光伏電池的建模仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 光伏電池的建模仿真學(xué) 生 姓 名： 學(xué)號(hào)： 學(xué) 部 （系）： 專(zhuān) 業(yè) 年 級(jí)： 指 導(dǎo) 教 師： 職稱(chēng)或?qū)W位： 助教 2011年5月21日目錄摘要2Abstract3Key Words:3前言41 概述51.1光伏電池方陣51.2光伏電池的種類(lèi)及其區(qū)別51.3光伏電池組件61.4本文主要研究?jī)?nèi)容和意義72 光伏電池的原理和數(shù)學(xué)模型82.1光伏電池的工作原理92.2光伏電池的特性92.3光伏電池等效電路和數(shù)學(xué)模型102.4光伏電池的工程數(shù)學(xué)模型123 光伏電池的仿真模型143.1串聯(lián)電阻對(duì)光伏電池的影響153.2日

2、照強(qiáng)度對(duì)光伏電池的影響16結(jié)束語(yǔ)18參考文獻(xiàn)19致謝20光伏電池的建模仿真摘要太陽(yáng)能作為一種新型的可再生資源受到越來(lái)越廣泛的重視，光伏發(fā)電則是太陽(yáng)能利用中技術(shù)含量最高、最有發(fā)展前途的技術(shù)。本文首先介紹了太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的原理及其組成，學(xué)習(xí)了光生伏打效應(yīng)原理及其模塊組成，然后本文分析了太陽(yáng)能光伏電池的輸出I-V 特性，給出了光伏電池的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)之上建立了簡(jiǎn)單易用的工程數(shù)學(xué)模型。在MATLABSimulink仿真環(huán)境下，基于光伏電池的V-I數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式，建立了光伏電池的仿真模型，并對(duì)不同的串聯(lián)電阻和日照強(qiáng)度變化條件下光伏電池的輸出特性進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了光伏電池的輸出特性呈非線(xiàn)

3、性，并隨串聯(lián)電阻和日照強(qiáng)度的變化而變化。關(guān)鍵詞：光伏電池；建模；MATLAB仿真；AbstractSolar energy is paid more and more attention to as a new type of regenerated energy sources. As the most important technology in the use of Solar energy, PV power system is used all over the world.This paper introduces the principle of solar photovolt

4、aic power system and its components. Furthermore, understanding the principle of photovoltaic effect and its modules. This paper analyzed the I-V characteristic of solar cells and its mathematical model. Furthermore, this paper present the engineering analytical models of solar cells derived from th

5、e mathematical model. Based on the photovoltaic cells V-I mathematical equation, set up photovoltaic cells of the simulation model, and different series resistance and sunshine intensity and under the condition of change photovoltaic battery output characteristic simulation by using MATLAB/Simulink

6、simulation environment. The simulation results confirm that the output features of PV cells are nonlinear and vary with the series load and isolationKey words : photovoltaic cells; Modelling; MATLAB simulation前言 人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入21世紀(jì)，正面臨著化石燃料短缺和生態(tài)環(huán)境污染的嚴(yán)重局面。廉價(jià)的石油時(shí)代已經(jīng)結(jié)束，逐步改變能源消費(fèi)結(jié)，大力發(fā)展可再生能源，走可持續(xù)發(fā)展的道路，已逐漸成為人們的共識(shí)。太

7、陽(yáng)能光伏發(fā)電具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)正在飛速發(fā)展。太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量年增長(zhǎng)率在40%以上，已成為發(fā)展最迅速的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，其應(yīng)用規(guī)模和領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，從原來(lái)只在偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)和特殊用電場(chǎng)合使用，發(fā)展到城市并網(wǎng)系統(tǒng)和大型光伏電站。 盡管目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中所占比例還微不足道，但是隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，其份額將會(huì)逐步增加，可以預(yù)期，到21世紀(jì)末，太陽(yáng)能發(fā)電將成為世界能源供應(yīng)的主體，一個(gè)光輝的太陽(yáng)能時(shí)代將到來(lái)。1我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展極不平衡，2007年太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)日本和歐洲而居世界第一，然而光伏應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展卻非常緩慢，光伏累計(jì)安裝量大約只占世界的1%，2應(yīng)用技術(shù)水平與國(guó)外

