光伏电池发电仿真实验

肖文波,余晓鹏,龚勇清

(南昌航空大学 国家级大学物理实验教学示范中心,江西 南昌 330063)

当今,光伏产业得到了快速发展,对产业人才也有大量的需求[1]. 为了适应这种趋势,许多高校开设了相关课程及实验. 但是光伏发电的特征受到外界温度、遮荫方式、光照强度等因素的影响,相关理论教学难以形象阐述教学内容;且光伏发电技术属于新课程,受到实验设备、实验人员等的限制, 大规模开展相关的实验教学内容存在难度[2-3]. 随着Matlab /Simulink 仿真语言在教学中日益广泛的应用,国内外高校都将其作为虚拟仿真的首选工具[4-7]. 仿真虚拟实验不仅避免了实验条件等限制,而且学生在学习理论知识的同时加深对知识点的理解与掌握,因此开发与开展虚拟实验教学显得极其重要. 这不仅提高了实验教学质量[8],更可以改进理论课程教学效果[9,10],提高本科教育质量[11].

为此,本文结合光伏电池的等效电路原理以及Matlab/Simulink语言[12-13], 开发了光伏电池发电仿真实验. 该仿真实验的目的,是帮助学生了解光伏电池发电的基本原理与特征,认识Matlab/Simulink语言的仿真使用方法;实践中通过仿真光伏电池输出的电流电压特性,得到了光强与温度对光伏电池输出电压、电流以及功率的影响规律.

1 光伏电池模型以及仿真电路的建立

光伏电池是根据光伏效应把光能转化为电能的半导体器件,其基本结构类似于PN结. 通常单块的光伏电池等效为由恒流源、二极管、并联电阻和串联电阻组成的电路结构[14],其等效电路如图1所示.

图1 光伏电池等效电路图

根据等效电路图,可知电流输出方程式为

I=Iph-Id-Ish=

(1)

式中，I为负载上电流,Iph为光生电流,Id为二级管上电流,Ish为并联电阻上电流,I0为二极管反向饱和电流,q为电子电荷常数,V为负载上电压,Rs为串联电阻,n为二极管理想因子,k为玻尔兹曼常量,T为测试时电池温度,Rsh为并联电阻.

式(1)是超越方程,无法用于计算模拟光伏发电特征. 由此,需要根据厂家提供的光伏电池板标准条件(光照强度为1 000 W/m2,电池温度25 ℃)下的参量进行化简后仿真电池特征[15],参量包括：Isc(短路电流),Voc(开路电压),Im(最大电流),Vm(最大电压). 在式(1)中,由于并联电阻分非常大,可以忽略方程的最后一项;而在式(1)中,由于Rs远小于二极管正向导通电阻,所以可以认为Isc=Iph(Iph为光电流). 由此,式(1)光伏电池的模型可以简化为

(2)

根据光伏电池板标准条件下的参量Isc,Voc,Im,Vm就可以解出C1和C2,结果为

(3)

(4)

由光伏电池板标准条件下的Isc,Ioc,Im,Vm,可以得到新的光照强度G下和新的温度T下的Isc′,Voc′,Im′,Vm′,由此得到在该条件下的伏安特性曲线，具体表达式为

TD=T-Tref,

(5)

(6)

(7)

Voc′=(1-c·TD)ln (1+b·GD),

(8)

(9)

Vm′=Vm(1-c·DT)ln (1+b·GD),

(10)

式中TD,T和Tref分别温度差别、新的温度、参考温度;GD,G和Gref分别光强差别、新的光强和参考光强;常数系数a,b,c的值分别为a=0.002 5,b=0.5,c=0.002 88.

由式(2)～(10)建立的仿真模型如图2所示，包含的Simulink子模块有TD子模块、Isc′子模块、Im′子模块、Voc′子模块、Vm′子模块、C1子模块和C2子模块;通过乘积运算、除法运算、加法运算等数学运算操作后,输出电流I.

图2 光伏电池的仿真模型

2 仿真结果与讨论

根据标准情况下短路电流Isc=4.75 A，开路电压Voc=21.25 V，最大功率点处的电流Im=4.51 A，最大功率点处的电压Vm=17.25 V,仿真不同温度和光强下的I-V以及P-V输出特性,结果如图3～6所示.

从图3可以看出,光强不变情况下,温度在0～100 ℃变化区间,电池的开路电压随温度升高而下降,短路电流随温度升高而增大,与实验结果一致[16]. 以上仿真结果证实了所搭建的仿真电路是正确的,此外也引导学生通过仿真实验合理理解温度对电池发电性能的影响规律.

图3 1 000 W/m2光强下不同温度I-V特性曲线

从图4可以看出,光强不变情况下,温度在0～100 ℃变化区间,电池的输出功率随温度的升高而下降. 主要原因是电池的电压随温度升高而下降,这说明高温下电池的功率输出反而会下降.

图4 1 000 W/m2光强下不同温度P-V特性曲线

从图5可以看出温度不变情况下,光强在400～1 200 W/m2变化区间,电池的开路电压随光照强度的升高而缓慢升高,而短路电流随光强的变化剧烈变化,且随光强的升高而剧烈升高. 与实验结果一致[15]. 以上仿真结果也证实了所搭建的仿真电路是正确的.

图5 25 ℃时不同光照I-V特性曲线

从图6可以看出温度不变情况下,光强在400～1 200 W/m2变化区间,电池功率随光照强度的升高而升高. 这说明光照强度的提高是提升电池输出功率的主要原因.

图6 25 ℃时不同光照P-V特性曲线

3 结束语

基于Matlab/Simulink 模拟演示光伏发电过程, 加深了学生对光伏发电技术相关理论的理解. 学生可以直观、形象地观察到环境参量变化对光伏特性的影响,增强了工程意识,改善了教学效果和提高了教学质量，同时也解决了长期以来光伏发电技术缺少相对丰富的实验教学状况,为光伏发电技术等相关课程的实验教学提供了新的途径及方法.