基于MATLAB的光電轉(zhuǎn)換分析

付敏 陳軍峰 侯學(xué)華

【摘要】本文首先介紹了在能源危機的大背景下，太陽能光伏發(fā)電的重要性。主要分析了光伏電池的電路模型，推導(dǎo)出光伏電池的電流輸出和功率輸出，然后利用MATLAB繪出光伏電池的U-I、U-P特性曲線，以及在不同光照和溫度下的輸出特性，最后對光伏電池最大功率點跟蹤算法進行了簡單介紹。

【關(guān)鍵詞】太陽能;光伏電池;輸出特性;最大功率點

一、引言

太陽能是一種新興的綠色能源，以可靠耐用、維護成本低、安全且無污染等優(yōu)點。但在應(yīng)用中仍存在以下缺點。

（1）光伏陣列發(fā)電效率低。

（2）系統(tǒng)成本高。

（3）環(huán)境因素影響較大等。

面對以下難題，各個國家都在積極展開如何提高光伏電池組件的能量轉(zhuǎn)換效率的研究并提出解決辦法。

1.改造光伏電池的制造工藝。

2.對太陽光角度進行跟蹤。

3.設(shè)計MPPT控制器。

二、光伏電池的電路模型分析

硅太陽能電池是使用最普遍的一種利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的光伏電源。為實現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，就要對硅太陽能電池的數(shù)學(xué)模型進行分析處理，以便對光伏系統(tǒng)進行研究和設(shè)計。

根據(jù)電子學(xué)理論，硅太陽能電池的等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

圖2 太陽能電池I-U特性曲線

圖1中，Iρh為光生電流，其值正比于光伏電池的面積和入射光的光照強度;ID為流經(jīng)二極管的電流;I為光伏電池輸出的負載電流;UD為等效二極管的端電壓，無光照情況下，光伏電池的基本行為特性類似于一個普通二極管;U為負載兩端電壓;RL為電池的負載電阻;RS為等效串聯(lián)電阻，Rsh為等效并聯(lián)電阻。一般來說，質(zhì)量好的硅晶片的RS約為7.7～15.3mΩ之間，RSh在200～300mΩ之間。

太陽能電池的伏安特性是指圖1中I-U關(guān)系曲線。由圖1可得：

（1）

通過各變量之間的關(guān)系得光伏電池的I-U曲線方程：

（2）

其中：

（3）

（4）

式中，Isc為光伏電池的短路電流;

I0為光伏電池內(nèi)部等效二極管PN結(jié)反相飽和電流;

Uoc為光伏電池的開路電壓;

q為電荷量，值為1.6×10-9C;

k為波爾茲曼常數(shù)，值為1.38×10-23J.K-1;

T為絕對溫度，單位為K;

A為PN結(jié)的曲線常數(shù)，其值一般在1—2之間變化。

由于光伏電池的性能指標會受工作環(huán)境多種外部因素的影響，而且環(huán)境溫度和光照強度的影響經(jīng)常同時存在，所以實際應(yīng)用中使用的數(shù)學(xué)模型，通常采用供應(yīng)商提供的光伏電池在標準工作狀態(tài)下的以下參數(shù)：Uoc、Isc、Um、Im，其中，Um為最大功率點電壓，Im為最大功率點電流。這樣就可以簡化構(gòu)造一個近似的工程使用模型如下式所示：

（5）

其中：C1、C2為系數(shù)，分別為：

（6）

（7）

如果考慮環(huán)境溫度與光伏電池溫度之間的關(guān)系，電池溫度T和環(huán)境溫度Tair、光照強度G的關(guān)系為：

（8）

其中K為比例常數(shù)，值為：

K=0.03℃·m2 ·W-1。

在任意實際光照強度G和電池溫度T下四個參數(shù)值Uoc、Isc、Um、Im可由下式求得：

（9）

其中，a、b、c是常數(shù)，分別為a=0.0025，b=0.5，c=0.0028。

取Tref=25℃，Gref=1000W·m-2。

三、光伏電池的輸出特性分析

通過對光伏電池模型分析，可見，根據(jù)此模型只需要輸入太陽能電池通常的技術(shù)參數(shù)Uoc、Isc、Um、Im、T、G，由式（8）、（9）求出U'oc、I'sc、U'm、I'm、T'、G'，再由式（6）、（7）求出C1、C2，代人式（5），可確定太陽能電池的伏安特性。

