太阳能电池板的输出特性与实际应用研究

收稿日期 2014-05-13 ； 修订日期 2014-06-17基金项目 国家自然科学基金 11104366 ； 重 庆 理工 大 学研究 生 创 新 基金 YCX2012310作者简介 薛 继 元 1987- , 男 , 硕 士 生 , 研究方 向 为 光电 信 息 检 测 与处 理 。导 师 简介 冯 文 林 1976- , 男 , 教授 , 博士 , 主要从事光电材料 与 器 件 方面的研究 。 Email wenlinfeng126.com太阳 能电 池板 的 输出 特性与实 际 应 用 研究薛 继 元 1， 冯 文 林 2， 3， 赵 芬 2， 杨 晓 占 21. 重 庆 理 工大学 电子 信息 与 自 动 化 学 院 ， 重 庆 400054 ；2. 重 庆 理 工大学 光 电 信息 学 院 ， 重 庆 400054 ；3. 时 栅 传 感 及 先 进 检 测 技 术 重 庆 市 重点实验室， 重 庆 400054摘 要 光 伏 照 明 系统中 作 为 能量来 源 的 太 阳 能电 池 板 ，其 输 出 特性关 系 到 能量 转 换 效率 的 衡量 以及 最 大 功 率 跟踪精 确性的 判断 。 精 确 模 拟 了 电 池 板 的 等效 电 路 ， 并 通过在 Matlab/Simulink 中 建立其 模型 ， 得 出 电 池 板 输 出 功 率 会 随 着 电 压 的 不 断 增 大 ， 先 增 大 再 减 小； 而 且 随 着 光 照 强 度 的 增 强 而增 大 和温 度 的 升 高 而 减 小 。此 外 ， 通过 对 电 池 板模 型 进 行改 善 ， 得 出 电 池 板 最 大 功 率 处 所 对应 的 电 压 值 会 随着 并 联 电 池 板 的 数 量 增 加 而 减 小 ， 但 当 并 联 电 池 板数 量 超 过 3 时 输 出 曲线 就 基本 保持 不 变 ； 最 大 功 率峰 值 会 随 着 串联 电 池 板数 量 的 增 加 先 增 大 ， 当 串联 电 池 板数 量 超 过 一 定 值 时最 大 功 率 值 开 始 保持 不变 。 这 为光 伏 照 明 系统 的建立 提供 良好 的 理论 支 持 。关键词 光 伏 ； 太 阳 能电 池 板； Matlab/Simulink ； 输 出 特性中图分类号 TP337 文献标志码 A 文章编号 1007-2276201501-0176-06Output characteristic and application for solar panelXue Jiyuan 1, Feng Wenlin 2,3, Zhao Fen2, Yang Xiaozhan 21. College of Electronic Information and Automation, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China;2. College of Optoelectronic Information, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China;3. Chongqing Key Laboratory of Time Grating Sensing solar panels; Matlab/Simulink; output characteristic第 44 卷第 1 期 红外与激光工程 2015 年 1 月Vol.44 No.1 Infrared and Laser Engineering Jan.2015第 1 期0 引 言化 石 能 源 即 将 枯 竭 现 状 的 威 逼 和 日 益 严 峻 的 环境 问题 的 压 力 , 使得 储 量无 限 、 使用 清 洁 无 污染 的 太阳 能成 为人 们 所 青 睐 的能 源 之 一 。 而 光电 转 换 是 太阳 能 利 用 的主要 手 段 , 太 阳 能电 池 板则 是 实 现 光电转 换 必 不 可 少 的器 件 。 在电 量 消 耗 中 照明 用 电 占 总用 电 量 的 14 , 所 以研究光 伏 LED 照明 系统 符 合 绿色节 能的发展理 念 。 而 其 中 太 阳 能电 池 板 的特性 是整 个 系统 研究 应 用 的基 本 出 发 点 , 掌 握 了 电 池 板 的输 出 特性 就 能选择 合 适 的 跟踪 方 法 对 其 最 大 功率 点准确 跟踪 , 提高光电 转 换 率 。 