光伏電池的MATLAB仿真及其特性曲線的圖像化

茹 珂 劉勝華 朱婧楠 李譚欣 羅歆昱

(中國礦業(yè)大學(xué)〈北京〉機(jī)電與信息工程學(xué)院,中國 北京 100083)

0 前言

目前世界能源短缺與環(huán)境惡化的加劇使得人類加快了研究新能源的步伐。由于太陽能分布廣泛、蘊(yùn)藏豐富，因此太陽能發(fā)電被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的清潔能源[1-2]。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)中太陽能電池是最重要的組件，它將太陽能轉(zhuǎn)換為可以利用的電能。由于太陽能組件的特殊性，發(fā)展太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的初期投資較大，且目前太陽能電池板壽命有限，因此需要提高發(fā)電以及轉(zhuǎn)換效率從中獲得更多的能量[3]。為了從中獲得更多的能量，需要針對性的對太陽能電池的特性進(jìn)行分析。同時(shí)為了控制系統(tǒng)可以明確太陽能電池工作點(diǎn)位置，本文在驗(yàn)證太陽能電池曲線的基礎(chǔ)上應(yīng)用DSP2812繪制動(dòng)態(tài)光伏曲線圖。同時(shí)本實(shí)驗(yàn)也可用做教學(xué)，加深同學(xué)對太陽能電池特性的了解。

1 光伏電池工程數(shù)學(xué)模型

太陽能電池的基本原理是光生伏特效應(yīng)，是指光線照射在太陽能電池板。電池板吸收了光子的能量，從而產(chǎn)生激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴對。在這種效應(yīng)之下，電池板內(nèi)部產(chǎn)生電場，電池輸出端產(chǎn)生電動(dòng)勢。當(dāng)電池板的輸出端連接負(fù)載之后，就會(huì)產(chǎn)生電流，獲得電能。這就是電池板發(fā)電的基本原理[4]。太陽能電池板結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 光伏電池結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Solar Cell

本文應(yīng)用于太陽能電池的仿真數(shù)學(xué)模型如下[5]：

其中I為光伏電池輸出電流；V為光伏電池輸出電壓；Isc為短路電流；Voc為開路電壓；Im為最大功率點(diǎn)電流；Voc為最大功率點(diǎn)電壓；

考慮太陽輻射以及溫度變化對太陽能電池的影響之后，公式變?yōu)椋?/p>

R與Tc分別為當(dāng)前的光照強(qiáng)度以及溫度；

R與Tref分別為光照強(qiáng)度與溫度的參考值，分別為1kW/m2,25℃;

α為在參考日照條件下，太陽能電池的電流溫度變化系數(shù)；β為在參考日照條件下，太陽能電池的溫度變化系數(shù)；Rs為太陽能電池板的串聯(lián)電阻；

通過上述模型將復(fù)雜的光伏電池簡化為由光照R、溫度Tc、短路電流Isc、開路電壓Voc、最大功率點(diǎn)電流Im、最大功率點(diǎn)電壓Voc這些已知量的關(guān)系式。

2 基于MATLAB的太陽能仿真模型

圖2 太陽能電池板仿真模型Fig.2 The simulation module of the Solar Cell

根據(jù)上述的關(guān)系式對電池板進(jìn)行仿真，在simulink中將計(jì)算的公式模塊化可得太陽能電池的仿真圖[6]，參數(shù)如圖2所示。

根據(jù)上述仿真，電壓為給定信號(hào)，其值由0按以斜率為1上升至開路電壓VOC，運(yùn)行上圖仿真可得在該參數(shù)下P-V與I-V的關(guān)系為：

圖3 仿真的P-V和I-V曲線Fig.3 The P-V and I-V waveform of simulation

3 驗(yàn)證分析

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對與仿真參數(shù)相同的太陽能電池板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。太陽光輻射強(qiáng)度取為l kW／m2，環(huán)境溫度選取25℃，最大功率點(diǎn)電壓為17.5V，最大功率點(diǎn)電流為 3.43A，開路電壓為 21.3V，短路電流 3.74A。實(shí)驗(yàn)使用鹵素?zé)魹檎丈涔庠矗欢ǔ潭壬媳ＷC了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。將光伏電池輸出端接至電子負(fù)載，分別在不同的電壓下獲取30個(gè)點(diǎn)作為一組數(shù)據(jù)。在測量多組數(shù)據(jù)之后，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并輸入MATLAB中后得到下面的曲線。

