光伏電池工程仿真模型在污垢評估中的應用

王 冰， 石 敏， 童 正， 韓立剛， 李曉江

(1.北京京能新能源有限公司內蒙古分公司， 內蒙古 呼和浩特 010070；2.山西漳山發電有限責任公司,山西 長治 046021)

0 引言

近年來，隨著光伏電池原材料、逆變器等主要器件成本的降低及政策扶持力度的加大，光伏發電越來越受到重視，進而得到了廣泛、迅速推廣。目前，光伏發電已經成為可再生能源領域中繼風力發電之后發展最快、最大的產業[1]，光伏電站的運維也隨之顯得尤為重要。

在實際運行過程中，沉積在組件表面的灰塵積垢會導致組件的轉換效率下降，因此有必要針對灰塵、積垢對光伏性能的影響進行研究。查閱資料，國內外一些專家也對此進行了相關分析，其中文獻[2]得出積灰密度與光伏組件上層玻璃相對透光率、光伏組件工作溫度以及發電功率的耦合關系；文獻[3]通過搭建試驗平臺驗證了灰塵積累濃度越高，組件性能下降越大；文獻[4]研究表明，組件電壓和功率的降低主要取決于污染物類型和沉積水平，灰塵污染物是光伏組件電壓中影響最大的粉塵顆粒，當使用灰塵污染物時，組件電壓約下降25%。

根據調研，目前我國大部分光伏電站仍僅根據人工觀察光伏電池的積灰程度來確定是否開展清潔工作，過分依賴運維人員經驗，缺乏科學性，而且人工清潔作業工作量大、成本高。本文參考專家的研究成果，對光伏電池進行了深入分析，建立了數學模型，搭建了MATLAB仿真平臺。在此基礎上提出了一種灰塵、積垢對光伏電池發電量影響的評估方法，結合光伏電池板的開路電壓與短路電流測量，科學評估灰塵、積垢對光伏電池發電量的影響，據此合理地制定清潔作業規劃，有效節約維護成本。

1 光伏電池模型與修正

1.1 光伏電池等效模型

光伏電池是利用半導體材料的光生伏特效應將太陽能轉化為電能，其工作時實質就是一種電源。光伏電池可以等效為電流源電路，若負載為純電阻，其電路如圖1所示，可以用來分析光伏電池的外特性。

圖1 光伏電池等效電路

由電路圖可推導出其IV方程為[5-9]：

I=Iph-ID-Ish

(1)

(2)

(3)

式中：I為太陽電池的輸出電流；V為太陽電池的輸出電壓；Iph為光伏電池的光生電流，其不隨電池的工作狀態而改變，大小約為光伏電池的短路電流；ID為流經P-N結二極管的暗電流；I0為電池的二極管反向飽和電流；Rs為串聯等效電阻，由半導體材料的本體電阻、半導體材料與電極間的電阻及電極本身的電阻組成，其值比較小，一般在10-3到幾歐姆之間；Rsh為并聯等效電阻，由電池表面污染、及在制作中產生的裂痕形成的漏電流等原因產生的，其值一般比較大，在1 000 Ω以上。q為單位電荷，其值為1.6×10-19C；A為二極管因子，其值常在1～2變化；K為波耳茲曼常數，其值為1.38×10-23J/K；T為絕對溫度。

由(1)(2)(3)式得：

(4)

1.2 模型工程修正

工程實際應用中，廠商一般提供Voc、Ioc、Vm、Im4個參數，上述方程顯然并不合適。需對方程(4)進行修正，一般遵循以下3個原則[10-12]：

(1)通常情況下，Rsh比較大，Rs比較小，(V+IRs)/Rsh遠遠小于光伏電池的光生電流Iph，故該項可以忽略。

(2)由于短路時流經二極管的暗電流ID非常小，則光生電流約等于短路電流，Iph≈ISC。

(3)串聯等效電阻Rs比較小，IRs遠遠小于V，故IRs也可以忽略。

根據上述原則，令C1=I0/Isc，C2=q/AKT

則(4)可以簡化為[4-7]

I=Isc{1-C1[eC2V-1]}

(5)

在最大功率點：I=Im，V=Vm；在開路情況下：I=0，V=Voc可以得出：

(6)

(7)

將(6)(7)代入(5)即可得到工程應用的標況條件(S=1 000 W/m2，T=25 ℃)下的IV簡化方程：

(8)

(9)

(10)

式中：Sref為標況下的太陽輻射強度，其值為1 000 W/m2。根據工程實際應用的經驗數據可知，a=0.002 5 ℃，b=0.000 5，c=0.002 88 ℃。由(9)(10)可以推導出，

(11)

式中：Voc、Ioc、Vm、Im為標準測試條件下(STC)的測量值；Voc′、Ioc′、Vm′、Im′為非標準測試條件下(NOCT)的測量值。

2 模型仿真與驗證

以內蒙某光伏電站型號為250P-29的光伏電池組件為例進行仿真，表1為電池組件標準測試條件下的標稱參數表。

表1 電池組件參數表

綜合以上分析建立的光伏電池仿真模型，如圖 2 所示。結合電站實際運行狀態，設置仿真參數如下：標準狀態下光強S=1 000 W/m2，溫度T=25 ℃，開路電壓Voc=38.4 V，短路電流Isc=8.79 A，最大功率點電壓Vm=30.4 V，電流Im=8.24 A。不同的光照強度和環境溫度時，通過仿真模型可以計算出光伏電池的I-V和P-V曲線，仿真曲線如圖3所示。表明：1、輻照度與光伏電池的峰值功率有高度正相關性，具有正比關系。2、光伏電池的開路電壓隨溫度的升高而下降，短路電流隨溫度的升高而升高，峰值功率隨溫度的升高而降低。從大部分廠家提供的數據來看，峰值功率溫度系數為-0.45%℃，按照峰值功率為250 Wp的組件來計算，在基準溫度25 ℃的基礎上，每上升1 ℃，組件的功率基本下降1 Wp。