例如某種型號的硅太陽能電池的一組參數(shù)為：

Uoc=43.6V、Isc=8.35A

Um=34.8V、Im=7.47A

取T=30℃、G=800W·m-2，根據(jù)上述條件用MATLAB得到當(dāng)前條件下太陽能電池的I-U曲線如圖2所示。

從I-U特性曲線上可以看出，太陽能電池既非恒壓源，也非恒流源，也不可能為負載提供任意大的功率，是一種非線性直流電源，其輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)近似恒定，在接近開路電壓時，電流下降很大。

由式（5）可得太陽能電池的輸出功率為：

（10）

利用MATLAB同樣可得到太陽能電池U-P （伏—瓦）特性曲線如圖3所示。

圖3 太陽能電池U-P特性曲線

從U-P特性曲線上可以看出，太陽能電池的輸出功率在電壓低于最大功率點電壓時，輸出功率幾乎隨負載兩端電壓U的增加而呈現(xiàn)性增長。當(dāng)電壓大于最大功率點電壓時，輸出功率反而不斷減小。當(dāng)負載很大時，可認為其開路，輸出功率近似為零。

四、最大功率點跟蹤原理

光伏發(fā)電存在的問題是光伏電池的輸出特性受外界環(huán)境影響大，電池表面溫度和光照強度的變化都可以導(dǎo)致輸出特性發(fā)生較大的變化。并且，由于目前太陽能電池的成本高、轉(zhuǎn)換效率低，價格昂貴，初期投入較大。并且其輸出功率易受日照強度、環(huán)境溫度等因素的影響，為了提高光伏系統(tǒng)的效率，充分利用光伏電池所產(chǎn)生的能量是光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本要求。在現(xiàn)在的光伏系統(tǒng)中，通常要求太陽能電池的輸出功率始終保持最大，即系統(tǒng)要能實時地跟蹤太陽能電池的最大功率點。

因此，要解決此問題可在光伏電池與負載間加入最大功率點跟蹤裝置，使光伏電池始終能夠輸出其最大功率，以提高太陽能的利用率。最大功率點跟蹤控制策略為實時檢測光伏陣列的輸出功率，采用一定的控制算法預(yù)測當(dāng)前情況下陣列可能的最大輸出功率，通過改變當(dāng)前的阻抗情況來滿足最大功率輸出的要求。這樣即使光伏電池的結(jié)溫和光照強度變化使得陣列的輸出功率變化，系統(tǒng)仍然可以運行在當(dāng)前情況下的最佳狀態(tài)。

目前常用的最大功率點跟蹤（MPPT）方法主要包括恒定電壓法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、間歇掃描法、“上山法”等，主要通過測量電池的輸出電壓和輸出電流。來判斷輸出功率的變化方向，從而調(diào)整電池工作狀態(tài)向最大功率點位置移動。

傳統(tǒng)的擾動觀察法是通過不斷的外加擾動電壓來觀察光伏電池的輸出功率的變化，從而尋找最大功率點。參考圖3通過改變光伏陣列的輸出電壓，觀察其輸出功率的變化，若擾動后的輸出功率大于原輸出功率，則表明此刻的擾動方向是正確的，應(yīng)繼續(xù)向該方向擾動;若擾動后的輸出功率小于原輸出功率，則表明當(dāng)前擾動方向錯誤，應(yīng)往反方向進行擾動。

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