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        光伏電池的模型建立及仿真波形分析

        2022-08-16 05:20:20航天科工慣性技術(shù)有限公司趙學(xué)薈朱配清
        電力設(shè)備管理 2022年14期
        關(guān)鍵詞:單晶硅電池板特性

        航天科工慣性技術(shù)有限公司 趙學(xué)薈 朱配清

        1 光伏電池的發(fā)展及應(yīng)用

        光伏電池本身就是光伏組件的一種重要表現(xiàn)和運(yùn)作形態(tài),分為單晶硅光伏電池以及多晶硅光伏電池兩種。單晶硅光伏電池應(yīng)用較為廣泛,主要是以高純度的單晶硅棒為原材的太陽能電池板,目前廣泛應(yīng)用于光伏市場中。單晶硅光伏組件光電轉(zhuǎn)換率高,在弱光條件下更具優(yōu)勢,目前實(shí)驗(yàn)室測試的單晶硅電池板最高光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)突破26%。按照國家規(guī)定,常規(guī)單晶硅電池組件光電轉(zhuǎn)換效率不低于16.8%才可進(jìn)入市場銷售。多晶硅光伏電池組件由多晶太陽能電池片串、并聯(lián)組成,性價(jià)比高,相關(guān)規(guī)定,多晶硅光伏電池的發(fā)電效率不得低于16%。多晶硅光伏電池板雖然在轉(zhuǎn)換效率上相對略低,但生產(chǎn)多晶硅電池過程中消耗的能量比單晶硅電池板減少約30%,故多晶硅電池板組件的應(yīng)用更為普遍。

        對于絕大多數(shù)使用者來說,單晶硅電池板和多晶硅電池板沒有太大的區(qū)別,其壽命和穩(wěn)定性都很好,應(yīng)用于小功率發(fā)電系統(tǒng)時,兩種電池板并沒有明顯的優(yōu)勢表現(xiàn)出來,兩種光伏電池板的應(yīng)用條件基本相同。但在光伏電站的應(yīng)用中,多晶硅電池板遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單晶硅電池板。

        目前,隨著制造技術(shù)的進(jìn)一步提高,單晶硅電池板的轉(zhuǎn)化效率在不斷提升的同時,制造成本也在逐步下降,相信在不久的將來單晶硅電池板會成為光伏系統(tǒng)發(fā)電的主力,并得到更過認(rèn)可和應(yīng)用。

        2 光伏電池的工作原理

        光伏電池是一種基于半導(dǎo)體的光生伏打效應(yīng)產(chǎn)生電能的設(shè)備,主要依靠進(jìn)行能量續(xù)航的太陽能電池,其整體構(gòu)件中包含若干PN結(jié),進(jìn)而組成一個大型的二極管設(shè)備,發(fā)揮能量供應(yīng)的實(shí)際作用。光生伏打效應(yīng)具有較好的實(shí)踐作用,通過半導(dǎo)體接受太陽光照射進(jìn)行能量儲備,通過光的吸收和反射作用,促進(jìn)被吸收的光進(jìn)行能量形態(tài)的轉(zhuǎn)變,進(jìn)而生成為熱能;同時保障吸收的另一部分光實(shí)施能量供應(yīng),轉(zhuǎn)化為電能促進(jìn)后續(xù)的使用。

        半導(dǎo)體具有自身的獨(dú)特物理性質(zhì),可以通過PN結(jié)的存在實(shí)施調(diào)節(jié)的效果,促進(jìn)電子流向N區(qū)和P區(qū),通過N區(qū)過剩的電子,以及P區(qū)過剩的空穴,形成方向相反的光生電場,進(jìn)而在P區(qū)與N區(qū)之間產(chǎn)生電動勢光。同時,還要進(jìn)行技術(shù)手段的輔助,在P區(qū)和N區(qū)薄層內(nèi)加裝金屬引線,接通負(fù)載,當(dāng)光線照射的時候,由N型區(qū)產(chǎn)生的自由電子更容易吸附光子的能量,吸收了能量的電子會自由移動,而自由移動的電子更容易被P型區(qū)的空穴吸附,這樣在宏觀上就產(chǎn)生了單向流動的電子流,也就是產(chǎn)生了電流,如此便形成的一個電池元件,把這些光伏電池元件相互串、并聯(lián)起來組成光伏電池陣列,就能產(chǎn)生一定的電壓、電流,從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換輸出可付諸使用的電能。

