光伏电池的MATLAB仿真及其特性曲线的图像化

茹 珂 刘胜华 朱婧楠 李谭欣 罗歆昱

(中国矿业大学〈北京〉机电与信息工程学院,中国 北京 100083)

0 前言

目前世界能源短缺与环境恶化的加剧使得人类加快了研究新能源的步伐。由于太阳能分布广泛、蕴藏丰富，因此太阳能发电被认为是21世纪最重要的清洁能源[1-2]。

太阳能发电系统中太阳能电池是最重要的组件，它将太阳能转换为可以利用的电能。由于太阳能组件的特殊性，发展太阳能发电产业的初期投资较大，且目前太阳能电池板寿命有限，因此需要提高发电以及转换效率从中获得更多的能量[3]。为了从中获得更多的能量，需要针对性的对太阳能电池的特性进行分析。同时为了控制系统可以明确太阳能电池工作点位置，本文在验证太阳能电池曲线的基础上应用DSP2812绘制动态光伏曲线图。同时本实验也可用做教学，加深同学对太阳能电池特性的了解。

1 光伏电池工程数学模型

太阳能电池的基本原理是光生伏特效应，是指光线照射在太阳能电池板。电池板吸收了光子的能量，从而产生激发，产生电子-空穴对。在这种效应之下，电池板内部产生电场，电池输出端产生电动势。当电池板的输出端连接负载之后，就会产生电流，获得电能。这就是电池板发电的基本原理[4]。太阳能电池板结构图如图1。

图1 光伏电池结构Fig.1 Structure of Solar Cell

本文应用于太阳能电池的仿真数学模型如下[5]：

其中I为光伏电池输出电流；V为光伏电池输出电压；Isc为短路电流；Voc为开路电压；Im为最大功率点电流；Voc为最大功率点电压；

考虑太阳辐射以及温度变化对太阳能电池的影响之后，公式变为：

R与Tc分别为当前的光照强度以及温度；

R与Tref分别为光照强度与温度的参考值，分别为1kW/m2,25℃;

α为在参考日照条件下，太阳能电池的电流温度变化系数；β为在参考日照条件下，太阳能电池的温度变化系数；Rs为太阳能电池板的串联电阻；

通过上述模型将复杂的光伏电池简化为由光照R、温度Tc、短路电流Isc、开路电压Voc、最大功率点电流Im、最大功率点电压Voc这些已知量的关系式。

2 基于MATLAB的太阳能仿真模型

图2 太阳能电池板仿真模型Fig.2 The simulation module of the Solar Cell

根据上述的关系式对电池板进行仿真，在simulink中将计算的公式模块化可得太阳能电池的仿真图[6]，参数如图2所示。

根据上述仿真，电压为给定信号，其值由0按以斜率为1上升至开路电压VOC，运行上图仿真可得在该参数下P-V与I-V的关系为：

图3 仿真的P-V和I-V曲线Fig.3 The P-V and I-V waveform of simulation

3 验证分析

在实验室内对与仿真参数相同的太阳能电池板进行实验。太阳光辐射强度取为l kW／m2，环境温度选取25℃，最大功率点电压为17.5V，最大功率点电流为 3.43A，开路电压为 21.3V，短路电流 3.74A。实验使用卤素灯为照射光源，一定程度上保证了实验的准确性。将光伏电池输出端接至电子负载，分别在不同的电压下获取30个点作为一组数据。在测量多组数据之后，对所得数据进行处理并输入MATLAB中后得到下面的曲线。

图4为太阳能电池板P-V曲线：

图4 太阳能电池板实验的P-V曲线Fig.4 The P-V waveform of experiment

图5为太阳能电池板I-V曲线：

图5 太阳能电池板实验的I-V曲线Fig.5 The I-V waveform of experiment

通过图中的数据，可以看出实验数据与仿真结果是相吻合的。证明公式推导以及仿真的准确性，为以后工程使用提供了论据。

4 光伏特性曲线的图像化

根据上述中推导的公式，基于DSP2812单片机开发系统进行光伏曲线特性图像化的工作。

分别使用光照传感器与温度传感器实时采集目前的温度与光照情况，通过DSP2812对数据进行采集并进行内部处理之后显示在128*64的液晶显示屏上。硬件电路如下图所示：

图6 图像化实际电路Fig.6 Visualization of the actual circuit

实验结果如下，显示屏可以实时显示目前温度，光照条件之下的太阳能电池特性曲线。如图7所示：

图7 U-I特性的显示Fig.7 U-I characteristic display

在运用进行编程的过程中出现了两个难题，一个是图像的不连续问题，一个是参数发生变化后图像不能清除之前被点亮的点的问题。在处理第一个问题时，采用整行检查是否有点亮点的方法，如果没有点亮点则将上一行被点亮点的纵坐标为本行点亮点的纵坐标，进行点亮；在处理第二个问题时采用在本行点亮下一个点时扫描是否有被点亮点，有则将此点消除在进行点点操作。

5 结论

光伏阵列的I—V特性除了与光伏电池模块参数有关以外，还与环境温度，太阳辐射强度有关。本文不仅利用实际搭建的实验平台测量了实验数据，然后对所用电池板的输出特性进行仿真，还利用在MATLAB仿真环境下直接建立太阳能电池的仿真模型来动态跟踪环境温度、太阳辐射强度等参数的变化，还用DSP2812实现了显示屏显示了I-V曲线因环境温度，太阳辐射强度变化而变化动态过程。使控制系统可以明确太阳能电池工作点位置，同时本实验也可用做教学，加深同学对太阳能电池特性的了解。

［1］孙本新.太阳能光伏发电并网装置[D].大连理工大学，2002.

［2］赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究[D].合肥工业大学，2003.

［3］黄红桥，危韧勇，陈有根，杨金.光伏并网微逆变器研究中的关键技术[J].变频器世界，2012（3）：53-61.

［4］陈昌喆.光伏并网发电系统的仿真研究与设计[D].武汉理工大学，2010.

［5］董振利.基于DSP与dsPIC的数字式太阳能电池阵列模拟器研究[D].合肥工业大学，2007.

［6］林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].中国电力出版社，2008.