根 据 电 池 板 的 输 出 曲线和 跟踪 方 法 可以 检 验 对电 池 板 最 大 功率 点 的 跟踪 效果 , 以 使 整 个光 伏 照明 系统 高 效 可 靠 [1-2] 。自从电 池 板 的 出 现 , 对 其 特性的研究 就 未 曾 间断 过 。 只 是等 效 电 路 中 的 并 联 电 阻 容 易 在 简 化 的分析 中 被 忽略 , 这 对 单 板 的特性研究 影响 较小 , 但 在电池 板组件 的 组 装使用过 程 中 , 这 种 影响 以 及 产生 的误差 就 不得不 被 考 虑 。 文中 完 善 电 池 板 等 效 电 路 模型 , 使 其 输 出 特性更 加 接 近 实 际 电 池 板 特性 [3] 。 虽 然在电 池 板 特性的研究 过 程 中 , 温度 、 光 照 强 度 等 外 界环 境条件 已 被 考 虑 到影响 电 池 板 输 出 特 性 的 因 素中 , 但 电 池 板 的 连 接 方 式 却 没 有 受 到 足够 重视 。 此 文在 前人 对 变化 环境下 电 池 板 输 出 特 性 研 究 的 激 发下 , 展 开 对 不同 串 并 联 方 式 的电 池 板模型 仿 真 分析 ,评价 电 池 板 连 接 方 式 的 优缺点 , 选择 满足 实 际 要 求的 连 接 方 式 。 这 对 太 阳 能 照明 系统 的 建立 有 指 导 性作 用 。1 电 池板 模 型 的建立1.1 电 池板 等效电 路 分析在光 照 强 度不 变 时 , 光电 池 产生 的电 流 基 本保持 不 变 , 等 效 电 路 中 可以 将 其 看 成 恒 流源 。 光 生 电 流通过 负 载产生 的电 压 又 使 p-n 结 正 偏 , 产生 与 光电流 方 向 相 反 的 暗 电 流 I d。 此 外 , 由 于电 池 板 材料 本 身的电 阻 率在光 生 电 流 的作 用 下 会 引起 电 池 板 内 部 的串 联 损 耗 , 引 入 串 联 电 阻 Rs。 而 且 由 于工 艺 的 必 然 缺陷 会使 电 池 板 产生 漏 电 流 , 引 入 并 联 电 阻 Rsh[4-5] 。 由此 可 以 得 出 太 阳 能电 池 板 的 等 效 电 路 图 [6] , 如 图 1所示 。由 图 1 可 得 出 I I ph- Id- I sh 1式 中 I 为 电 池 板 的 输 出 电 流 ； I ph 为 光 生 电 流 ； I d 为 流过 二极 管 的电 流 ； Ish 为通过 并 联 电 阻 的电 流 。 根 据 二极 管 的特性可 得 I d Is. expq. VI. RsakT -1 2根 据 电 路 的 并 联 支 路 电 压 相等 原 理 , 可以 得 出 Ish VI. RsRsh3考 虑 到实 际 应 用中 电 池 板 的 串 并 联 连 接 方 式 [7] ,结 合公式 13 可以 得 出 INsh I ph- Nsh Is. expVI. Rs. qakT -1 -Nsh VI. RsRsh4式 中 V 和 I 分别 为 负 载 两 端 的电 压 和电 流 ； 串 联 电阻 Rs 一 般 为 几 欧 ； Rsh为 并 联 电 阻 , 一 般 取值 从几百欧 到 几千 欧 ； aA Ns, A 是二极 管 的理 想 常 数 , 一 般取值 在 12 之 间 , Ns 是 串 联 的电 池 板 个 数 ； k 为 波 耳兹曼常 数 , 取值 1.38 10-23 J/K ； q 为 电 荷 量 常 数 , 取值 1.6 10-19 ； T 为 绝 对 温度 ； Is 为 二极 管 的 饱 和电 流 ；Nsh 是 电 池 板 的 并 联 个 数 。 由二极 管 特性可 得 IsI sc/ expVocakT -1[ ] 5式 中 Isc 为 电 池 板 短 路 电 流 ； Voc 为 开路 电 压 [8-10] 。1.2 等效 模 型 的建立为了了 解 电 池 板 输 出 特性 , 首先 在 外 界 环境 稳定 的理 想 情况 下 , 对电 池 板模 块 进行 仿 真 , 将 光 照 强度 和 温度 分别 设 置为 1 000 W/m 2 和 25 ℃ 。 为 下 面 将要进行 变化 的 温度 、 光 照 强 度 下 电 池 板 的特性 曲线分析 , 以 及 不同 串 并 联 个 数 电 池 板 输 出 特性 曲线 分析 做 好 基 础 。 