        3 光伏電池等效電路及數(shù)學(xué)模型

        圖1是光伏電池的等效電路圖,光伏電池可理解為一種非線性的直流電源,可以實(shí)現(xiàn)能源的輔助作用,實(shí)現(xiàn)恒流源等效的實(shí)際保障效果。在進(jìn)行線路構(gòu)建時,可以將恒流源與二極管并聯(lián),之后構(gòu)建等效并聯(lián)電阻Rsh的整體布局。之后可以進(jìn)行設(shè)備的串聯(lián),通過串聯(lián)Rs等效電阻完成電路等效,等效器件均按照理想元器件模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。負(fù)載選擇純阻性負(fù)載,此負(fù)載作用下光伏電池板的輸出電壓和電流成線性關(guān)系。該等效方式能有效的化簡模型結(jié)構(gòu),在后續(xù)的仿真分析中帶來得到較為理想的仿真結(jié)果。

        圖1 光伏電池等效電路

        光伏組件輸出電流具體表達(dá)式為:

        公式(1)中:IL為光生電流;IO為反向飽和電流;q為電子電荷(q=1.6×10-19C);Upv為光伏組件端電壓;Rs主要是提供串聯(lián)電阻功用;A為整體電路中的二極管常數(shù)因子;K屬于玻爾茲曼常數(shù)的構(gòu)建領(lǐng)域,整體表達(dá)式為(K=1.38×10-23J/K);T為光伏組件工作時的溫度。上述所有參數(shù)組成的光伏組件電流表達(dá)式,能非常精確的反映輸出電流和各個變量之間的關(guān)系,但在實(shí)際分析仿真中的困難,在實(shí)際的工程應(yīng)用中往往需要簡化。

        方程中的5個參數(shù):IL、IO、A、Rs和Rsh,在日常觀測中具有較多的變量,必須綜合考慮其日照與溫度的影響,剔除這些變化的因素進(jìn)行考量,確保最終的設(shè)計(jì)構(gòu)想便于實(shí)際工程應(yīng)用,忽略在實(shí)際分析使用中不重要的因素,確保重要參數(shù)不能被忽視,但整體能反映出光伏電池板的主要性能屬性。結(jié)合工程應(yīng)用因素展開設(shè)計(jì)和構(gòu)建行為[1],提出了一種通過短路電流Isc、開路電壓Voc、最大功率點(diǎn)電流Im和最大功率點(diǎn)電壓Vm來確定的數(shù)學(xué)模型。工程數(shù)學(xué)模型以下面兩個假設(shè)為基礎(chǔ)[2]。

        一是Rsh非常大,故(Upv+IpvRs)/Rsh項(xiàng)很小,與光生電流的值相比可以忽略。二是設(shè)定IL=Isc,因?yàn)橐话闱闆r下Rs非常小,遠(yuǎn)小于二極管的導(dǎo)通電阻。并定義:在開路條件下,Ipv=0,Upv=Voc;在最大功率點(diǎn)時,Ipv=Im,Upv=Vm。

        根據(jù)上述兩個假設(shè),光伏電池的I-V特性方程可簡化為:

        兩個中間變量C1與C2的表達(dá)式為:

        當(dāng)日照強(qiáng)度與電池溫度變化時,重新計(jì)算I'sc、V'oc、I'm、V'm,然后重新求出C1、C2,即可得到新的光伏電池特性曲線:

        4 光伏電池matlab模型的建立

        在確定光伏電池工程數(shù)學(xué)模型中三個常數(shù)的數(shù)值,其中a=0.0025,b=0.5,c=0.00288的前提下,以國產(chǎn)某廠生產(chǎn)的單晶硅光伏電池元件組成的光伏電池板為參考,Isc=3.21、Voc=42.48、Im=2.84、Vm=35.28(在此過程中要關(guān)注日照強(qiáng)度,保障具體的變化范圍在1kW/㎡以內(nèi)、電池溫度符合25℃的實(shí)際作業(yè)需求,同時結(jié)合實(shí)際需求選取最大功率點(diǎn)功率)的電池板效能作為實(shí)際的保障能源和參考,根據(jù)公式(2)至(10)的整體數(shù)據(jù)邏輯,在此基礎(chǔ)上建立電池仿真模型,綜合觀測電池特性仿真模型的實(shí)際運(yùn)行狀況。最終和實(shí)際光伏電池板的輸出波形進(jìn)行對比分析,確保其能真正反映光伏電池板的實(shí)際輸出特性,為后續(xù)光伏系統(tǒng)的最大功率追蹤分析提供前提條件。

        同時,還要提升數(shù)據(jù)化手段的參與效果,使用MATLAB 2018b軟件實(shí)施技術(shù)革新,在全面考量實(shí)際性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)仿真,搭建光伏電池仿真模型。其中,Isc、Voc、Im、Vm為光伏電池元件的短路電流以及開路電壓,結(jié)合設(shè)備需求,控制好最大功率點(diǎn)電流和最大功率點(diǎn)電壓,避免設(shè)備運(yùn)行中的卡頓。同時,要結(jié)合光伏電池的光照強(qiáng)度和溫度,在模塊Isc-New、Voc-New、Im-New、Vm-New內(nèi)封裝電流和電壓的實(shí)際控制設(shè)備,建立標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系表達(dá)式。C1、C2模塊內(nèi)的封裝也必須進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)順直的限定,由公式(3)和公式(4)綜合體現(xiàn)光伏電池模型的輸出功率,控制光伏電池模型的輸出電流。

        圖2 光伏電池仿真模型

        圖3為光伏電池特性仿真模型,光伏電池模塊的輸出I連接受控電流源,電容起穩(wěn)壓作用,通過修改光伏電池模塊的輸入S、T的值,來模擬自然形態(tài)的變化,綜合了解不同光照條、溫度條件下的整體運(yùn)轉(zhuǎn)和變化情況。通過評價(jià)V-I、P-V兩個模塊的輸出效果,進(jìn)一步確定光伏電池的V-I、P-V特性曲線。仿真時間設(shè)為0.2s,仿真的最大步長設(shè)為0.01s,進(jìn)行光伏電池特性仿真。該仿真為單個電池板的仿真分析,在實(shí)際的使用中,光伏電池板會進(jìn)行多級串并聯(lián)連接得到更大輸入功率,再經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)化電路實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤,最后經(jīng)過并網(wǎng)逆變器并入電網(wǎng)。由于該模型能夠通過改變參數(shù)來改變光伏電池板仿真輸出功率大小,故能使用在光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)中。

        圖3 光伏電池特性仿真模型

        光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究如果采用真實(shí)的光伏電池陣列,會產(chǎn)生較高的試驗(yàn)成本,且需要大量空曠場地和對日照、自然氣候等依賴性強(qiáng)等一系列問題,故光伏電池模型的建立能夠計(jì)算機(jī)環(huán)境下完成各種光伏試驗(yàn),使之成為研究光伏系統(tǒng)輸出功率特性的重要依據(jù)。

        5 光伏電池特性分析

        5.1 光照變化情況下的光伏電池特性仿真

        光伏電池模塊輸入的溫度設(shè)為25℃,光照按1000W/m2、800W/m2、600W/m2依次改變,進(jìn)而通過溫度相同、光照不同條件下的實(shí)際觀測,有效地繪制出光伏電池I-V輸出特性曲線,以及實(shí)際運(yùn)作中P-V輸出曲線。圖4就是保障光伏電池溫度為25℃時的實(shí)際曲線,同時結(jié)合不同日照強(qiáng)度進(jìn)行綜合的測試和記錄過程,進(jìn)而繪制出光伏電池的變化曲線。