8、相比還有相當(dāng)大的差距。光伏產(chǎn)品與一般機(jī)電產(chǎn)品不同，必須很據(jù)負(fù)載的要求和當(dāng)?shù)氐臍庀蟆⒌乩項(xiàng)l件來(lái)決定系統(tǒng)的配置，由于目前光伏發(fā)電成本較高，所以應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合，最大限度的發(fā)揮光伏電源的作用。為了提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率，獲取更多的有效能源，滿(mǎn)足人類(lèi)的能源供應(yīng)，世界各國(guó)在研究太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中都投入了大量的人力與物力。我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的研究還處于世界低等水平，產(chǎn)品的性能還有待提高，為迎接未來(lái)能源短缺帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，我們應(yīng)該加大對(duì)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的研究，以滿(mǎn)足人類(lèi)未來(lái)對(duì)能源的需求。本文從理論出發(fā)，闡述了太陽(yáng)能光伏電源的原理及其組成結(jié)構(gòu)；結(jié)合科研實(shí)際，應(yīng)用硬件和軟件結(jié)合的方

9、法，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的太陽(yáng)能光伏電源模擬系統(tǒng)。根據(jù)這個(gè)簡(jiǎn)易系統(tǒng)研究分析了太陽(yáng)能光伏電源的影響因素，合理優(yōu)化了系統(tǒng)的配置，以提高系統(tǒng)的性能，最終提高了太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率。21光伏電源系統(tǒng)的原理及組成太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)是利用以光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它由太陽(yáng)能電池方陣、充電放電控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等部分組成，其系統(tǒng)組成如圖1-1所示。圖1-1 太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)示意圖1.1光伏電池方陣太陽(yáng)能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為42到1002不等。太陽(yáng)能電池單體的工作電壓約為0.5V，工作電流約為2025mA/2，一般不能單獨(dú)作為電源使用。將太

10、陽(yáng)能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽(yáng)能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。太陽(yáng)能電池組件再經(jīng)過(guò)串并組合安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽(yáng)能電池方陣，可以滿(mǎn)足負(fù)載所要求的輸出功率（見(jiàn)圖1-2）。圖 1-2 太陽(yáng)能電池單體、組件和方陣1.2光伏電池的種類(lèi)及其區(qū)別目前世界上有3種已經(jīng)商品化的硅太陽(yáng)能電池：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池。對(duì)于單晶硅太陽(yáng)能電池，由于所使用的單晶硅材料與半導(dǎo)體工業(yè)所使用的材料具有相同的品質(zhì)，使單晶硅的使用成本比較昂貴。多晶硅太陽(yáng)能電池的晶體方向的無(wú)規(guī)則性，意味著正負(fù)電荷對(duì)并不能全部被PN結(jié)電場(chǎng)所分離，因?yàn)殡姾蓪?duì)在晶體與晶

11、體之間的邊界上可能由于晶體的不規(guī)則而損失，所以多晶體硅太陽(yáng)能電池的效率一般比單晶體硅太陽(yáng)能電池低，多晶體硅太陽(yáng)能電池用鑄造的方法生產(chǎn)，所以它的成本比單晶體硅太陽(yáng)能電池的低。非晶體硅太陽(yáng)能電池屬于薄膜電池，造價(jià)低廉，但光電轉(zhuǎn)換效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體硅太陽(yáng)能電池，目前多數(shù)用于弱光性電源，如手表、計(jì)算器等。3 (1)晶體硅光伏電池。晶體硅光伏電池因?yàn)橘Y源豐富、轉(zhuǎn)換效率高，所以現(xiàn)在開(kāi)發(fā)得最快的光伏電池。但是因它的制造工藝復(fù)雜，需耗費(fèi)大量的能源，所以有成本高、能源回收期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。 (2) 非晶硅光伏電池。非晶硅光伏電池資源豐富，制造過(guò)程簡(jiǎn)單，而且創(chuàng)造能耗低，所以作為低成本的光伏電池引人注目。目前其

12、轉(zhuǎn)換效率比單晶硅光伏電池的稍低。 (3) 化合物半導(dǎo)體光伏電池?；衔锇雽?dǎo)體光伏電池有III-V族、II-VI族等許多種類(lèi)，砷化鎵光伏電池是其中一種，其轉(zhuǎn)換效率很高，但存在資源缺乏、有公害等問(wèn)題。通常，制備多晶硅的工藝比制備單晶硅要求要低一些.制備非晶硅所要求的條件原則上比制備多晶硅更低。地面Gash 光伏電池的效率超過(guò)22%，大大高于硅電池的相應(yīng)效值(18%)。然而，用Gash 做光伏電池材料也有一些缺點(diǎn)，鎵的資源有限，將使Gash永遠(yuǎn)是貴重材料。第二個(gè)缺點(diǎn)是砷的毒性，使用由毒性材料制作的大型光伏電池系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)仔細(xì)調(diào)查其對(duì)環(huán)境的影響。1.3光伏電池組件一個(gè)太陽(yáng)能電池只能產(chǎn)生大約0.5V電壓，

