不同因素对太阳能电池输出性能的影响

袁文龙，马 凡

（安徽农业大学a.工学院；b.信息与计算机学院，合肥 230036）

0 引言

随着世界人口总量的不断攀升，各个国家为了解决经济发展和社会需求问题，不断在积极寻找新型的能源以减少开采地球所蕴藏的煤、石油和天然气等化石燃料。对于这些有限的化石能源来说，无限制地开采有朝一日必将导致它们的枯竭[1]。大量地使用化石燃料，对全球的环境和生态系统也会造成严重的破坏和污染。随着科学技术的进步，在目前的新型能源利用方式中，通过太阳能发电已经取得一定的突破发展，相比于风能、潮汐能等新能源，太阳能不受地形环境的影响，是取之不竭，用之不尽的清洁能源，合理利用太阳能发电，不仅能减缓化石燃料的开采速度，也有助于环境的保护[2]。因此，太阳能在今后能源体系中必将占有一席之地。太阳能电池在发电工作中，会将光能转变为电能，其输出性能不仅会受到光照强度的影响，而且也会受到工作温度等其他因素的影响[3]。因此，利用Matlab/Simulink软件建立太阳能电池仿真模型，研究太阳能电池的输出性能，通过仿真得到其输出特性曲线，并分析其在不同外界环境因素下能够输出的最大功率点，对今后太阳能电池的发展以及实现在最大功率点工作具有理论借鉴意义。

1 太阳能电池的工作原理

太阳能电池是一种将光能直接转变为电能的清洁能源发电装置[4]，以硅元素作为半导体材料的太阳能电池为例，其工作原理是利用半导体P-N结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当光线照射到物体表面上时，物体内部产生电子与空穴对，电子进入半导体的N区，空穴对进入半导体的P区，这样就使N区聚集了大量的电子，P区聚集了过剩的空穴对，打破了物体内原本的电荷分布状态，使P区带正电荷，N区带负电荷，让两区之间产生了电动势与电流，进而实现光到电的能量转换[5-6]。其等效电路图如图1所示，Iph为太阳能电池光电流，Id为流经半导体的电流，Rs、Rsh分别代表太阳能电池串并联电阻值，Is、Ish分别代表流经串并联电阻的分电流，I、V分别代表负载两端的电压与电流。

图1 太阳能电池等效电路图

2 太阳能电池数学模型

通过对太阳能电池的工作原理进行分析，结合光伏电池等效电路，根据基尔霍夫电流定律[7-10]得到流过负载的电流数学表达式为

其中，I为太阳能电池流经负载的电流（A），IPH是太阳能电池产生的光电流（A）；Id是流经二极管的结电流（A）；Ish为流经并联电阻电流（A）；

其中（1）式中光电流Iph可以用公式表示为

其中，Isc表示太阳能电池短路电流（A）；ki表示在标准测试条件下（工作温度为25°C，光照强度为1 000W/m2）的短路电流系数（0.003 2）；G表示光照强度（W m2）；T表示太阳能电池工作时工作温度（K）。

Id表示流经二极管的电流，其表达式为

其中，I0为二极管饱和电流，n代表的是二极管的理想系数（1.3）；V表示负载两端的电压；Rs是串联电阻值（0.22Ω）；q是代表电子电荷（1.6×10-19C）；K表示波皮兹曼常数（1.38×10-23J/K）；Ns表示并联电池数目。

上式中二极管饱和电流I0可表示为

Irs为反饱和电流（A）；Tn为正常温度（298 k）；Eg0为半导体的禁带能量（1.1 eV）。

其中反饱和电流Irs的表达式为

式中Voc为开路电压（V）；

通过（3）、（4）两式可以得到Id的表达式为

流经并联电阻电流Ish表达式为

其中：Rsh表示并联电阻值（413.5Ω）；

因此通过以上公式，可以得到负载电流I的表达式为

3 建模与仿真结果

3.1 MATLAB/Simulink 建模

如图2所示，在MATLAB/Simulink软件环境下建立太阳能电池仿真模型，仿真模型中主要包括饱和电流I0、反饱和电流Irs、光电流Iph、并联电阻分电流Ish以及流经负载的电流I五个子模块。太阳能电池基本仿真参数是制造商在标准环境下（环境温度为25℃，光照强度为1 000 W/m2）测得，其最大功率Pmax=200 W，最大功率点电压Vmp=26.2 V，最大功率点电流Imp=7.55 A，开路电压VOC=32.5 V，短路电流Isc=8.20 A，仿真采用太阳能阵列，其中并联太阳能板的数目Ns=54个，串联太阳能板的数目为1个。

图2 太阳能电池仿真模型

3.2 仿真结果分析

通过改变工作温度与光照强度参数值，得到太阳能电池输出性能结果如下：

3.2.1 工作温度对太阳能电池输出特性的影响

仿真时设置光照强度G为1 000 W/m2，工作温度参数设置4个梯度，从15℃增加到45℃，仿真时间设置为4秒，得到在不同工作温度下太阳能电池输出特性曲线如图3、图4所示。

图3 不同工作温度下的电压-电流曲线

图4 不同工作温度下的功率-电压曲线

从图3所示的I-V可知，不同工作温度下短路电流Isc保持在8.20 A左右，并随着环境温度的提高，短路电流Isc值在逐渐减低；同时太阳能电池的开路电压值Voc也随着环境温度的升高而降低。

从图4的P-V仿真结果得知，太阳能电池的开路电压随工作温度升高而降低的同时，输出的最大功率值也在逐渐减少。

3.2.2 光照强度温度对太阳能电池输出特性的影响

设置工作温度为25℃，设置光照强度分别为600 W/m2、800 W/m2、1 000 W/m2、1 200 W/m2，得到不同光照强度下的太阳能电池输出特性曲线如图5、图6所示。

图5 不同光照强度下的电压-电流曲线

图6 不同光照强度下的功率-电压曲线

从图5不同光照强度下的电压-电流曲线可以看出，不同光照强度下的短路电流Isc值随着光照强度的提高而逐渐增加，同时太阳能电池的开路电压值VOC也随光照强度的提高逐渐增加。

从图6不同光照强度下的P-V曲线可以得到，随着光照强度的提高，太阳能电池的输出最大的功率值不断提高，相同开路电压值下，随着光照强度提升，输出功率值就越高。

4 结束语

太阳能电池是一个非线性输出的清洁能源发电装置，其输出性能不仅受到材料特性、自身参数的影响，而且还与工作时的环境温度、光照强度等外部因素有着密切关系。以工作温度、光照强度作为太阳能电池输出特性的影响因素，建立太阳能电池模型，仿真时将两者的参数值按照梯度变化，得到不同工作温度下、不同光照强度下的P-V与I-V输出特性曲线，通过与太阳能电池制造商提供的参数进行对比，验证了本模型的适用性与合理性。可为后续太阳能电池理论与技术的研究提供依据。