        圖4 25℃時不同日照強(qiáng)度下光伏電池的I-V、P-V輸出特性曲線仿真

        根據(jù)圖4特性曲線可得出結(jié)論:在電池溫度保持得到較為恒溫的控制時,不斷加大光強(qiáng),進(jìn)一步觀測開路電壓和短路電流的變化和增加過程,就會發(fā)現(xiàn)其中的變化規(guī)律。光照強(qiáng)度越大,光伏電池板吸收陽光能力越強(qiáng),相應(yīng)光電轉(zhuǎn)化后輸出的功率越大,通過光伏的I-V特性曲線進(jìn)行觀測,以及P-V特性曲線的總結(jié)和提取,都會明顯看出光伏電池的輸出功率變化規(guī)律。光伏電池的輸出功率具有其固有的物理特性,在運(yùn)行的進(jìn)程中存在最大功率點(diǎn),該功率點(diǎn)即為實(shí)際使用時追求的工作點(diǎn),使光伏電池工作在該功率點(diǎn)附近可獲得最大的輸出功率。該功率點(diǎn)在不同的日照強(qiáng)度時有不同的曲線,只有實(shí)時跟蹤才能使光伏電池得到最優(yōu)的應(yīng)用。

        5.2 溫度變化情況下的光伏電池特性仿真

        光伏電池模塊輸入的光照強(qiáng)度設(shè)為1000W/㎡,溫度按25℃、50℃、75℃依次改變,進(jìn)而觀測光照強(qiáng)度下的溫度影響,通過光伏電池I-V輸出特性曲線與P-V輸出特性曲線的對比,最終確定實(shí)際的變化空間。圖5就是這兩者關(guān)系的對比數(shù)據(jù),在實(shí)際狀況為日照強(qiáng)度1kW/㎡時,繪制出不同溫度下池的輸出特性曲線。

        圖5 1kW/㎡時不同電池溫度下光伏電池I-V、P-V輸出特性曲線仿真

        圖5為在不同溫度相同光照強(qiáng)度下光伏電池的仿真曲線,從仿真圖可以看出,溫度變化會改變光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率,溫度越高轉(zhuǎn)化效率越低,在室溫25℃左右時出現(xiàn)最大輸出功率,故可得出結(jié)論,在保持光強(qiáng)不變時,若溫度提高,短路電流將少量增加,開路電壓將快速下降,綜合電壓和電流的變化情況,輸出的最大功率會因溫度的增加而降低。

        綜合圖4和圖5的P-V特性曲線可以觀察到,在光照強(qiáng)度與電池溫度的變化進(jìn)程中,最大功率點(diǎn)是唯一保持不會變的,而光照強(qiáng)度會導(dǎo)致溫度影響,進(jìn)而使光伏電池的工作點(diǎn)發(fā)生變化,故光伏電池的很難保持最大功率點(diǎn),因此需要加入電氣控制電路,在實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤的同時,控制光伏電池的輸出電壓在最大功率點(diǎn)附近,為后續(xù)用電設(shè)備的使用提供條件。

        在實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)中,往往采用的是多個該模型模塊的串、并聯(lián),形成光伏陣列,多個光伏陣列并聯(lián)形成光伏發(fā)電系統(tǒng),實(shí)際的發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中,除了完成光伏電池組的最大功率之外,系統(tǒng)還需具備“孤島效應(yīng)”、光伏電池板故障檢測等功能,在串、并聯(lián)的多個光伏電池板中,找出故障的光伏模塊并將其從系統(tǒng)中剔除至關(guān)重要,當(dāng)故障電池板產(chǎn)生時需及時將其從系統(tǒng)中剔除,以防止其對整個電網(wǎng)的影響,同時還需具有對“孤島效應(yīng)”的檢測功能,防止“孤島”時對光伏發(fā)電系統(tǒng)的致命打擊[3]。

        6 結(jié)論

        通過上述仿真分析可知,該模型的建立要結(jié)合一系列的實(shí)踐工作,從而通過光伏電池的輸出特性進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,模擬電池在不同條件下的特性曲線輸出,仿真結(jié)果全滿足工程設(shè)計(jì)仿真時的應(yīng)用,同時該模型能簡單的模擬整個光伏系統(tǒng)的特性,實(shí)現(xiàn)模擬在不同的工作條件下,光伏電池板最大功率點(diǎn)的變化,為后續(xù)光伏系統(tǒng)中最大功率追的研究提供理論前提,同時能為研究光伏發(fā)電系統(tǒng)或光伏電池特性的初學(xué)者提供理論參考。

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