13、遠(yuǎn)低于實(shí)際應(yīng)用所需要的電壓，為了滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要，需把太陽(yáng)能電池連接成組件。太陽(yáng)能電池組件包含一定數(shù)量的太陽(yáng)能電池，這些太陽(yáng)能電池通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接。一個(gè)組件上，太陽(yáng)能電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是36片，能提供大約17V電壓，正好能為額定電壓為12V的蓄電池進(jìn)行有效的充電。通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接的太陽(yáng)能電池被密封成物理單元被稱(chēng)為太陽(yáng)能電池組件，具有一定的防腐、防風(fēng)、防雨等能力，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域和系統(tǒng)。當(dāng)應(yīng)用領(lǐng)域需要較高的電壓和電流而單個(gè)組件不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可把多個(gè)組件組成太陽(yáng)能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。4圖 1-3 太陽(yáng)能電池的電流-電壓特性曲線(xiàn)太陽(yáng)能電池組件的電氣特性主要是指電流-電壓輸出特性，也稱(chēng)為V-

14、I特性曲線(xiàn)，如圖1-3所示。V-I特性曲線(xiàn)顯示了通過(guò)太陽(yáng)能電池組件傳送的電流Im與電壓Vm在特定的太陽(yáng)輻照度下的關(guān)系。如果太陽(yáng)能電池組件電路短路即V=0，此時(shí)的電流稱(chēng)為短路電流Isc；如果電路開(kāi)路即I=0，此時(shí)的電路稱(chēng)為開(kāi)路電壓Voc。太陽(yáng)能電池組件的輸出功率等于流經(jīng)該組件的電流與電壓的乘積，即P=V*I。I：電流 Isc：短路電流 Im：最大工作電流 V：電壓 Voc：短路電壓 Vm：最大工作電壓當(dāng)太陽(yáng)能電池組件的電壓上升時(shí)，例如通過(guò)增加負(fù)載的電阻值或組件的電壓從零（短路條件下）開(kāi)始增加時(shí)，組件的輸出功率亦從零開(kāi)始增加；當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，功率可達(dá)到最大，這時(shí)當(dāng)阻值繼續(xù)增加時(shí)，功率將越過(guò)最大

15、點(diǎn)，并逐漸減少至零，即電壓達(dá)到開(kāi)路電壓Voc。太陽(yáng)能電池的內(nèi)阻呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線(xiàn)性，在組件的輸出功率達(dá)到最大點(diǎn)，稱(chēng)為最大功率點(diǎn)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓，稱(chēng)為最大功率點(diǎn)電壓Vm（又稱(chēng)為最大工作電壓）；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流，稱(chēng)為最大功率點(diǎn)電流Im（又稱(chēng)為最大工作電流）；該點(diǎn)的功率稱(chēng)為最大功率Pm。太陽(yáng)能電池組件的輸出功率取決于太陽(yáng)輻照度、太陽(yáng)能光譜的分布和太陽(yáng)能電池的溫度。太陽(yáng)的輻照度越強(qiáng)，輸出的功率越大；太陽(yáng)光譜分布越密集，輸出功率越大；太陽(yáng)能電池的溫度越高，開(kāi)路電壓越低，輸出功率越低。1.4本文主要研究?jī)?nèi)容和意義1.4.1研究?jī)?nèi)容 (1)建立了太陽(yáng)能光伏電池的工程數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一種采用多段直線(xiàn)

16、和二次曲線(xiàn)模擬光伏電池I-V曲線(xiàn)的算法，該算法簡(jiǎn)化函數(shù)方程，使其滿(mǎn)足DSP計(jì)算的要求，同時(shí)也保證了較高的模擬精度，減小了系統(tǒng)誤差。 (2)設(shè)計(jì)了一臺(tái)輸出功率為3kW的光伏電池模擬器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，給出了主電路及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了小功率的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。1.4.2研究意義光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究如果采用真實(shí)的光伏電池陣列，會(huì)產(chǎn)生試驗(yàn)成本高、需要大量空曠場(chǎng)地和對(duì)日照、自然氣候等依賴(lài)性強(qiáng)等一系列的問(wèn)題，因此研究出低成本的按照實(shí)際光伏電池的I-V特性輸出的，能夠代替實(shí)際光伏電池陣列在室內(nèi)進(jìn)行各種光伏實(shí)驗(yàn)，使之不受場(chǎng)地和環(huán)境影響的模擬器成為必須。5本文的研究就是以解決這個(gè)問(wèn)題為目的，設(shè)計(jì)

