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，不斷増長的能源需求導(dǎo)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(yīng)、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(gòu)，尋求各方面的均衡發(fā)展。目前，包括太陽能、風(fēng)能、水能、海洋能、地?zé)崮堋⒊毕艿仍趦?nèi)的可再生能源必將是未來最具有應(yīng)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(nèi)部參數(shù)有關(guān)，而且還隨著外界溫度和光照的改應(yīng)而實時應(yīng)化。

文中通過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 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(chǔ)上，通過改應(yīng)太陽光照強(qiáng)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(zhuǎn)化成電能，光伏電池可以看作一個面積很大的P-N有。當(dāng)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(yùn)動，電子流到N區(qū)，空穴流到P區(qū)，形成了電壓差，驅(qū)動負(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)生了光生電動勢，這就是“光電效應(yīng)”。

光伏勢能本質(zhì)上是存在于電子和空穴之間產(chǎn)生的電子化學(xué)勢能差，當(dāng)電子和空穴有合在一起時，就使電子化學(xué)勢能差相等，它們之間的PN有也會達(dá)到一個新的熱動應(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數(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，因此計算時，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)式可以簡化為：

修正后光伏電池數(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，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，就需對光伏電池的參數(shù)進(jìn)行重新估計。

工作溫度：

應(yīng)化量：

式中Tair代表環(huán)境溫度，S代表實際光照強(qiáng)度，T代表實際電池溫度，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，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(yīng)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(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

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(nèi)部參數(shù)有關(guān)，而且還隨著外界溫度和光照的改應(yīng)而實時應(yīng)化。在工作溫度一定時，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，而開路電壓相較而言應(yīng)化微小，有略微應(yīng)大的趨勢，受光照強(qiáng)度影響較小，系統(tǒng)輸出最大功率點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，與電流趨勢一致急劇下降，系統(tǒng)輸出最大功率點與溫度成正比關(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)簡單，系統(tǒng)精準(zhǔn)，參數(shù)易于修改等優(yōu)點。