太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池研究

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池研究

1太陽能在大規(guī)模大發(fā)展中的應(yīng)用21世紀(jì)是世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化的時期。由于傳統(tǒng)能源(如煤、石油、天然氣等)的供給已出現(xiàn)嚴(yán)重短缺局面,人類開始將目光轉(zhuǎn)向可再生能源的發(fā)展。大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源,以資源無限、清潔干凈的可再生能源為主的多樣性的能源結(jié)構(gòu)代替以資源有限、污染嚴(yán)重的石化能源為主的能源結(jié)構(gòu)已成為人們關(guān)注的焦點。太陽能作為一種新型的綠色可再生能源,與其他新能源相比利用最大,是最理想的可再生能源。本文通過分析太陽能電池板的工作原理,建立其數(shù)學(xué)模型,直接利用MATLAB中SIMULINK仿真軟件對不同環(huán)境及不同日照強度下的太陽能電池輸出特性、輸出功率進行建模、仿真。2光伏電池等效電路太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng),將太陽光伏能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。由于成本高,計算機仿真技術(shù)成為研究這類系統(tǒng)的有效手段。實際情況下,太陽光輻射不穩(wěn)定,建立光伏陣列數(shù)學(xué)模型一般有三種方法:一種是將光伏陣列直接等效為直流電壓源,這種方法最簡單,但不能實時跟蹤太陽輻射強度、環(huán)境溫度變化和光伏陣列產(chǎn)數(shù)的變化,無法反應(yīng)光伏陣列特性;另一種是基于光伏陣列伏安外特性法,對開路電壓、短路電流以及擬合曲線系數(shù)經(jīng)行修正,使模型特性與實際光伏陣列在不同光照和溫度下特性相似,但對溫度、光照等的設(shè)定較為困難;還有一種是依據(jù)物理特性建立光伏陣列數(shù)學(xué)模型,描述光伏陣列內(nèi)部特性模擬外界環(huán)境變化。當(dāng)光照強度恒定時,光生電流Iph不隨光伏電池的工作狀態(tài)而變化,因此在等效電路中可以看作是一個恒流源。光伏電池的兩端接入負載R后,光生電流流過負載,從而在負載的兩端建立起端電壓V。負載端電壓反作用于光伏電池的P-N結(jié)上,產(chǎn)生一股與光生電流方向相反的電流Id。此外,由于太陽能光伏電池板前后表面的電極以及材料本身所帶有的電阻率,當(dāng)工作電流流過板子時必然會引起電池板內(nèi)部的串聯(lián)損耗,故引入串聯(lián)電阻Rs。串聯(lián)電阻越大,線路損失越大,光伏電池輸出效率越低。在實際的太陽能光伏電池中,一般串聯(lián)電阻都比較小,大都在幾微歐到幾歐之間。另外,由于制造工藝的因素,光伏電池的邊緣和金屬電極在制作時可能產(chǎn)生微小的裂痕、劃痕,從而會形成漏電流而導(dǎo)致本來要流過負載的光生電流短路掉,因此引入一個并聯(lián)電阻Rsh來等效。相對與串聯(lián)電阻來說,并聯(lián)電阻比較大,一般在1kΩ以上。太陽能光伏電池等效電路如圖1所示。由太陽能光伏電池等效電路可得出:式中,I為流過負載的電流,即光伏模塊輸出電流;Iph為與日照強度成正比的光生電流;Id為流過二極管的電流;Ish為太陽能光伏電池的漏電流。