17、出能夠模擬光伏電池陣列輸出的I-V曲線(xiàn)，從而能夠代替實(shí)際的太陽(yáng)能光伏電池陣列在室內(nèi)進(jìn)行各種光伏實(shí)驗(yàn)，并滿(mǎn)足易于修改設(shè)定的要求的光伏電池模擬器。使光伏實(shí)驗(yàn)不再受到場(chǎng)地、自然氣候條件等的影響，降低實(shí)驗(yàn)成本，節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間。2光伏電池的原理和數(shù)學(xué)模型太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換利用方式有光一熱轉(zhuǎn)換、光一化學(xué)轉(zhuǎn)換和光一電轉(zhuǎn)換等三種方式。接收或聚集太陽(yáng)能使之轉(zhuǎn)換為熱能，然后用于生產(chǎn)和生活，是太陽(yáng)能光一熱轉(zhuǎn)換利用即太陽(yáng)能熱利用的基本方式。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是目前太陽(yáng)能熱利用的主要形式。利用光生伏打效應(yīng)原理制成光伏電池，可將太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)換為電能加以利用，稱(chēng)為光一電轉(zhuǎn)換，即光伏發(fā)電。光一化學(xué)轉(zhuǎn)換還處于研究實(shí)驗(yàn)階段，這種轉(zhuǎn)換技術(shù)

18、包括光伏電池電極化水制成氫、利用氫氧化鈣和金屬氫化物熱分解儲(chǔ)能等。6在這些轉(zhuǎn)換利用方式中光伏發(fā)電系統(tǒng)是技術(shù)含量最高、最有發(fā)展前途的技術(shù)，它的基本元件是光伏電池。光伏電池受到太陽(yáng)光照時(shí)能產(chǎn)生光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)變成直流電能。在使用時(shí)要將光伏電池封裝成組件，然后根據(jù)需要將組件串并聯(lián)組成陣列。通常需要用蓄電池等作為儲(chǔ)能裝置，才能隨時(shí)供給負(fù)載使用。如果是交流負(fù)載，則還需要通過(guò)逆變器將直流電變成交流電。整個(gè)光伏系統(tǒng)還要配備控制器等附件。世界光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，最近10年太陽(yáng)電池及組件生產(chǎn)的年平均增長(zhǎng)率為33%，最近5年的年平均增長(zhǎng)率為43，2004年比上年增長(zhǎng)61.2，這一產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)今發(fā)展最迅速的

19、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展光伏發(fā)電成本正不斷降低。2003年世界重要廠(chǎng)商的成本為2至2.3美元瓦，售價(jià)2.5至3美元瓦。但隨著技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光伏發(fā)電的成本將繼續(xù)不斷降低。產(chǎn)業(yè)化方面，各國(guó)一直在通過(guò)改進(jìn)工藝、擴(kuò)大規(guī)模和開(kāi)拓市場(chǎng)等措施降低成本，并取得了巨大進(jìn)展。以美國(guó)為代表，其能源部1990年起動(dòng)了光伏制造技術(shù)(PVMaT)的產(chǎn)業(yè)化計(jì)劃，通過(guò)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)實(shí)施，并成立了國(guó)家光伏中心，聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)共同進(jìn)行攻關(guān)，以求大幅度降低成本。這一計(jì)劃的實(shí)施已經(jīng)產(chǎn)生了非常明顯的效果，商品化電池效率從10%一13%提高到12%-15%。生產(chǎn)規(guī)模從1-5兆峰瓦

20、/年發(fā)展到5-20兆峰瓦/年，并正在向50兆峰瓦擴(kuò)大。生產(chǎn)工藝不斷簡(jiǎn)化，自動(dòng)化程度不斷提高。三年來(lái)，世界的光伏組件的生產(chǎn)成本降低了32%以上，第一次降到3美元/峰瓦以下，國(guó)際市場(chǎng)光伏組件售價(jià)在4美元/峰瓦左右，這種趨勢(shì)還在繼續(xù)發(fā)展.美國(guó)光伏系統(tǒng)電價(jià)成本目標(biāo):2005年光伏系統(tǒng)安裝成本3美元/峰瓦(11美分/千瓦時(shí))，2010年1.5美元/峰瓦(6美分/千瓦時(shí)以下)。歐洲和日本也有類(lèi)似的計(jì)劃。競(jìng)爭(zhēng)促使各發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)幾乎以大致相同的水平和速度向前發(fā)展。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域，印度在發(fā)展中國(guó)家處領(lǐng)先地位。目前印度有80個(gè)公司從事光伏工業(yè)和太陽(yáng)電池組件的生產(chǎn)，6個(gè)太陽(yáng)電池制造廠(chǎng)12個(gè)組件生產(chǎn)廠(chǎng)，