其 中 , A 取值 为 1.5。 根 据 12 V-50 W 太阳 能电 池 板 的 参 数 , 开路 电 压 为 22 V , 短 路 电 流 为Iph Id I shRSIR0RshD1iph123图 1 太 阳 能电 池 板 的 等 效 电 路 图Fig.1 Equivalent circuit of the solar panel薛 继 元 等 太 阳 能电 池 板 的 输 出 特性 与 实 际 应 用 研 究 177红外与激光工程 第 44 卷504030201000 5 10 15 20 25Voltage/Vb V-P32.521.510.500 5 10 15 20 25Voltage/Va V-IC [ q] 300 [ T] 22 [ Voc ] 1 0001 [ Rs] 1 [Nsh] [ Ir ] [q] [ Vt ][ I s]Simout[ I ] ＋-[k][T][ V][I r0 ]1 000[ Rd ]5002.6 [Isc][a]1.5C [ k][I] [ a][Rs]＋--＋-＋＋＋＋[I][ Rs][I r][I r0 ][I sc][ Voc][V t][ a ][Id ][V] VVPPI1eu[Nsh][ Nsh][ Iph][I sh][ Nsh ][ Id][ Iph ][I sh][ Rd][Vt][V]1eu[ I s] [ Isc]2.6 A , 按照 公式 15 在 Simulink 中建立 仿 真 模 块如 图 2 所示 。 仿 真结果 如 图 3。从 图 3 中 可以 看 出 太 阳 能电 池 板 的 输 出 电 流 随着 输 出 电 压 的 增 大 先 保持 不 变 随 后 快 速 减 小 ； 电 池板 的 输 出 功率随着 输 出 电 压 的 增 大 先 增 大 , 达 到 最大 功率 点 后 随着 输 出 电 压 的 增 大 又 迅 速 减 小 [11]。 这反 映 的 内 在 关 系 是 在电 池 板 负 载 电 阻 值 增 大 的 过程 中 , 它 的 输 出 电 流 刚 开 始 基 本保持 不 变 , 然 后 快 速减 小 。 只 有 当 负 载 电 阻 值 达 到与 电 池 板 内 阻 相 匹配的 时 候 , 电 池 板 输 出 最 大 功率 。实 际 应 用中 , 太 阳 能电 池 板 的 相 互连 接会 对 其 输出 特性的 产生 影响 , 而 且 在 不 稳 定 的 外 界 环境 中 , 光照 强 度 和 温度 总 是 不 停 地 变化 , 所 以分析 实 际 应 用 和自然 环境 中 太 阳 能电 池 的 输 出 特性 是 非 常 有 必 要的 。图 2 建立 于 Simulink 中 的 太 阳 能电 池 板模 块Fig.2 Module of the solar panel in Simulink图 3 电 池 板 的电 压 - 电 流 、 电 压 - 功率 关 系 曲线Fig.3 V-I curve and P-V curve of the solar panel2 实 际 环境 下 电 池板 的 输出 特性2.1 不同 串并联 方 式 下 太阳 能电 池板 的 输出 特性由 于光 伏 照明 系统 中 照明 设备 的 额 定 工作电 压和电 流 一 般 比 单 个 太 阳 能电 池 板 的 输 出 电 压 和电 流大 , 所 以在光 伏 照明 系统 中 将许 多 块 电 池 板 进行 串并 联 连 接 后 使用 。 下 面分别对 不同 并 联 电 池 板 个 数和 不同 串 联 电 池 板 个 数 的 模型 进行 仿 真 , 其 电 压 - 功率 仿 真结果曲线 如 图 4 所示 。从 图 4 a 中 可 以 看 出 , 随 着 并 联 电 池 板 个 数的 增 加 , 最 大 功 率 值 也 增 加 , 但最 大 功率 所 对 应 的电 压 在 减 小 , 即当 并 联 的 电 池 板 数 量 较 多 时 电 池板 工作在 较 小 的电 压 即 可 达 到 最 大 功 率 。 而 这 种变 化 在 并 联 电 池 板 个 数 增 加 到 3 个 后 就 基 本 停止 , 输 出 曲 线 基 本 不 变 。 图 4 a 中 曲 线 由 下 到 上表 示 电 池 板并 联 个 数 分别 为 1、 2、 3、 4、 5、 6。 图 4b中 横轴 的分 度 值 比 较大使得 左 边 的 第 一 条 曲 线 看起 来 很 小 , 而 且也 使 曲 线 下 降 看 起 来 很 陡 直 。 