太阳能电池的仿真模型设计和输出特性研究报告

1、-. z.太阳能电池的仿真模型设计和输出特性研究玲摘要：在考虑了光照强度和电池温度2种因素对太阳能电池技术参数和输出特性影响的根底上，采用了太阳能电池的实用化数学模型在电力系统电磁暂态软件平台EMTPATP上利用MODELS语言和TACS功能搭建了太阳能电池的通用仿真模型。该模型的功能主要是通过改变短路电流开路电压，最大功率点电流、电压等太阳能电池板的技术参数研究不同型号太阳能电池板的伏安特性和功率特性。并针对3组不同光照强度和电池温度对太阳能电池板的伏安特性和功率特性进展了仿真研究。研究结果说明：随着光照强度的减小太阳能电池板的最大输出功率也减小；随着电池温度的减小。太阳能电池板的最大输出功

2、率呈上升态势。关键词：太阳能电池；伏安特性；功率特性；电磁暂态仿真软件；MODELS语言0引言光伏发电是根据光生伏特效应原理利用太阳能电池将太能直接转化为电能。太阳能电池在无外加电压时光照引起的载流子迁移会在PN结两端产生光生电动势，即光伏效应。载流子迁移形成自N区向P区的光生电流光生电动势相当于在PN结两端加正向电压从而在部产生正向电流。在PN结开路时光生电流和正向电流相等时到达稳定态在PN结两端建立起稳定的电势差，这就是光电池的开路电压。如果将PN结与外电路接通在光照时就会有电流通过电路，此时PN结相当于一个电流源1。由于太阳能电池吸收光能的效率受外界条件的影响比拟严重因此建立通用的太阳能

3、电池模型来研究外界条件对太阳能电池输出特性的影响。太阳能电池的理论模型已经比拟成熟但是，电力系统仿真分析软件平台中还没有通用的太阳能电池模型。电磁暂态软件EMTPATP(ElectroMagneticTransient ProgramAlternative Transient Program)【2】是广泛使用的电力系统分析软件平台。本文利用ATP中MODELS语言和TACS(Transient Analysis ofControl Systems)功能对太阳能电池模型进展建模进而通过仿真分析深入研究太阳能电池的技术参数对其输出特性的影响。1太阳能电池模型的建立11 基于物理概念的数学模型的建立

4、太阳能电池的工作状态可用一个等效电路来模拟。在恒定光照下。一个处于工作状态的光电池，其光电流Iph不随T作状态而变化，在等效电路中，可把它看作恒流源光电流一局部流经负载在负载两端建立端电压U反过来它又正偏于PN结引起一股与光电流方向相反的暗电流Id。引入串联电阻Rs和并联电阻Rsh，形成一个较为接近实际的简化等效电路，如图l所示。图1光伏电池的等效电路图如图l所示由太阳能光伏电池等效电路可得出公式【3】：式中，I为光伏电池的输出电流；Iph为光生电流；Ish为流过部并联电阻Rsh的电流。对于Id有式中I0为二极管反向饱和电流(其数量级为10-4 A，一般取，Io=810-4A)；U为负载端电压

5、；k为玻耳兹曼常数；Rs为串联电阻；T为绝对温度；A为PN结的理想因子当温度T=300 K时。取值28；q为电子电荷。对式(1)中的Ish有式中Rsh为并联电阻。将式(2)(3)代入式(1)，可得光伏电池输出电流表达式4为式(4)为基于物理原理的最根本的解析表达式已被广泛应用于太阳能电池的理论分析中但由于表达式中的参数Iph、Io、A、Rsh和Rs不属于供给商向用户提供的技术参数。它们不仅与电池温度和光强有关而且难以明确，因此不适用于光伏发电系统工程设计12太阳能电池的实用化数学模型的建立实用性模型即所谓的工程模型。引通常采用供给商提供的几个重要技术参数，如短路电流Isc、开路电压Uoc、最大

6、功率点电流Im, 最大功率点电压Um、最大功率点功率Pm，能在一定的精度下复现太阳能电池特性，并便于计算机分析。在EMTPATP中，在根本解析表达式(4)的根底上，通过忽略(U+IRs)Rsh项和设定Iph=Isc，得到太阳能电池的实用化模型。忽略(U+IRs)Rsh项，是因为在通常情况下Rsh较大，有几百到几千欧姆，该项远小于光电流；设定Iph=Ish，是因为在通常情况下尺、远小于二极管正向导通电阻。按以上简化方法设立中间系数A、B。可将太阳能电池的I一U方程可简化为6并通过定义：a开路状态下，I=0，U=Uoc；b最大功率点，U=Um，I=Im；计算得到参数A、B的值。在最大功率点时，U=

7、Um，I=Im，可得到式(6)：由于在常温条件下eUm/(BUoc)远大于1从而得出：注意到开路状态下，当I=0时，U=Uoc，并把式(7)代人式(5)得到：由于e1/B远大于1，得出：因此本模型只需要输入太阳能电池通常的技术参数Isc、Uoc、Im、Um，就可以根据式(5)确定电池模型的I一U特性。13 光照强度和电池温度对电池技术参数影响根据参考日照强度和参考电池温度下的Isc、Uoc、Im、Um推算出新日照强度和新电池温度下的Isc、Uoc、Im、Um，再代入实用表达式得到新日照强度和新电池温度下的IU特性曲线7。推算过程中tref为标准电池温度取值为25，Sref为标准日照强度取值l