21、1997-1998年間，電池生產(chǎn)8.2兆峰瓦，組件生產(chǎn)11兆峰瓦，出口4兆峰瓦，預(yù)計(jì)2002年生產(chǎn)將達(dá)到50兆峰瓦/年;截至1998年，印度光伏系統(tǒng)安裝容量達(dá)到35兆峰瓦，計(jì)劃1998-2002安裝150兆峰瓦。7世界各大公司也紛紛制定和實(shí)施擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，1998年初PVIR統(tǒng)計(jì)，正在實(shí)施和擴(kuò)產(chǎn)的新增能力為263.5兆峰瓦/年，比1997年高出2倍，可以說(shuō)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)正在騰飛，預(yù)測(cè)今后10年光伏組件的生產(chǎn)將以20%一30%甚至更高的遞增速度發(fā)展，到2010年生產(chǎn)將達(dá)到4.6千兆瓦，總裝機(jī)容量達(dá)到18千兆瓦?？焖侔l(fā)展的屋頂計(jì)劃、各種減免稅政策、補(bǔ)貼政策以及逐漸成熟的綠色電力價(jià)格為光伏市

22、場(chǎng)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的發(fā)展基礎(chǔ)。市場(chǎng)發(fā)展將逐步由邊遠(yuǎn)地區(qū)和農(nóng)村的補(bǔ)充能源向全社會(huì)的替代能源過(guò)渡。預(yù)測(cè)到下世紀(jì)中葉，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將達(dá)到世界總發(fā)電量的15%一20%，成為人類(lèi)的基礎(chǔ)能源之一。8我國(guó)從20 世紀(jì)80 年代起就開(kāi)始太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn),國(guó)家也在西部無(wú)電地區(qū)大力推廣了離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的應(yīng)用,其中“光明工程”和“鄉(xiāng)鄉(xiāng)通工程”等實(shí)施,為我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展和光伏技術(shù)提高起到了積極作用。近年來(lái),國(guó)家在“973”和“863”等重大項(xiàng)目中將太陽(yáng)能光伏電池的發(fā)展也放到了重要的位置。2005 年2 月通過(guò)的中華人民共和國(guó)可再生能源法中明確提出，“國(guó)家鼓勵(lì)單位和個(gè)人安裝和使用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)等太陽(yáng)能利用系統(tǒng)

23、”。在2006 年3 月兩會(huì)發(fā)布的中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要中也指出送電到村和綠色能源縣工程：建成50 個(gè)綠色能源示范縣，利用電網(wǎng)延伸、風(fēng)力發(fā)電、小水電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電等，解決350 萬(wàn)戶(hù)無(wú)電人口用電問(wèn)題。2.1光伏電池的工作原理太陽(yáng)能光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件。用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射到半導(dǎo)體系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。例如，當(dāng)光照射到由P 型和N 型兩種不同導(dǎo)電類(lèi)型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN 結(jié)上時(shí)，在一定條件下，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子一電子和空穴。由于P-N 結(jié)

24、勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢(shì)壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場(chǎng)的作用下，各向相反方向運(yùn)動(dòng)。離開(kāi)勢(shì)壘區(qū)，結(jié)果使P 區(qū)電勢(shì)升高，N 區(qū)電勢(shì)降低，P-N 結(jié)兩端形成光生電動(dòng)勢(shì)，這就是PN 結(jié)的光生伏特效應(yīng)。由于光照產(chǎn)生的非平衡載流子各向相反方向漂移，從而在內(nèi)部構(gòu)成自N 區(qū)流向P區(qū)的光生電流，在PN 結(jié)短路情況下構(gòu)成短路電流密度Isc。在PN 結(jié)開(kāi)路清況下，P-N 結(jié)兩端建立起光生電勢(shì)差Voc，這就是開(kāi)路電壓。如將P-N 結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)不斷地有電流流過(guò)電路，PN 結(jié)起了電源的作用，這就是光電池的基本工作原理。顯

25、然，光電池之所以能在光照下形成電流密度J，短路電流密度Isc，開(kāi)路電壓Voc，都是由于材料內(nèi)部存在內(nèi)建靜電場(chǎng)的緣故。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載中就有“光生電流”流過(guò)，從而獲得功率輸出。這樣，太陽(yáng)的光能就直接變成了可付諸實(shí)用的電能。92.2光伏電池的特性光伏電池的輸出特性太陽(yáng)能電池具有獨(dú)特的I-V 特性，該特性由太陽(yáng)能電池材料的物理特性所決定。如下圖是太陽(yáng)能單體工作的輸出特性。圖2-1 太陽(yáng)能光伏電池的I-V特性曲線(xiàn)光伏電池由于其受外界影響因素(溫度、光照等) 很多,且其輸出具有非線(xiàn)性特性,如圖2.1的伏安(電壓-電流) 特性。從特性曲線(xiàn)看,太陽(yáng)能電池在不同的光照強(qiáng)度下和12不