从图 4 b 可 以 看 出 , 电 池 板 的 输 出 功 率 仍 然 是 随 着输 出 电 压 的 增 大 先 增 大 后 减 小 。 但 是 随 着 串 联 电178第 1 期池 板 个 数 的 增 加 , 最 大 功 率 峰 值 先 逐 渐 增 大 , 超过 一 定 值 后 输 出 曲 线 中 最 大 功 率 峰 值 保 持 不 变 。图 4b 中 的 曲 线 从 左 到 右 表 示 电 池 板 串 联 个 数 分别 为 1 、 12、 23 、 34、 45 、 56。2.2 不同光 照强 度 下 太阳 能电 池板 的 输出 特性在研究光 照 强 度 对电 池 板 的 影响 时 , 为了 消除温度 的 影响 , 在 参 考 温度 T0 为 300 K 时 设定 当前温度为 恒 定 值 300 K。 取 Ir0 为 1 000 W/m 2 为 标 准 光 照强 度 , 根 据公式 IphI sc. [1 mT- T0]I rIr06来 判 断 其 他 各 光 照 强 度 下 的光 生 电 流 值 。 式 中 Ir 为当前 光 照 强 度 。建立 变化 光 照 强 度 下 的电 池 板 仿 真 模 块 , 其 中光 照 强 度 的 变化 过 程是 以 单位 延 迟 模 块 产生 的 。 为了 与 光 照 强 度 变化 的 频 率 相 一 致 , 电 压 信号 设 置为周 期 2 s 的 锯齿 波 。 在 Simulink 建立 的光 照 强 度 变化时 电 池 板 仿 真 模型 中 , 光 照 强 度 和 输 出 电 压 变化 的仿 真 模 块 如 图 5 所示 。设定 仿 真 时 间 为 5 s, 可以 得 出 在光 照 强 度为200、 400、 600、 800、 1 000 W/m 2 下 太 阳 能电 池 板 的 输出 特性 曲线 。 仿 真结果 如 图 6 所示 。 图 中 , a 、 b 中的 曲线 从 下到 上 光 照 强 度 依次 分别 为 200、 400、 600、800、 1 000 W/m 2。从 图 中 可以 看 出 太 阳 能电 池 板 的 输 出 电 压 随着光 照 强 度 的 增 大 基 本保持 不 变 , 而 输 出 电 流 随着光照 强 度 的 增 强 而 增 大 。2.3 不同温度 下 太阳 能电 池板 的 输出 特性从 公式 6 可以 看 出 , 光 生 电 流也 是 温度 的 函 数 。为 消除 光 照 强 度 的 影响 , 标 准 光 照 强 度 Ir 和 当前 光照 强 度 Ir0 都 取值 为 1 000 W/m 2。 在电 池 板 的 短 路 电流 温度 系数 m 取值 0.003 A/K 的 情况 下 可 计算 出 不同温度 下 的光 生 电 流 大小 。 此 外 , 温度 也 会 对 开路 电压 产生 影响 , 由 公式Voc V ocref[1 nT- T0] 71201008060402000 5 10 15 20 25Voltage/Va V-P图 4 不同 并 联 、 串 联 电 池 板 个 数 的电 压 - 功率 曲线Fig.4 P- V curve with different parallel and series solar panels1 0008006004002000 0 200 400 600 800 1 000Voltage/Vb V-P1 200图 5 光 照 强 度 与 输 出 电 压 变化 的 仿 真 模 块Fig.5 Intensity of illumination and the variable voltage modules200 Signal 2[I r][V]1z32.521.510.500 5 10 15 20 25Voltage/Va V-I图 6 不同 光 照 强 度 下 电 池 板 输 出 电 压 - 电 流 曲线 及 输 出 电 压 - 功率 曲线Fig.6 V-I and P-V curves in different intensity of illumination504030201000 5 10 15 20 25Voltage/Vb V-P薛 继 元 等 太 阳 能电 池 板 的 输 出 特性 与 实 际 应 用 研 究 179红外与激光工程 第 44 卷3 总 结考 虑太 阳 能电 池 板 等 效 电 路 中 的 并 联 电 阻 , 在Matlab/Simulink 中建立 模型 可以 得 到 光 伏 电 池 板 的输 出 特性 曲线 。 