光伏电池模型分析及仿真研究
摘要：文章在对光伏电池数学模型分析的基础上，在matlab中建立了仿真模型，研究了其电流输出特性和功率输出特性，仿真结果证明，该模型符合光伏电池的实际输出情况，对光伏电池的进一步研究有借鉴作用。
关键词：光伏电池；数学模型；matlab 仿真
中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0016-02.
新能源发电成为了热点研究方向，其中尤以太阳能发电最受欢迎。通过光伏电池将太阳能转化为电能是其最有效方式，针对其内部结构的研究和探索仍然十分重要。太阳能光伏电池的发电原理是光生伏打效应，当太阳光照射到太阳能电池板时，太阳的光子被电池的极板吸收，产生光电子——空穴对，因为电池内建电场的作用，光生电子和空穴被分离，此时，电池两端出现了异号电荷的积累，这就是所谓的“光生电压”，若此时外加负荷，形成闭合的回路，那么久有了光生电流。
对于半导体 P-N 结，光电效应更加明显，所以，光伏电池一般是由半导体硅做基底构成的。
1 光伏电池数学模型
光伏电池实际上就是一个大面积二极管，可以用单二极管等效电路来描述光伏电池的工作原理。依据该工作原理，可以得到光伏电池的输出电流表达式，由于是基于内部结构进行描述，在实际分析和实用中，很难得到那些内部参数，所以，对原始数学模型经过合理简化可以得出基于光伏电池输出特性的实用数学模型，见以下表达式：
（1）
上式中各个参数均为太阳能电池生产企业提供的标准状态 (参考太阳辐射强度 Sref=1000W/m2。参考电池本体温度Tref=25℃)[1]下的电池板的测试参数，其中Voc为开路电压、Isc为 短路电流、Vm为最大功率点处的电压和Im为最大功率点处的电流以及电压变化温度系数 b 和电流变化温度系数 a，只要知道以上六个参数，根据表达式（1）即可得出任意光照强度和温度条件下太阳能电池的输出特性。
至于表达式（1）中涉及到的参数 C1、C2、di、dv、dt，均为中间变量[2]，其计算公式如下所示： 2 光伏电池建模及仿真根据光伏电池的数学模型，在 matlab 平台下，借助 simulink 中包含的多种模型库，搭建了光伏电池的仿真模型。与 S函数编程实现[3]相比，通过搭建模型来实现仿真有着结构清晰、数学意义明确、更易于理解的特点。
按照各中间变量的数学表达式所含未知量的多少顺序， 依据表达式（2）~（6），先分别搭建了中间变量 dt 、dv 、di 、C2 、C1 、II 的仿真模型，然后按照表达式（1）中的数学关系，各个模块经过运算，得到输出电流 I 的整体仿真模型，然后依据某实际光伏电池技术参数进行仿真，具体参数如下表1 所示。 基于上述光伏电池参数，对标准状态（光照强度为 1000W/m2，温度为 25℃）下输出的 I-V 特性和 P-V 特性进行了仿真，从中可以发现，随着光伏电池电压的增大，其电流先恒定不变，后迅速减小为O；而其输出功率先逐渐变大，当达到峰值时，又迅速下降为 0。在功率变化过程中，存在一个最大值[4]，这与真实的光伏产品外特性相吻合，从而验证了该仿真模型能够很好地反应光伏电池的 I-V 特性和 P-V 特性。
此外，光伏电池的光电流产生原理为光生伏打效应，所以光伏电池产生光电流的大小与太阳光照强度和环境温度有关，下面采用单一变量法对太阳光照强度和环境温度分别进行仿真研究。
在保证光伏电池内部参数不变的前提下，控制光照强度为 1000W/m2，按照温度递减的顺序，分别将温度设定为 50℃、40℃、30。对模型进行仿真，所得仿真结果如下图 1 所示。