26、同的環(huán)境溫度下的伏安特性曲線(xiàn)大致的形狀是一樣的，也就是說(shuō)太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線(xiàn)可以劃分三個(gè)區(qū)域，恒流源區(qū)、最大功率區(qū)以及恒壓源區(qū)。為了能更加具體的說(shuō)明，可以直觀(guān)的從圖2.2所示的太陽(yáng)能電池單體輸出特性曲線(xiàn)圖看出。圖中曲線(xiàn)為太陽(yáng)能電池不同的測(cè)量點(diǎn)所組成。直線(xiàn)是負(fù)載電阻的I-V特性，兩者的交點(diǎn)即為太陽(yáng)電池的工作點(diǎn)，也即工作點(diǎn)的電壓電流即符合太陽(yáng)電池的I-V特性又符合負(fù)載自身的I-V特性。當(dāng)工作負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，工作狀態(tài)亦發(fā)生變化，但是變化的軌跡沿著特定的曲線(xiàn)完成。不同的曲線(xiàn)代表不同的光強(qiáng)下的變化。在實(shí)際使用時(shí)，負(fù)載往往工作在最大功率點(diǎn)附近。10圖2-2太陽(yáng)能光伏電池單體輸出特性曲線(xiàn)2.3光伏電池等

27、效電路和數(shù)學(xué)模型 當(dāng)受光照射的太陽(yáng)能光伏電池接上負(fù)載時(shí)，光生電流流經(jīng)負(fù)載，并在負(fù)載兩端建立起端電壓，這時(shí)太陽(yáng)能光伏電池的工作情況可用圖2.3 所示等效電路來(lái)描述。圖中把太陽(yáng)能光伏電池看成能穩(wěn)定地產(chǎn)生光電流IL 的電流源(只要光源穩(wěn)定)，與之并聯(lián)的有一個(gè)處于正偏壓下的二極管及一個(gè)并聯(lián)電阻Rsh(也稱(chēng)跨接電阻)。顯然，二極管的正向電流ID和旁路電流Ish都要靠IL提供，剩余的光電流經(jīng)過(guò)一個(gè)串聯(lián)電阻Rs流出太陽(yáng)能電池而進(jìn)入負(fù)載RL。對(duì)于實(shí)際的太陽(yáng)能電池，應(yīng)當(dāng)把它看成由很多個(gè)具有這種等效電路結(jié)構(gòu)的電池單元(也稱(chēng)于電池)并聯(lián)而成，因而應(yīng)當(dāng)把如圖2.3 所示的等效電路中的各個(gè)參量視為集中參量(即各子電池參

28、量的總和)。圖2-3光伏電池等效電路圖由于器件的瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間與絕大多數(shù)光伏系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)相比微不足道，因此結(jié)電容在分析中可以忽略。設(shè)定圖中所示的電壓、電流正方向，可以得出太陽(yáng)能電池的I-V方程為 (2-1)式中： 光生電流(A);I 反向飽和電流(A);A 二極管因子: 太陽(yáng)能電池串聯(lián)電阻; 太陽(yáng)能電池的并聯(lián)電阻;q 電子電荷，1.61019C;K 玻耳茲曼常數(shù)，1. 38 1023J/K;V 一太陽(yáng)能電池的輸出電壓;I 太陽(yáng)能電池的輸出電流;T 絕對(duì)溫度該模型具有清晰的物理意義，與工藝上的控制有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如太陽(yáng)能電池的光生電流IL與電池片的表面反射、柵線(xiàn)的遮光面積和光譜響應(yīng)等相對(duì)應(yīng);二

29、極管飽和電流I0與P-N結(jié)的特性、原材料的缺陷等相對(duì)應(yīng);太陽(yáng)能電池的串聯(lián)電阻Rs描述了包括基體的電阻、擴(kuò)散薄層的電阻和柵線(xiàn)與太陽(yáng)能電池的接觸電阻等;太陽(yáng)能電池的并聯(lián)電阻描述了太陽(yáng)能電池周邊擴(kuò)散層去除的程度和導(dǎo)電離子的玷污而引入的線(xiàn)性電阻。式(21)是基于物理原理的最基本的解析表達(dá)式，已被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)電池的理論分析中，但由于表達(dá)式中的5 個(gè)參數(shù)，包括、, 、和A，它們不僅與電池溫度和日射強(qiáng)度有關(guān)，而且確定十分困難，因此不便于工程應(yīng)用，也不是太陽(yáng)電池供應(yīng)商向用戶(hù)提供的技術(shù)參數(shù)。2.4光伏電池的工程數(shù)學(xué)模型由于上述太陽(yáng)能光伏電池的數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)難以確定，因此在學(xué)習(xí)研究過(guò)程中，我們需要更簡(jiǎn)單可靠、