圖2 光伏電池MATLAB仿真模型的搭建

圖3 光伏電池輸出特性仿真結果

圖3中的仿真數據與光伏電池板廠家提供IV測試曲線相比較，如表2所示，Pmp1為廠家提供的數據，Pmp2為仿真數據，結果表明仿真數據與實際數據誤差都在5%以內，驗證了根據光伏電池工程模型搭建的仿真模型的準確性。

表2 實際數據與仿真數據對比

3 基于光伏電池工程模型的灰塵評估

3.1 評估裝置與原理

本文提出的灰塵、積垢對光伏電池發電量影響裝置如圖4所示，主要包括：(1)光伏電池板1；(2)光伏電池板2；(3)光伏電池板開路電壓與短路電流檢測裝置；(4)灰塵積垢對光伏電池發電量影響評估模塊。其中，通過配有自動清潔系統或者采用人工經常清潔的方法，保證光伏電池板1處于清潔狀態，光伏電池板2則沒有清潔系統，其表面灰塵、積垢自然累加。

圖4 評估原理

目前，灰塵對光伏組件的影響很大，在工程實際應用中沒有一種合理有效的預測光伏組件清洗周期的方法。由于現在大部分的光伏逆變器采用的控制策略為MPPT技術，其理論基礎為太陽電池板的輸出功率P(t)=VmIm，因此只要得到實際的Vm和Im即可算出光伏板的發電量。關鍵問題是Vm和Im隨著光照和溫度等環境溫度的不斷變化，直接測量不易實現。光伏電池板輸出參數隨光照和溫度等環境因素而變化，由式(11)推理可知，其標況下的開路電壓、短路電流、額定電壓、額定電流與非標況下成正比。根據光伏組件的數學模型搭建仿真模型，通過測量實時(非標況下)的開路電壓和短路電流來推算實際發出的功率。

3.2 評估步驟

對于灰塵、積垢對光伏電池發電量影響的評估步驟如下：

(1)按設定時間間隔ΔT采樣光伏電池板1和光伏電池板2的開路電壓UOC1、UOC2與短路電流ISC1(k)、ISC2(k)。

(2)根據實時采樣參數，結合光伏電池工程用數學模型，就按當前環境條件(光照強度、溫度等)下光伏電池板1和光伏電池板2的I-V曲線，計算當前情況下光伏電池板1和光伏電池板2的最大輸出功率Pm1(k)、Pm2(k)。

(3)計算當前時刻光伏電池板1和光伏電池板2的最大輸出功率差Pm1(k)-Pm2(k)。

圖5 灰塵對光伏電池發電量影響的評估步驟

(4)計算ΔT內光伏電池板1和光伏電池板2的發電量差ΔWLoss(k)=[Pm1(k)-Pm2(k)]·ΔT。

(5)對電量差進行累加，得失的總發電量WLoss_total(k+1)=WLoss_total(k+1)+ΔWLoss(k)。

上述評估裝置結合測光伏電池板的開路電壓、短路電流就能對灰塵、積垢對光伏電池發電量影響進行科學評估，在光伏電站已經得到了實際應用，基于仿真模型的評估方法在現場得到推廣應用。對光伏組件的清潔周期進行合理規劃，有效的節約了系統維護成本。

3.3 實驗驗證

采用評估裝置對某光伏電站的發電量進行評估，運行30天，光伏電池板1與光伏電池板2的理論發電量相差2%，對光伏組串進行清潔，清潔后發電量得到明顯提升，如圖6所示，試驗期間平均發電效率提升2%以上，清潔成本投入小于200元/MWp。以容量為20 MWp的光伏電站為例，每天按5 h滿發運行計算，30天提升電量6萬kWp，清潔成本投入為4 000元，效益比較明顯。根據當地電價及清潔成本，可以適當調整清潔周期。試驗表明，該評估裝置對對光伏組件的清潔具有指導作用，依據當地的氣候情況，按周期進行合理規劃清潔周期，可有效提高系統發電量。

圖6 清潔效果對比曲線

4 結論

(1)根據光伏電池的模擬電路圖推出的仿真模型不適合工程應用，需按照實際工程數據進行修正以適應實際需要。考慮到IV特性曲線與太陽輻射和環境溫度關系密切，經過環境參數修正后的數學模型及仿真模型可以模擬在現場實際工程應用中不同條件下的電池特性。以型號為250P-29的光伏組件為例，將實際功率輸出與仿真數據輸出相比較，其誤差在5%以下，從而驗證了仿真模型的準確性。

(2)基于工程仿真模型的灰塵評估方法，通過測量兩塊光伏電池板的開路電壓、短路電流對灰塵對光伏電池發電量影響進行科學評估，據此制定合理的清潔作業規劃，節約維護成本。

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