太阳能电池功率影响因素研究-李廷-辽宁工业大学.pdf-solarbe文库

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科技与创新┃ S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n · 9 4 · 2018 年第 13 期文章编号2095 －6835 （2018 ）13 －0094 －02 太阳能电池功率影响因素研究＊李廷，冮明颖，裴国斐（辽宁工业大学电气工程学院，辽宁锦州 121001 ）摘要建立了光伏电池的数学模型和 Matlab/simulink 仿真模型，得出太阳能电池的 I-V 、P-V 输出特性曲线，并结合实验测量数据，通过改变光照强度、负载等条件分别得到薄膜、单晶硅和多晶硅不同材料光伏电池的实验数据，研究太阳能电池在不同光照条件下的开路电压、短路电流、最大输出功率等参数的变化情况。通过理论分析与实验相结合的研究方法，得到影响太阳能电池输出功率的影响因素。关键词光伏电池；仿真模型；输出功率；短路电流中图分类号 TM914.4 文献标识码 A DOI 10.15913/j.cnki.kjycx.2018.13.094 1 引言太阳能电池是光伏发电系统中最小的发电单元与元件，由于光生电流 Ip 只受光照强度的影响，与外接负载无关，所以，把 I p 看作恒流电源，光电流 I p 在负载 R 上产生的电压降设为 U ， ID 为通过 p-n 结的总扩散电流，与光生电流方向相反。 RS 为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和接触电阻组成。 R SH 为旁路电阻，它是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的。由光伏电池等效电路可得输出电流 I 等于光生电流 Ip 减掉 p-n 结的总扩散电流 I D 和流经旁路电阻的电流。由于硅片的旁路电阻阻值相对比较大，流经串联电阻 RS 的电流可以近似为 I ，所以，恒流电源上的电压为 I 乘以串联电阻 RS 加上负载电阻上的电压 U ，从而可得负载上的输出电流，即是太阳能电池精确数学模型为 . R I R V K T I R V q I I I SH S s o P -       -       - 1 M exp ）（（1 ）根据光伏电池等效电路并结合式（1 ），研究太阳能电池的输出特性，可得太阳能电池输出特性曲线及各参数之间的关系。由于受外界环境因素和光伏电池自身内部模块的结构等参数的影响，输出特性表现出很明显的非线性。在某一特定的工作环境（光照和温度确定）中，太阳能光伏电池输出特性曲线上存在唯一的点，该点即是最大功率输出点。而对于 I- V 曲线，在该点的左边区间内，太阳能光伏电池则显示了它本身的近似恒流源特性。 2 模型搭建在实际工程中，太阳能电池组件是由许多光伏电池单元串联和并联形成的阵列，本文将理论研究数学模型进行简化，一般 RS 数量级为 mΩ ，而 RSH 数量级为 kΩ 。因此，可以对其进行相应简化，忽略“ －（ V ＋ I RS ） / RSH 项。又因为 IO I ，所以，忽略“ ＋ I O” 项，可得负载上输出电流 I 为 . K T N I R V q I I N I S P       - M exp 2 o 1 （2 ）式（2 ）即为简化的光伏电池组件数学模型，式中涉及 IP 、 IO 、 RS 三个未知量，根据光伏电池生产厂家提供的数据可知，温度与光照度对 I P 、 V OC 的影响与 K i 、 K u 为光伏电池短路电流温度系数、开路电压温度系数有关，且 Ki 、 Ku 通常数量级很小可忽略，则进一步化简得 IP ＝ Iscref 、 VOC ＝ Vocref. 当光伏电池开路时， V ＝ V OC ， I ＝0 ，可求出 I O 的表达式。令常量 M K T/ q ＝ KO ，且当光伏电池工作于最大功率点时，将 I ＝ IMPPref ， V ＝ VMPPref 带入式（2 ）得＊［基金项目］辽宁省大学生创新创业训练项目（201710154000148 ）；辽宁工业大学大学生创新创业训练项目（X201701069 ）［9 ］Lee C ，Kim H J ，Oh K W.Comparison of faster R-CNN models for object detection ［C ］ //Control ， Automation and Systems （ICCAS ），2016 16th International Conference on.IEEE ，2016 107-110. 作者简介许楠（1994 ），男，在读硕士研究生，主要研究方向为模式识别与图像处理。