从图 1 可以看出，在I-V特性曲线中，随着温度降低，短路电流逐渐减小，但开路电压较温度高时变大，而且增加量明显。
在 P-V 特性曲线中，随着温度降低，曲线峰值略有下降，但峰值点处电压有增加。如图中所示，当温度为 50℃时，光伏电池能输出的最大功率为 178.4W，峰值点对应的电压为 35V；当温度为 40℃时，光伏电池能输出的最大功率为 175.9W，峰值点对应的电压为 36V；当温度为 30℃时，光伏电池能输出的最大功率为 175.8W，峰值点对应的电压为 37V。在电压增大的同时，输出功率仍有所减小，可知，温度对电流的影响与对电压和功率的影响方向不一致。
除了环境温度之外，太阳光照强度对光伏电池的影响作用也是十分明显的，仍然保证光伏电池内部参数不发生变化，环境温度设定为 25℃，按照太阳光照强度递减的顺序，将光照强度分别设定为 1000 W/m2、900 W/m2、800 W/m2，对模型进行仿真，所得仿真结果如图 2 所示。
由图 2 可以看出，在 I-V 特性曲线中，随着太阳光照强度的减弱，短路电流明显减少，但开路电压基本相同。在 P-V 特性曲线中，随太阳能光照强度的减弱，曲线峰值变化幅度较大，但峰值点处对应的电压一样，如图中所示，当太阳光照强度为1000 W/m2 时，光伏电池能输出的最大功率为 175.4W，峰值点对应的电压为 37V；当太阳光照强度为 900 W/m2时，光伏电池能输出的最大功率为 158.8W，峰值点对应的电压为 37V；当太阳光照强度为 800W/m2 时，光伏电池能输出的最大功率为141.9W，峰值点对应的电压为 37V。所以，太阳光照强度对输出电流和对外提供的功率都有正向作用。
综合图 1~图 2 可知，P-V特性曲线为一个单峰值曲线，在整个变化过程中，功率始终是先增大后减小，存在唯一的最大值，在实际应用中，总希望光伏电池能够一直保持在最大功率输出状态，而太阳光照强度和环境温度对光伏电池的 P-V 特性曲线影响均较为明显，且均为正向的作用，所以为了使输出的功率较大，适宜将太阳能电池板安装在地势开阔，海波较高，日照时间长的区域。
3 结语
本文详细分析了光伏电池的工作原理，并阐明了等效电路模型，依托 MATLAB/Simulink 丰富的元件模型库，搭建了光伏电池的仿真模型，并对其进行了仿真验证，仿真结果很好地拟合了光伏电池的 I-V 特性曲线和 P-V 特性曲线，证明了该模型的正确性，同时，通过对影响光伏电池输出性能的两大因素的分析，明确了太阳光照强度和环境温度对输出特性的影响方式。另外，由于 P-V 特性曲线为单峰值曲线，为了其能始终工作在最大功率点，需要对其进行最大功率最终控制。所以该论文不仅验证了仿真模型的正确性，还分析了光伏电池输出特性影响因素，更引出了后续研究的方向和需要碳素的问题，对光伏电池的发展进一步奠定了基础，探明了方向。
参考文献：
[1] 吴茜琼,常晓颖.基于 Matlab/Simulink 的太阳能电池特性分析[J].华北水利水电学院学报,2010,31（5）:90-92.
[2] 汤强，薛太林. 基于Matlab/Simulink的光伏组件建模仿真[J].通信电源技术,2011,28(1):38-39.
[3] 王锋，张淼,张矛盾. 基于 S 函数的实用光伏模块 Matlab仿真模型[J].广东工业大学学报，2008,25(4):69-72[4] 钱念书,刘阔,郭建业,闫星宇. 光伏电池建模及其输出特性研究[J].电源学报，2012,43(5):78-82作者简介：蒋燕（1981-），男，湖南邵阳人，硕士，主要研究方向为新能源发电技术及控制、智能控制理论研究与应用。