8、kWm2。假定，I一U特性曲线根本形状不变，系数a、b、c可取典型值8：a=0.0025，b=0.5, c=0.00288。2 基于EMTPATP的太阳能电池板模型21变量输入模块的建立首先，根据太阳能电池的特点：将太阳辐射强度和电池温度作为其模型的输入变量在ATPDraw中建立电池板变量输入的模型。用MODELS语言根据式(10)(11)编写变量模块光强S和电池温度t为实时数据其主要作用是根据标准光强和电池温度对实际光强和电池温度进展修正(如图2所示).22电池技术参数修正模块电池板输入参数模型是依据式(12)(15)对4个输入分量Isc、Uoc、Im、Um分别建模，并根据前一级光强和温度的

9、修正值S和t把由电池厂商所提供的电池板技术参数转换为实际工程参数Isc、Uoc、Im、Um。本文采用EMTPATP建模时在分量作为下一级输入之前需要把MODELS输出节点转换成TACS控制节9以将输入数据传递给电池模块进展计算(如图3所示图中的MODTAC模块为节点转换模块)。中间系数A、B为太阳能电池实用化简化过程中所设立的中间变量其结果需要利用修正后的电池参数Isc、Uoc、Im、Um，并根据公式(7)(9)计算得出。利用MODELS语言和TACS功能进展建模，其中Isc、Uoc、Im、Um 首先作为模块B的输入量，之后再和B的输出一起作为模块A的输入从而得出2个系数值(如图4所示M为数值

10、检测器可以检测到该节点的实时数据)。23电流和功率模块简化后的公式(5)是电流I模块的数学模型根据其需要的输入量利用MODELS语言进展建模。其中F模块为实施数值输入模块其和图4中的数值检测器M相对应。把实时数据Isc、Uoc、A、B和检测到的负载电压共同作为电流模型的输入量。然后结合输出电流和负载电压根据P=IU建立功率模块并连接。电压与电流的输入同样需要进展节点转换将电气量转换为TACS控制信号作为功率特性的输入。参加MOD-TAC模块后并在电流和功率的输出端添加数值检测器M以检测到该点的实时数据用于仿真研究(如图5所示)。24太阳能电池物理仿真系统示意图将本文所做的变量输入模块、电池参数

11、修正模块、中间系数计算模块以及电流和功率模块通过TACS里的一些根本数学运算模型进展连接后构成了太阳能电池的EMTP整体模型(如图6所示)。3仿真研究和结果分析31输出特性仿真输入的电池数据选取的是典型太阳能电池参数。在实际仿真中可以根据电池生产厂商所提供的技术数据进展修改。改为对应的电池参数。太辐射强度取为l kWm2环境温度选取25最大输出Pma*为108.2 W，最大工作电压Um为36.2 V，最大工作电流Im为2.99 A，开路电压Uoc为43.5 V，短路电流Isc为3.28 A。根据以上建立的光伏电池实用化模型在输出端电流I和功率P点设置探测器M可以得出相应的实验数据并分析输出后的

12、I一U特性曲线和PU特性曲线(见图7)。从得出的数据曲线可以看出该模型所表现出的I一U特性和PU特性。并且通过计算分析可以得出最大功率值为108334 W与典型模块所给出数据根本吻合。32 光强和电池温度对I一U及PU特性的影响首先为了研究光照强度对2种特性的影响，选取3组不同的光强，分别是Sl=l 000 Wm2,S2=800Wm2, S3=600 Wm2。电池的其他技术参数不做更改，温度设为25。输出结果如图8所示。并通过计算可以得出3个光强对应的不同最大时输出功率分别为108.334、78.001、52.000 W。由此可以看出：随着光强的减小。太阳能电池板的最大输出功率也减小。再研究电

13、池温度对2种输出特性的影响。输入3组不同的电池温度值，分别是t1=25。t2=30。t3=35。其他技术参数不变，光强为S=1000Wm2。如图9所示通过计算得出3个电池温度所对应的最大功率值分别为108334、108109、107.845 W。可见，太阳能电池板输出的最大功率是随着电池温度的增加而减小的。但是，电池温度对于太阳能电池板的输出功率变化的影响不如光强影响则明显。4 结论本文通过对太阳能电池数学模型的研究在电力系统电磁暂态软件EMTPATP仿真平台上建立了太阳能电池的实用化模型并利用该模型对太阳能电池的输出特性进展了仿真研究验证了该模型的有效性。应用本文所开发的通用模型可以对太阳能

14、电池在不同光强和电池温度下的伏安特性和功率特性进展详细的分析研究不但扩大了EMTPATP软件的元件库而且也为应用多仿真平台研究太阳能电池工作特性提供了新的手段。参考文献：1任驹，郭文阁，建邦基于PN结的太阳能电池伏安特性的分析与模拟J光子学报，2006，35(2)：171175REN Ju，GUO Wenge，ZHENG JianbangAnalysis and simulation of solar cellVA properties based on PN junctionJActs Photonica Sinica，2006，35(2)：1711752KIM C H，LEE M H，AG

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