〔编辑白洁〕 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n┃科技与创新 2018 年第 13 期 · 9 5 · . I V V I N I K N R M P P MPPref MPPref ocref scref 1 ef r 0 2 S 1 ln -         - （3 ）如式（3 ）所示，该式可用于近似求取标准条件下光伏电池在最大功率低处的串联电阻。 RS 的大小随环境改变的变化量很小，所以，可求得电阻值进行代替。 RS 直接与光伏电池标准条件下 2 个运行参数 V ocref 和 I scref 相关，且能够保留对电流影响较大的串联电阻，因此，该数学模型理论上更具准确性。根据文中对太阳能光伏电池简化后数学模型的推导，设太阳能光伏电池电气参数为 V ocref 、 I scref 、 V MPPref 、 I MPPref ，可搭建其 Matlab/simulink 仿真模型。图 1 单晶硅强光照强度 I- V 、 P- V 特性曲线 3 实验数据分析利用新能源实验室对薄膜、单晶硅、多晶硅等太阳能电池进行实验测量，薄膜光伏电池在光照强度分别为弱光、中光、强光时的最小阻值条件下，测量电流为 0.05 A 、0.29 A 、 0.39 A ，测量电压为 0.5 V 、2.0 V 、2.8 V ；在最大阻值条件下，测量电流为 0.06 A 、0.3 A 、0.36 A ，测量电压为 3.5 V 、 15.5 V 、18.7 V ；光照强度分别为弱光、中光、强光时开路电压为 78.6 V 、 82.2 V 、 81.4 V ，最大功率为 0.21 W 、 4.65 W 、 6.73 W 。单晶硅太阳能电池在光照强度分别为弱光、中光、强光时的最小阻值条件下，测量电流为 1.53 A 、1.66 A 、 2.67 A ，测量电压为 10.6 V 、11.6 V 、18.6 V ；在最大阻值条件下，测量电流为 0.6 A 、0.77 A 、0.77 A ，测量电压为 30.9 V 、39.0 V 、36.03 V ；光照强度分别为弱光、中光、强光时，开路电压为 40.5 V 、40.0 V 、40.5 V ，分别在电压为 30.9 V 、37.2 V 、36.8 V 时，获得最大输出功率为 18.54 W 、 54.68 W 、79.86 W 。单晶硅太阳能电池根据实验测量数据所绘制的特性曲线如图 1 所示。多晶硅太阳能电池在光照强度分别为弱光、中光、强光时的最小阻值条件下，测量电流为 1.29 A 、2.24 A 、3.05 A ，测量电压为 9.1 V 、15.7 V 、21 V ；在最大阻值条件下，测量电流为 0.53 A 、 0.64 A 、 0.64 A ，测量电压为 27.9 V 、 32.3 V 、 32.2 V ；当光照强度分别为弱光、中光、强光时，开路电压为 32.9 V 、32.6 V 、33.2 V ，电压为 25.9 V 、27.4 V 、29.4 V 时获得最大输出功率为 14.29 W 、52.36 W 、74.38 W 。分析上述实验数据可得，在相同开路电压下，单晶硅太阳能电池的短路电流远大于非晶硅太阳能电池的短路电流，总趋势即开始较平缓，到某一点后开始下降。单晶硅太阳能电池的输出功率大于非晶硅太阳能电池的输出功率，总的趋势是先增后减，即存在最大输出功率。负载阻抗主要影响太阳能电池的输出功率，负载不等时工作点不同。虽然光伏电池模型中的串联电阻对短路电流和开路电压影响不大，但在很大程度上影响最大功率点处的输出功率值。对不同光照强度下太阳能电池的输出特性曲线进行比较，可发现光照强度对最大功率点处的电压和开路电压影响不显著。 4 结论本文借助新能源实验室实验平台，采取理论分析与实验验证相结合的方法进行相关论证，得出以下结论 ① 在相同温度条件下，光强较强时，最佳阻值较小，最大输出功率较大。当光强减小时，开路电压和短路电流都减小。 ② 在相同光照条件下，温度较高时，最佳阻值较小，最大输出功率较小。当温度升高时，开路电压变小，短路电流有小幅度提升。总体而言，输出最大功率是变小的。 ③ 在适当条件下，减小太阳能电池器件的温度，增大光照强度，可以提高太阳能电池的输出功率。参考文献［1 ］胡长武，李宝国，王兰梦，等. 光伏电池简化数学模型的 Matlab/Simulink 仿真研究［J ］. 可再生能源，2013 ， 31 （10 ） 20-24. ［2 ］吴洋，张嫒嫒，侯奎. 光伏电池的建模与仿真［J ］. 科技视界，2017 （09 ） 1-2. 作者简介李廷（1996 ），男，研究方向为电力系统自动化及新能源发电。通信作者冮明颖（1976 ），女，硕士，讲师，研究方向为电力系统电压稳定分析与控制。〔编辑白洁〕