基于simcape的太阳能垃圾桶光伏发电特性研究

蓝平，王刚，赵宏晨，蒋圣

(1．贵州理工学院机械工程学院，贵州 贵阳 550003；2．沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110023)

0 引言

太阳能作为一种清洁能源，能够解决环保和能源问题，已经得到了广泛的应用。为了防止垃圾桶内的垃圾溢出，实现垃圾桶的智能化和自动化，需要能源来驱动其压缩机构，故将太阳能电池应用在垃圾桶上具有很好的实用价值[1，2]。

在太阳能垃圾桶的设计研究中，选择廉价高效的太阳能电池至关重要。为了研究不同日照和温度下，太阳能电池的发电特性是否满足垃圾桶的功率需求，需要研究其光伏发电特性，故有必要建立其精确的数学模型进行仿真分析。在光伏电池的数学模型中，有经典的工程用光伏电池模型。如文献[3-5]研究了工程用的光伏电池模型，研究表明该模型适合硅晶体的太阳能电池。文献[6]应用RBF神经网络拟合光伏电池的非线性模型，取得了较高的精度。文献[7]应用Bezier函数进行了光伏电池的模型简化。除了上述模型外，还有经典的单二极管非线性电流模型，该模型较为复杂，但实验表明其准确度较高[8]。为了对光伏电池进行仿真分析，通常采用matlab或者simulink进行数值仿真，并普遍采用工程用的数学模型或拟合模型，难以反映实际的光电热耦合效应，且大部分仿真手段并未考虑实际的日照变化和热流效应[9]。

在光伏电池工作时，为了使其发电功率工作在最佳状态，需要研究在不同光照和温度下的I—V及P—V特性。文献[10]应用matlab软件研究了光伏电池的I—V特性，得到了其最佳功率点。为了选取合适的光伏电池型号，需要通过仿真来验证其是否满足设计需求。不同于以往的研究，本文应用可视化程度更高的simcape软件来搭建光伏电池的非线性物理模型，并考虑了热流效应，提高了仿真的精确度。研究表明仿真模型得到的STC数据与实测接近，满足工程要求。最后以贵阳某时段的日照数据为例，分析了变日照条件下的光伏电池的功率特性。该研究能为光伏电池的仿真研究及太阳能垃圾桶的设计提供有价值的参考。

1 太阳能垃圾桶结构

太阳能垃圾桶结构主要由太阳能板、电机、传感器、减速机构、往复丝杆、移动杆等组成，内部结构如图1所示。

太阳能垃圾桶的结构采用对称性分布设计，当传感器检测到垃圾超出界限时，在电机驱动下，动力通过减速机构降速改变其传递方向，使其向往复丝杆传递足够的力，最后借助连杆机构使压板起到压缩的作用。当压力足够大时，停止压缩。借助往复丝杆让移动杆做周期性地运动，使与移动杆相连的连杆机构具有做伸缩的功能。

发电装置为半导体二极管组成的太阳能光伏电池，是基于太阳光照射在P-N结上，半导体捕获部分光子所形成的空穴-电子对，进而形成电势差，即形成带正电的P型半导体和带负电的N型半导体，形成为负载工作所需要的电流。

2 光伏电池数学模型

2.1 非线性电流模型

单个光伏电池的I—V电路可用图2的单二极管等效电路表示，其中包含一个光电流发生器、一个二极管和串并联电阻以及可控电压源。单二极管等效电路用于表达晶体硅的光伏电池的特性具有很高的精确性。

结合图2和基尔霍夫定律，光伏电池的非线性数学模型由五部分组成。考虑电池的串并联特性，则光伏阵列的光生电流方程为：

(1)

二极管饱和电流方程为：

(2)

逆饱和电流方程为：

(3)

分流电阻电流方程为：

(4)

输出电流方程为：

(5)

公式(1)-(5)为光伏阵列的非线性指数超越方程，难以得出解析解，在本文仿真中，用牛顿迭代的数值解法求解。该方程相对于经典的硅电池工程用数学模型[3-5]复杂，但模型精确度高，能够较精确地模拟光电热耦合效应。其中模型参数及定义如表1所示。表中STC表示厂商出厂测试的标准条件，即光照度1 000 W/m2，电池温度25°C，大气质量1.5。

