肖文波,余曉鵬,龔勇清

(南昌航空大學(xué) 國家級大學(xué)物理實驗教學(xué)示范中心,江西 南昌 330063)

當(dāng)今,光伏產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展,對產(chǎn)業(yè)人才也有大量的需求[1]. 為了適應(yīng)這種趨勢,許多高校開設(shè)了相關(guān)課程及實驗. 但是光伏發(fā)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(guān)理論教學(xué)難以形象闡述教學(xué)內(nèi)容;且光伏發(fā)電技術(shù)屬于新課程,受到實驗設(shè)備、實驗人員等的限制, 大規(guī)模開展相關(guān)的實驗教學(xué)內(nèi)容存在難度[2-3]. 隨著Matlab /Simulink 仿真語言在教學(xué)中日益廣泛的應(yīng)用,國內(nèi)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(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時加深對知識點的理解與掌握,因此開發(fā)與開展虛擬實驗教學(xué)顯得極其重要. 這不僅提高了實驗教學(xué)質(zhì)量[8],更可以改進(jìn)理論課程教學(xué)效果[9,10],提高本科教育質(zhì)量[11].

為此,本文結(jié)合光伏電池的等效電路原理以及Matlab/Simulink語言[12-13], 開發(fā)了光伏電池發(fā)電仿真實驗. 該仿真實驗的目的,是幫助學(xué)生了解光伏電池發(fā)電的基本原理與特征,認(rèn)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(guī)律.

1 光伏電池模型以及仿真電路的建立

光伏電池是根據(jù)光伏效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件,其基本結(jié)構(gòu)類似于PN結(jié). 通常單塊的光伏電池等效為由恒流源、二極管、并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻組成的電路結(jié)構(gòu)[14],其等效電路如圖1所示.

圖1 光伏電池等效電路圖

根據(jù)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(fù)載上電流,Iph為光生電流,Id為二級管上電流,Ish為并聯(lián)電阻上電流,I0為二極管反向飽和電流,q為電子電荷常數(shù),V為負(fù)載上電壓,Rs為串聯(lián)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(lián)電阻.

式(1)是超越方程,無法用于計算模擬光伏發(fā)電特征. 由此,需要根據(jù)廠家提供的光伏電池板標(biāo)準(zhǔn)條件(光照強度為1 000 W/m2,電池溫度25 ℃)下的參量進(jìn)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(lián)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(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮?所以可以認(rèn)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(jù)光伏電池板標(biāo)準(zhǔn)條件下的參量Isc,Voc,Im,Vm就可以解出C1和C2,結(jié)果為

(3)

(4)

由光伏電池板標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(shù)系數(shù)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(shù)學(xué)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(jié)果與討論

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(qū)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(jié)果一致[16]. 以上仿真結(jié)果證實了所搭建的仿真電路是正確的,此外也引導(dǎo)學(xué)生通過仿真實驗合理理解溫度對電池發(fā)電性能的影響規(guī)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(qū)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(qū)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(jié)果一致[15]. 以上仿真結(jié)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(qū)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(jié)束語

基于Matlab/Simulink 模擬演示光伏發(fā)電過程, 加深了學(xué)生對光伏發(fā)電技術(shù)相關(guān)理論的理解. 學(xué)生可以直觀、形象地觀察到環(huán)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(xué)效果和提高了教學(xué)質(zhì)量，同時也解決了長期以來光伏發(fā)電技術(shù)缺少相對豐富的實驗教學(xué)狀況,為光伏發(fā)電技術(shù)等相關(guān)課程的實驗教學(xué)提供了新的途徑及方法.