圖4為太陽能電池板P-V曲線：

圖4 太陽能電池板實(shí)驗(yàn)的P-V曲線Fig.4 The P-V waveform of experiment

圖5為太陽能電池板I-V曲線：

圖5 太陽能電池板實(shí)驗(yàn)的I-V曲線Fig.5 The I-V waveform of experiment

通過圖中的數(shù)據(jù)，可以看出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果是相吻合的。證明公式推導(dǎo)以及仿真的準(zhǔn)確性，為以后工程使用提供了論據(jù)。

4 光伏特性曲線的圖像化

根據(jù)上述中推導(dǎo)的公式，基于DSP2812單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行光伏曲線特性圖像化的工作。

分別使用光照傳感器與溫度傳感器實(shí)時(shí)采集目前的溫度與光照情況，通過DSP2812對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并進(jìn)行內(nèi)部處理之后顯示在128*64的液晶顯示屏上。硬件電路如下圖所示：

圖6 圖像化實(shí)際電路Fig.6 Visualization of the actual circuit

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下，顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示目前溫度，光照條件之下的太陽能電池特性曲線。如圖7所示：

圖7 U-I特性的顯示Fig.7 U-I characteristic display

在運(yùn)用進(jìn)行編程的過程中出現(xiàn)了兩個(gè)難題，一個(gè)是圖像的不連續(xù)問題，一個(gè)是參數(shù)發(fā)生變化后圖像不能清除之前被點(diǎn)亮的點(diǎn)的問題。在處理第一個(gè)問題時(shí)，采用整行檢查是否有點(diǎn)亮點(diǎn)的方法，如果沒有點(diǎn)亮點(diǎn)則將上一行被點(diǎn)亮點(diǎn)的縱坐標(biāo)為本行點(diǎn)亮點(diǎn)的縱坐標(biāo)，進(jìn)行點(diǎn)亮；在處理第二個(gè)問題時(shí)采用在本行點(diǎn)亮下一個(gè)點(diǎn)時(shí)掃描是否有被點(diǎn)亮點(diǎn)，有則將此點(diǎn)消除在進(jìn)行點(diǎn)點(diǎn)操作。

5 結(jié)論

光伏陣列的I—V特性除了與光伏電池模塊參數(shù)有關(guān)以外，還與環(huán)境溫度，太陽輻射強(qiáng)度有關(guān)。本文不僅利用實(shí)際搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測量了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后對所用電池板的輸出特性進(jìn)行仿真，還利用在MATLAB仿真環(huán)境下直接建立太陽能電池的仿真模型來動(dòng)態(tài)跟蹤環(huán)境溫度、太陽輻射強(qiáng)度等參數(shù)的變化，還用DSP2812實(shí)現(xiàn)了顯示屏顯示了I-V曲線因環(huán)境溫度，太陽輻射強(qiáng)度變化而變化動(dòng)態(tài)過程。使控制系統(tǒng)可以明確太陽能電池工作點(diǎn)位置，同時(shí)本實(shí)驗(yàn)也可用做教學(xué)，加深同學(xué)對太陽能電池特性的了解。

［1］孫本新.太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置[D].大連理工大學(xué)，2002.

［2］趙為.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2003.

［3］黃紅橋，危韌勇，陳有根，楊金.光伏并網(wǎng)微逆變器研究中的關(guān)鍵技術(shù)[J].變頻器世界，2012（3）：53-61.

［4］陳昌喆.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究與設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué)，2010.

［5］董振利.基于DSP與dsPIC的數(shù)字式太陽能電池陣列模擬器研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

［6］林飛,杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].中國電力出版社，2008.