根據(jù)電子學(xué)理論,材料物理特性決定的理想二極管太陽能電池I-V特性為:式中,V為負載兩端的電壓,即光伏模塊輸出電壓;I0為二極管方向飽和電流(一般而言,其數(shù)量級為10-4A);q為電荷電量(1.6×10-19C);A為二極管性能指數(shù),即PN結(jié)理想因子;K為波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K);T為絕對溫度(=t+273K);Rs為光伏電池串聯(lián)電阻;Rsh為池并聯(lián)電阻。此外,所以,綜合式(2)~式(4)可得3建模模擬3.1交流電流源模塊根據(jù)式(4),建立光伏電池的仿真模型,如圖2所示。當(dāng)光照強度恒定時,光生電流Iph不隨光伏電池的工作狀態(tài)而變化,因此可以用一個恒定的電流源來模擬,電源系統(tǒng)工具模塊庫中沒有直流電流源模塊,可對交流電流源模塊進行適當(dāng)設(shè)置;電壓檢測模塊1(VoltageMeasurement1)輸出值為負載R的電壓V;電壓檢測模塊2(VoltageMeasurement2)輸出值為V+IRs;建立一個S函數(shù)模塊來表示公式(2),其表達式為都為已知,因此經(jīng)過此模塊后可得流過二極管的電流Id;信號發(fā)生器Signal為受控電流源,在此要特別注意信號發(fā)生器的參考方向;Display1、2、3模塊分別顯示光伏電池的輸出電流、輸出電壓、輸出功率值。3.2模擬結(jié)果分析3.2.1光伏電池輸出特性仿真由于太陽能電池板前后表面的電極以及材料本身所帶有的電阻率,當(dāng)工作電流流過板子時必然會引起電池板內(nèi)部的串聯(lián)損耗,故引入串聯(lián)電阻Rs。理論上,串聯(lián)電阻越大,線路損耗越大,光伏電池的輸出功率就會越低,從而導(dǎo)致輸出效率的降低;反之,串聯(lián)電阻越小,線路損耗越小,光伏電池的輸出功率將增加,輸出功率會增大。仿真參數(shù)設(shè)為Iph=0.2A,I0=0.0008A,T=300K,Rsh=10kΩ,選取一組不同的Rs值進行仿真,Rs分別選取0.1、0.5和1,得到一組輸出電流、輸出電壓、輸出功率值。利用MATLAB仿真出如圖3、圖4所示的光伏電池的輸出特性曲線及輸出功率曲線。仿真結(jié)果表明,光伏電池的輸出特性呈非線性,每條曲線都有一個最大功率點(即光伏電池的最佳工作點),并且受Rs的影響,Rs值越小,開路電壓越大,光伏電池的最大功率值越大,光伏電池輸出特性曲線中平緩線段越長,彎度越大;隨著Rs的增大,平緩線段縮短,彎度減小,開路電壓與最大輸出功率也隨之減小。3.2.2光伏電池輸出特性及功率曲線日照強度的大小直接影響太陽能光伏電池輸出電能的多少。日照強度越強,光伏電池的輸出功率就越大;反之,輸出功率就越小。由于光生電流Iph受日照強度影響比較大,而且與日照強度成正比例關(guān)系。因此,我們可以改變Iph值來等效地模擬不同日照強度下光伏電池的輸出特性曲線及輸出功率曲線。仿真參數(shù)設(shè)為I0=0.0008A,T=300K,Rsh=10kΩ,Rs=0.01Ω。對Iph賦予不同的數(shù)值進行仿真,Iph分別選取0.2、0.5和1,得到一組輸出電流、電壓、功率值,利用MATLAB仿真出如圖5、圖6所示的光伏電池的輸出特性曲線和輸出功率曲線。仿真結(jié)果表明,光伏電池的輸出特性呈非線性,并且每條曲線都有一個最大功率點。隨著日照強度的增加,光伏電池的最大輸出功率也不斷增加;日照強度越大,光伏電池的輸出電能就越大。4光伏電池輸出特性及功率特性仿真目前,太陽能光伏發(fā)電仍存在如成本高、能量轉(zhuǎn)換效率低等缺點。本文就如何改進能量轉(zhuǎn)換效率低的問題對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進行了詳細的理論分析和仿真研究,從而得出以下結(jié)論:通過分析太陽能電池的工作原理,建立了MAT-LAB/SIMULINK仿真環(huán)境下的光伏電池仿真模型,得出了不同串