30、實(shí)用性強(qiáng)的數(shù)學(xué)模型。滿(mǎn)足工程應(yīng)用精度且便于運(yùn)算的光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型已經(jīng)在原模型之上提出來(lái)了。工程用光伏電池模型通常僅采用供應(yīng)商提供的幾個(gè)重要技術(shù)參數(shù),如、 、,就能在一定的精度下復(fù)現(xiàn)陣列的特性,并能便于計(jì)算機(jī)分析。以下將在基本解析表達(dá)式（21）的基礎(chǔ)上,通過(guò)兩點(diǎn)近似,即1) 忽略(V+IRs)/Rsh項(xiàng),這是因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下該項(xiàng)遠(yuǎn)小于光電流; 2) 設(shè)定IL=Isc,這是因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下Rs遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮?并定義在:開(kāi)路狀態(tài)下, I = 0 ,V = Voc ;最大功率點(diǎn),V = Vm , I = Im的條件下建立硅光伏電池的工程用數(shù)學(xué)模型。按此,光伏電池的IV方程可簡(jiǎn)化為： (2-2

31、)在最大功率點(diǎn)時(shí), V = Vm , V = Vm,可得 (2-3)由于在常溫下eVm /(C2Voc ) 1,可忽略式中的“1”項(xiàng)，解出 (2-4)開(kāi)路時(shí)，I = 0,V = Voc， （2-5）由于，忽略式中的“1”項(xiàng)，解出 （2-6）因此,本模型只需要輸入光伏電池通常的技術(shù)參數(shù)Isc、Voc 、Im、Vm，就可以根據(jù)式(24) 、(26) 得出C1和C2 。光伏電池IV 特性曲線(xiàn)是由(22) 確定。 上述數(shù)學(xué)模型是標(biāo)準(zhǔn)參考條件（標(biāo)準(zhǔn)參考日照強(qiáng)度ref S = 1000W/m2 ,標(biāo)準(zhǔn)參考電池溫度 =25 ）下光伏電池的數(shù)學(xué)模型，而光伏電池IV 特性曲線(xiàn)與日照強(qiáng)度和電池溫度有關(guān)。通常地面上

32、日射強(qiáng)度S 的變化范圍為01000W/m2 ,光伏電池的溫度變化較大,可能從1070。因此，考慮到日照強(qiáng)度變化和溫度影響時(shí)，可得 （2-7）其中， （2-8） （2-9） （2-10）：在參考日照下，電流變化溫度系數(shù)（A/C）；:在參考日照下，電壓變化溫度系數(shù)（V/C）: 光伏陣列模塊的內(nèi)阻上述光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單可靠、實(shí)用性強(qiáng)且易于實(shí)現(xiàn)，但是此模型如果用在控制器編程里仍有其不可克服的缺點(diǎn)，主要是參數(shù)和方程的計(jì)算涉及到多次對(duì)數(shù)運(yùn)算，對(duì)于DSP等控制器來(lái)說(shuō)完成對(duì)數(shù)運(yùn)算并非易事，所以本文在數(shù)學(xué)上需要對(duì)其進(jìn)一步簡(jiǎn)化3光伏電池的仿真模型 光伏電池本身是一個(gè)PN結(jié)，基本特性與二極管類(lèi)似，其等效電路由光生

33、電流源及一系列電阻(內(nèi)部并聯(lián)電阻R。h和串聯(lián)電阻R。)組成，見(jiàn)圖3-1所示。圖3-1光伏電池等效電路圖由太陽(yáng)能光伏電池等效電路可得出公式 (3-1) 式中，I為光伏電池的輸出電流，A為光生電流，A為流過(guò)二極管的電流，A； 為流過(guò)內(nèi)部并聯(lián)電阻的電流，A。對(duì)于有 (3-2)式中，I。為二極管反向飽和電流(一般而言，其數(shù)量級(jí)為 A，本文取 ； 為輸出電壓，V；K是玻耳茲曼常數(shù)，為。為電阻的電阻，n；T是絕對(duì)溫度K；A是PN結(jié)的理想因子。當(dāng)溫度T=300 K時(shí)，取值28；q是電子電荷，為。對(duì)式(1)中的有 (3-3)式中，R。 為電阻R 的電阻，。將式(2)、(3)代入式(1)，可得光伏電池輸出電流表

34、達(dá)式為 (3-4)圖3-2 光伏電池的MATLAB仿真模型根據(jù)光伏電池的等效電路圖，利用MatlabSimulink仿真中的電源系統(tǒng)工具庫(kù)(Power System Blockset)建立光伏電池的仿真模型，如圖3-2所示。當(dāng)光照強(qiáng)度恒定時(shí)，光生電流，不隨光伏電池的工作狀態(tài)而變化，因此可以用一個(gè)恒定的電流源來(lái)模擬。電源系統(tǒng)工具模塊庫(kù)中沒(méi)有直流電流源模塊，可對(duì)交流電流源模塊進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置，如圖3所示。電壓檢測(cè)模塊1(Voltage Measurement1)輸出值為負(fù)載R的電壓V ；電壓檢測(cè)模塊2(Voltage Measurement2)輸出值為V +。建立一個(gè)s函數(shù)模塊來(lái)表示公式(3-5)，其

