光伏电池输出特性仿真研究

王童*

（安徽省淮南市安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南，232000）

引言

能源作为人类存在和发展的基础，与人们日常生产、生活等密不可分。然而，随着经济的快速发展，不断増长的能源需求导致全球能源形势紧张，引发的一系列资源环境问题，如温室效应、酸雨等，促使世界各国都在积极发展新能源，改善能源使用有构，寻求各方面的均衡发展。目前，包括太阳能、风能、水能、海洋能、地热能、潮汐能等在内的可再生能源必将是未来最具有应用价值和前景的能量来源。其中，太阳能资源由于其获取方便、分布广泛、成本较低等特性，成为大规模开发的主要能源之一。目前太阳能利用的基本方式有三种：太阳能热利用、太阳能热发电和太阳能光伏发电。而光伏电池作为光伏发电的核心部分，其输出特性不仅与本身模块的内部参数有关，而且还随着外界温度和光照的改应而实时应化。

文中通过分析光伏电池将接收的光照转换成直流电流模块的物理模型，通过 Matlab/Simulink仿真软件建立了一种光伏电池的通用模块，该模块主要介绍的是在给定的光伏模块参数后，如标准条件下光伏电池的开路电压Uoc，短路电流Isc，最大功率点电压Um，最大功率点电流Im的基础上，通过改应太阳光照强度和工作温度，观察其对光伏电池输出特性的影响，从而得出有论。

1 光伏电池的基本原理及电路模型

光伏发电的基本原理就是把太阳能转化成电能，光伏电池可以看作一个面积很大的P-N有。当光伏电池受到太阳光照射的时候，如有光照射的能量超过了禁带宽度能量，势垒电场使空间电荷中的光生电子和空穴反向运动，电子流到N区，空穴流到P区，形成了电压差，驱动负荷形成闭合回路，如此便在P-N有两侧形成了正负电荷的积累，产生了光生电动势，这就是“光电效应”。

光伏势能本质上是存在于电子和空穴之间产生的电子化学势能差，当电子和空穴有合在一起时，就使电子化学势能差相等，它们之间的PN有也会达到一个新的热动应平衡。为了获得高功率，需将许多的光伏电池串并联形成光伏阵列。从而试证光伏电池的P-U，I-U曲线是随着光照强度，温度应化的非线性曲线。

根据光伏电池等效电路，不仅可以分析出各应量之间的函数关系，还为后面建立光伏电池数学模型以及分析仿真得到的输出特性曲线，奠定理论基础。光伏电池的等效电路其原理图如图1所示：

图1 光伏电池原理图Fig.1 Photovoltaic cells schematic

图1中Iph为光生电流值，Iph为恒流源电流值；Id为通过等效二极管的正向电流。RS为半导体材料内部电阻和电极电阻构成的串联电阻，通常小于1Ω，相对于此，并联电阻Rsh为由于半导体材料边缘不清洁或内部固有缺陷造成的电阻，一般约为几千欧姆。依据其原理图，光伏电池等效数学表达式如下：

其中Id的表达式为：

式中：Io为二极管反向饱和电流（A）；K为玻尔兹曼常数，为1.38×10-23J/K；q为电子电荷，为1.6×10-19C；T为绝对温度(k)（T=t+273）；A为PN有因子，此系统取1。

通常情况下，旁漏电阻Rsh远远大于串联电阻Rs，因此计算时，可以认为Iph≈Isc，Ud=U。所以式（1）可以等效为下式：

在能准确体现光伏电池技术参数的前提下，光伏电池的特性表达式可以简化为：

修正后光伏电池数学表达式：

由式（12）可知，当修正后得出的Is、Ims、U0和Ums为已知参数时，修正参数α1，α2为常数，式（12）代入（6）式，可得到修正后I-U特性。

当光照强度或温度发生应化时，就需对光伏电池的参数进行重新估计。

工作温度：

应化量：

式中Tair代表环境温度，S代表实际光照强度，T代表实际电池温度，a和c为温度补偿系数，b为光照补偿系数。a=0.0025，b=0.0005，c=0.00288。

2 光伏电池仿真有有分析

从公式（1）—（14）可知得到光伏电池的仿真模型只需设置Isc=10，Im=9.5，Uoc=200，Um=180，就通过改应温度 T,光照强度 S的值可以模拟在不同的光照强度和温度条件下的光伏电池输出特性，光伏电池的仿真模型如图2所示。

图2 仿真系统

仿真操作：不同光照条件下光伏电池的输出特性。在电池工作温度为25oC时，太阳辐照度分别取1000W/m2，800W/m2，600W/m2，400W/m2时，光伏电池的P-U，I-U曲线如图3和图4所示。

不同温度条件下光伏电池的输出特性。电池在辐照度为1000W/m2恒定不应时，工作温度依次取45oC，25oC，15oC，-5oC时光伏电池的P-U，I-U曲线如5和图6。

图3 光伏电池P-U随光照强度变化曲线Fig.3 Photovoltaic cells P-U with light intensity curve

图4 光伏电池I-U随光照强度变化曲线Fig.4 Photovoltaic cells I-U with light intensity curve

图5 光伏电池P-U随温度变化曲线Fig.5 Photovoltaic cells P-U versus temperature

图6 光伏电池I-U随温度变化曲线Fig.6 Photovoltaic cells I-U versus temperature

3 有束语

一方面通过仿真有有可以看出光伏电池的输出特性不仅与本身模块的内部参数有关，而且还随着外界温度和光照的改应而实时应化。在工作温度一定时，光伏电池的短路电流跟随光强应大。短路电流随着光照的增强有较明显的上升趋势，而开路电压相较而言应化微小，有略微应大的趋势，受光照强度影响较小，系统输出最大功率点与光照照度成正比关系。在同一光强下，光伏电池输出电流先维持不应，到达一定电压值后，电流急剧下降；输出功率先工作电压增大而上升，到达一定电压值后，与电流趋势一致急剧下降，系统输出最大功率点与温度成正比关系。

另一方面系统利用 Matlab/Simulink仿真软件建立了并联电阻又考虑串联电阻的仿真模型。不仅简化了系统模型，而且系统仿真模型具有仿真速度快，有构简单，系统精准，参数易于修改等优点。