表1 模型参数

2.2 热力学模型

在仿真过程中，光伏电池的热流主要由内部和外部组成，内部主要为电阻消耗的热量。外部为空气与太阳板之间的热辐射和热传导。为了仿真系统的热流对温度的影响，需要建立太阳能板和空气及光照间的热力学模型。其中光照产生的热流计算式如下：

Q1=1r×A×φ

(6)

式中φ为光照传热效率，取值为0.3，A为太阳能板有效面积。

空气与太阳能板的热辐射计算式为：

Q2=k×A×(T4-Ta4)

(7)

式中k为热辐射系数。取值为2×10-8W/(m2K)，Ta为空气温度。

空气与太阳能板的热传导计算式为

Q3=λ×A×(T-Ta)

(8)

式中λ为热传导系数，取值为20W/(m2K)

总的热流计算式为

Q=Q1+Q2+Q3

(9)

3 P—V和I—V特性仿真

为了分析所设计光伏电池的P—V和I—V特性，首先建立光伏电池的simcape模型，如图3所示。在仿真中，设置测试电压为0-40V的斜坡信号。选取的太阳能板的型号为Eagle 60P Watt多晶硅太阳能组件，其出厂STC电气参数为：有效面积A=1.6 m2，电池厚度为35 mm，开路电压Voc=39.1 V，短路电流lsc=9.15 A，最大功率275 W。短路电流温度系数0.06 %/℃，最大功率温度系数-0.38 %/℃，如图4所示。

为了取得最大功率点电压，应用搭建的simcape模型进行数值仿真。不同温度和日照度的I—V特性和P—V特性曲线如图5所示，其中测试温度为25 ℃和50 ℃，测试的日照度分别为200 W/m2、500 W/m2、1000 W/m2。从图5中I—V特性曲线可知，随着电压增大，电流逐渐减小，且在相同的日照度下，短路电流随温度提高而减小。从P—V特性曲线可知，每一条曲线对应一个功率峰值，且功率峰值对温度和日照度的变化较为敏感。温度越低，日照度越大，其峰值功率越大。为了得到最佳工作功率，取得不同条件下最大功率点电压至关重要。

表2为仿真与实测功率对比，从表2可知，在STC条件下，仿真的最大功率与测试最佳功率误差在1%之内，符合工程要求。由图4的最大功率温度系数可知，在其他温度下，数据也基本吻合。由于非线性指数超越方程精确度最高，故该模型可较好地反映光伏发电特性。

表2 仿真与实测最佳功率对比

为了使光伏电池工作在最佳功率点，需要测得最大功率点电压。应用simcape模型，分别测试9组不同温度和日照度下的最大功率点电压，如表3所示。应用thin-plate样条插值法得到图6所示的三维拟合曲面，图中黑点为仿真得到的最佳功率点。故在设计逆变器时，可应用曲面的数据点来创建2D-Look-up表来产生最佳工作电压。

表3 最大功率点电压

4 变日照条件下的simcape模型及发电特性

为了模拟变日照条件下的光伏发电特性，搭建如图7所示的simcape光伏电池热电耦合仿真模型。在该模型中，应用上节得到的最优功率操作点拟合曲面建立优化的Look-up表，并考虑太阳能板和空气的热力学效应，假定DC-AC变换器的效率为97%。环境输入包括日照度Irrad和环境温度Tatm。

以贵阳某晴天某时段下的日照度数据(1h)为例进行仿真分析，其输入值如图8所示。从图8可知，随着日照度和空气温度的增大，光伏电池的发电功率达到最大的234 W，最低的发电功率为81W。故能够满足太阳能垃圾桶的发电功率需求。太阳能板的温度显然和日照度及环境温度有关，在两者最大时，达到峰值。仿真较好的反映了变日照条件下光伏电池发电特性，与实际情况相符。

5 结语

为了分析不同工况下太阳能垃圾桶的光伏电池发电特性，搭建了基于simcape的光伏电池模型。数值仿真验证了所选型号电池的可行性，能够满足太阳能垃圾桶的功率需求。该模型采用经典的单二极管非线性模型，模型精确度高，符合实际的测试数据。最后以某时段的日照数据为例，仿真得出光伏电池的最优功率特性曲线。该研究能够为光伏电池提供有效的仿真手段，并为后续的充放电研究提供有价值的理论参考。