35、表達(dá)式為 （3-5） 輸入值 . .I。，A，K，T(=300 K)，q已知，因此經(jīng)過(guò)此模塊后可得流過(guò)二極管的電流信號(hào)發(fā)生器Signal為受控電流源，在此要特別注意信號(hào)發(fā)生器的參考方向；Displays，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。3.1串聯(lián)電阻對(duì)光伏電池的影響 由于太陽(yáng)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(guò)板子時(shí)必然會(huì)引起電池板內(nèi)部的串聯(lián)損耗，故引入串聯(lián)電阻R 。理論上，串聯(lián)電阻越大，線(xiàn)路損失就越大，光伏電池的輸出功率就會(huì)降低，從而導(dǎo)致輸出效率的降低反之，光伏電池的輸出功率將增加，輸出效率會(huì)增大。 仿真參數(shù)設(shè)為 =10 A， =0

36、000 8，T=300 K，R=10 K。選取一組不同的負(fù)載R值進(jìn)行仿真，得到一組輸出電流、電壓、功率值，利用MATLAB曲線(xiàn)擬合工具仿真出如圖4所示的光伏電池的輸出特性曲線(xiàn)及輸出功率曲線(xiàn)。圖3-3 不同值的時(shí)光伏電池輸出曲線(xiàn)仿真結(jié)果表明，光伏電池的輸出特性呈非線(xiàn)性，每條曲線(xiàn)都有一個(gè)最大功率點(diǎn)(即光伏電池的最佳工作點(diǎn))，并且受R 的影響。R。值越小，開(kāi)路電壓越大，光伏電池的最大輸出功率值越大，光伏電池的輸出特性曲線(xiàn)中平緩線(xiàn)段越長(zhǎng)，彎度越大隨著R。的增大，平緩線(xiàn)段縮短，彎度減小，開(kāi)路電壓與最大輸出功率也隨之減小。當(dāng)R =0 歐光伏電池輸出最大功率為4552 W當(dāng)R。=0.2 Q時(shí)，光伏電池輸出最

37、大功率為0.5614 W；當(dāng)R。=0.5歐時(shí)，光伏電池輸出最大功率為0.230 1 w，如圖3-3所示。3.2日照強(qiáng)度對(duì)光伏電池的影響日照強(qiáng)度的大小直接影響太陽(yáng)能光伏電池輸出電能的多少。日照強(qiáng)度越強(qiáng)，光伏電池的輸出功率就越大l反之，輸出功率就越小。由于光生電流 Lpb受日照強(qiáng)度影響比較大，而且與日照強(qiáng)度成正比例關(guān)系嘲，因此，可以通過(guò)改變值來(lái)等效地模擬不同日照強(qiáng)度下光伏電池的輸出特性曲線(xiàn)及輸出功率曲線(xiàn)。仿真參數(shù)設(shè)為 。=O000 8 A，T-300 K。圖3-4 不同 值時(shí)光伏電池輸出曲線(xiàn)Rbh=10歐，R=O.01 。對(duì)Ih賦予不同的數(shù)值進(jìn)行仿真，得到一組輸出電流、電壓、功率值，利用MATLA

38、B曲線(xiàn)擬合工具仿真出如圖5所示的光伏電池的輸出特性曲線(xiàn)及輸出功率曲線(xiàn)。仿真結(jié)果表明，光伏電池的輸出特性呈非線(xiàn)性，并且每條曲線(xiàn)都有一個(gè)最大功率點(diǎn) 隨著日照強(qiáng)度的增強(qiáng)，光伏電池的最大輸出功率也不斷增大，日照強(qiáng)度越大，光伏電池的輸出電能就越大。當(dāng) Lph=6A時(shí)，最大輸出功率為2315 W；當(dāng) Lph=10A時(shí)，最大輸出功率為3886 W；當(dāng) Lph=20A時(shí)，最大輸出功率為73 W ，如圖3-4所示。結(jié)束語(yǔ)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的開(kāi)發(fā)利用 ,從中長(zhǎng)期來(lái)看 ,是一 項(xiàng)有利于人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的事業(yè)。作為一個(gè)致力于提高全人類(lèi)生活質(zhì)量的負(fù)責(zé)任的最大的發(fā)展中 國(guó)家 ,我國(guó)應(yīng)該且有能力為太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出 應(yīng)有的貢獻(xiàn)。 研究表明一項(xiàng)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)從研發(fā)到最終 能夠大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化