為了控制系統(tǒng)可以明確太陽能電池工作點位置，本文在驗證太陽能電池曲線的基礎(chǔ)上應(yīng)用DSP2812繪制動態(tài)光伏曲線圖。同時本實驗也可用做教學(xué)，加深同學(xué)對太陽能電池特性的了解。

1 光伏電池工程數(shù)學(xué)模型

太陽能電池的基本原理是光生伏特效應(yīng)，是指光線照射在太陽能電池板。電池板吸收了光子的能量，從而產(chǎn)生激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴對。在這種效應(yīng)之下，電池板內(nèi)部產(chǎn)生電場，電池輸出端產(chǎn)生電動勢。當(dāng)電池板的輸出端連接負(fù)載之后，就會產(chǎn)生電流，獲得電能。這就是電池板發(fā)電的基本原理[4]。太陽能電池板結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 光伏電池結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Solar Cell

本文應(yīng)用于太陽能電池的仿真數(shù)學(xué)模型如下[5]：

其中I為光伏電池輸出電流；V為光伏電池輸出電壓；Isc為短路電流；Voc為開路電壓；Im為最大功率點電流；Voc為最大功率點電壓；

考慮太陽輻射以及溫度變化對太陽能電池的影響之后，公式變?yōu)椋?/p>

R與Tc分別為當(dāng)前的光照強(qiáng)度以及溫度；

R與Tref分別為光照強(qiáng)度與溫度的參考值，分別為1kW/m2,25℃;

α為在參考日照條件下，太陽能電池的電流溫度變化系數(shù)；β為在參考日照條件下，太陽能電池的溫度變化系數(shù)；Rs為太陽能電池板的串聯(lián)電阻；

通過上述模型將復(fù)雜的光伏電池簡化為由光照R、溫度Tc、短路電流Isc、開路電壓Voc、最大功率點電流Im、最大功率點電壓Voc這些已知量的關(guān)系式。

2 基于MATLAB的太陽能仿真模型

圖2 太陽能電池板仿真模型Fig.2 The simulation module of the Solar Cell

根據(jù)上述的關(guān)系式對電池板進(jìn)行仿真，在simulink中將計算的公式模塊化可得太陽能電池的仿真圖[6]，參數(shù)如圖2所示。

根據(jù)上述仿真，電壓為給定信號，其值由0按以斜率為1上升至開路電壓VOC，運行上圖仿真可得在該參數(shù)下P-V與I-V的關(guān)系為：

圖3 仿真的P-V和I-V曲線Fig.3 The P-V and I-V waveform of simulation

3 驗證分析

在實驗室內(nèi)對與仿真參數(shù)相同的太陽能電池板進(jìn)行實驗。太陽光輻射強(qiáng)度取為l kW／m2，環(huán)境溫度選取25℃，最大功率點電壓為17.5V，最大功率點電流為 3.43A，開路電壓為 21.3V，短路電流 3.74A。實驗使用鹵素?zé)魹檎丈涔庠?，一定程度上保證了實驗的準(zhǔn)確性。將光伏電池輸出端接至電子負(fù)載，分別在不同的電壓下獲取30個點作為一組數(shù)據(jù)。在測量多組數(shù)據(jù)之后，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并輸入MATLAB中后得到下面的曲線。

圖4為太陽能電池板P-V曲線：

圖4 太陽能電池板實驗的P-V曲線Fig.4 The P-V waveform of experiment

圖5為太陽能電池板I-V曲線：

圖5 太陽能電池板實驗的I-V曲線Fig.5 The I-V waveform of experiment

通過圖中的數(shù)據(jù)，可以看出實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果是相吻合的。證明公式推導(dǎo)以及仿真的準(zhǔn)確性，為以后工程使用提供了論據(jù)。

4 光伏特性曲線的圖像化

根據(jù)上述中推導(dǎo)的公式，基于DSP2812單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行光伏曲線特性圖像化的工作。

分別使用光照傳感器與溫度傳感器實時采集目前的溫度與光照情況，通過DSP2812對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并進(jìn)行內(nèi)部處理之后顯示在128*64的液晶顯示屏上。硬件電路如下圖所示：

圖6 圖像化實際電路Fig.6 Visualization of the actual circuit

實驗結(jié)果如下，顯示屏可以實時顯示目前溫度，光照條件之下的太陽能電池特性曲線。如圖7所示：

圖7 U-I特性的顯示Fig.7 U-I characteristic display

在運用進(jìn)行編程的過程中出現(xiàn)了兩個難題，一個是圖像的不連續(xù)問題，一個是參數(shù)發(fā)生變化后圖像不能清除之前被點亮的點的問題。在處理第一個問題時，采用整行檢查是否有點亮點的方法，如果沒有點亮點則將上一行被點亮點的縱坐標(biāo)為本行點亮點的縱坐標(biāo)，進(jìn)行點亮；在處理第二個問題時采用在本行點亮下一個點時掃描是否有被點亮點，有則將此點消除在進(jìn)行點點操作。

5 結(jié)論

光伏陣列的I—V特性除了與光伏電池模塊參數(shù)有關(guān)以外，還與環(huán)境溫度，太陽輻射強(qiáng)度有關(guān)。本文不僅利用實際搭建的實驗平臺測量了實驗數(shù)據(jù)，然后對所用電池板的輸出特性進(jìn)行仿真，還利用在MATLAB仿真環(huán)境下直接建立太陽能電池的仿真模型來動態(tài)跟蹤環(huán)境溫度、太陽輻射強(qiáng)度等參數(shù)的變化，還用DSP2812實現(xiàn)了顯示屏顯示了I-V曲線因環(huán)境溫度，太陽輻射強(qiáng)度變化而變化動態(tài)過程。使控制系統(tǒng)可以明確太陽能電池工作點位置，同時本實驗也可用做教學(xué)，加深同學(xué)對太陽能電池特性的了解。

［1］孫本新.太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置[D].大連理工大學(xué)，2002.

［2］趙為.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2003.

［3］黃紅橋，危韌勇，陳有根，楊金.光伏并網(wǎng)微逆變器研究中的關(guān)鍵技術(shù)[J].變頻器世界，2012（3）：53-61.

［4］陳昌喆.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究與設(shè)計[D].武漢理工大學(xué)，2010.

［5］董振利.基于DSP與dsPIC的數(shù)字式太陽能電池陣列模擬器研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

［6］林飛,杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].中國電力出版社，2008.