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光伏电池的研究与仿真分析案例

目录

TOC\o1-3\h\u26866光伏电池的研究与仿真分析案例 1

191261.1光伏电池的发电原理 1

53261.2光伏电池数学模型的建立 2

307961.3光伏电池仿真模型的搭建 5

63201.4光伏电池的特性输出曲线 8

262031.4.1功率电压特性曲线与电流电压特性曲线 8

6411.4.2光照强度对电池输出的影响 9

106381.4.3温度对电池输出的影响 10

光伏电池的发电原理是光伏板通过光生伏特效应（简称“光伏效应”）将吸收的太阳能经过内部结构的处理变成直流电，最后输出给光伏电池所供应的负载。本章将会以研究光伏电池的发电原理作为出发点，再根据发电原理等效出光伏电池的电路原理图，然后根据电路原理图推导出其数学模型和公式，根据数学模型在仿真软件里搭建出光伏电池的仿真框图。运行仿真框图得到不同条件下的光伏电池的输出特性曲线。

1.1光伏电池的发电原理

太阳能电池是利用半导体材料的光电效应，将太阳能转换成电能的元件。太阳能通过光伏电池转换成电能的效率受到光强，温度，光电池采光板面积的的影响。

图1.1PN结发电原理图

光伏板光生伏特效应的基本过程：半导体PN结受到光照时，半导体的内部就会形成新的空穴-电子对，在PN结电场的作用下，光生空穴由N区流向P区，光生电子由P区流向N区，当光伏电池接通带有负载的外电路时，电路中就会形成电流，通过光伏电池向外电路输出功率[3]。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

太阳能电池的光生伏特效应原理图如图1.1所示。

1.2光伏电池数学模型的建立

为了使研究光伏电池的发电过程更加方便，根据光伏电池的工作原理可以得到光伏电池的等效的电路图，如图1.2所示：

图1.2光电池等效电路图

通过观察图1.2，由KCL可知输出电流I：

(1.1)

上式中：

(1.2)

(1.3)

由式（1.1-1.3）得：

(1.4)

式（1.4）中，U代表光伏电池的输出电压；和分别是光生电流和二极管的反向饱和电流；为流过二极管的电流；q是电荷常量（）；为旁路电流；是光伏电池连接负载后的输出电流；、分别表示光伏电池的等效并联电阻、串联电阻；K是玻尔兹曼常数（）；表示二极管理想因子，（一般取1~2）；T表示光伏电池的温度。

在实际的现实工程中，因为的实际阻值要远远大于的阻值，所以式（1.3）可以近似地看作是0，那么公式（1.4）可化简成：

(1.5)

为了方便得到光伏电池的输出特性的公式，现引入，两个参数，分别表示：，，将、带入到式（1.5）中，因此光伏电池的特性输出方程可以简化成：

(1.6)

式（1.7）为带入最大功率点处的最大电流和最大电压后的公式：

(1.7)

从上示公式得知，确定光伏电池的输出特性，只需要求得、这两个参数。光伏电池标准条件下的最大功率点处的电压、开路电压、短路电流和最大功率点处的电流是生产商给定的，以此就可计算出、。

当光伏电池开路时，有式（1.8）：

(1.8)

根据上述公式可求得式（1.9）：

(1.9)

因为光伏电池的输出特性受到光照强度和温度的影响，光照强度和温度发生改变时光伏电池的输出参数也会发生变化。所以当环境发生变化后，就需要根据修正系数求出实时的、、和，就可以得到光伏电池的新输出特性公式。如下：

(1.10)

(1.11)

(1.12)

(1.13)

这样一来，根据给定的、、和，将其带入式（1.6）便可以得到光伏阵列在标准条件下的输出特性方程如式（1.14-1.15）。

(1.14)

(1.15)

A、B、C为补偿系数。是光照强度之差，是温度之差（与标准环境相比）。是任意的开路电压，是任意的最大电流。

1.3光伏电池仿真模型的搭建

根据上文光伏电池的数学模型和相关数学公式，在MATLAB/Simulink中搭建光伏电池的仿真模型。

光伏电池的模型框图如图1.3所示：

图1.3光伏电池仿真整