从 输 出 曲线 可以 看 出 , 电 池 板 的 输出 电 流 随着 输 出 电 压 的 增 大 先 基 本保持 不 变 , 然 后快 速 减 小 ； 输 出 功率随 着电 压 的 不 断 增 大 , 先 增 大再 减 小 。 此 外 , 电 池 板 最 大 功率 处所 对 应 的电 压 值会 随着 并 联 电 池 板 的 数 量 增 加 而 减 小 , 但 当 并 联 电池 板数 量 超 过 3 时 输 出 曲线 就 基 本保持 不 变 ； 最 大功率 峰值 会 随着 串 联 电 池 板数 量 的 增 加 先 增 大 , 当串 联 电 池 板数 量 超 过一 定 值 时 最 大 功 率 值 开 始 保持 不 变 。 而 且 太 阳 能电 池 板 的 输 出 功率随着光 照 强度 的 增 强 而 增 大 , 随着 温度 的 升 高 而 减 小 , 所 以 光伏 照明 系统 中 , 电 池 板应 尽 可能在 低温 的 条件下 增强光 照 强 度 。参考文献 [1] Yan Liyang, Xu Di, Ge Aiming. Novel maximum powerpoint tracking method under non -uniform insolationconditions [J]. Infrarred and Laser Engineering , 2013, 428 2173-2180. in Chinese[2] Wang Hao. A discussion about the relation about solar LEDand the development of the city [J]. China IlluminatingJournal , 2012, 232 33-36.[3] Li Jingang, Li Guohua. A study of photovoltaic road lampsystem[J]. China Illuminating Journal , 2008, 192 54-57.[4] Sun Yingbo. A study of the independent solar LED illuminationsystem[D]. Jinan Shandong University, 2010 7-8.图 7 Simulink 中温度 变化 下 的 模 块Fig.7 Variable temperature module in Simulink可以 得 出 不同温度 下 开路 电 压 值 的 大小 [12]。 Vocref 为参 考 开路 电 压 , 取值 22 V ； T 为当前温度 , 分别 取值280 K 、 290 K 、 300 K ； n 为 太 阳 能电 池 板 的 开路 电 压温度 系数 , 取值 -0.04 V/K 。 建立温度 变化 下 电 池 板仿 真 模 块 , 如 图 7 所示 。其 余参 数模 块 和 图 2 中 的 相 同 。 仿 真 后 结果 如图 8 所示 。 由 图 8 可 知 , 温度 越 高 , 电 池 板 的 输 出 电压 越 小 , 而 输 出 电 流 略 有 增 大 。1 0001 000 [I r][ I r0][q ][k][T ]102701/z[T ] [T ][V t] [ T0 ][T][ n] 1[Vocref ][ Voc][I ph][I sc]1[ Ir0][Ir ][T0][m]图 8 不同温度 下 电 池 板 输 出 电 压 - 电 流 曲线 及 输 出 电 压 - 功率 曲线Fig.8 V-I curve and P-V curve in different temperature32.521.510.500 10 20 30 40Voltage/Va V-I300 K 290 K 280 K100806040200b V-P0 10 20 30 40Voltage/V300 K 290 K 280 K180第 1 期[5] Wang Yue, Wang Nianchun, Shi Bin. A study of the solarpanel model [J]. Electrical 时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆 400054 ， 赵芬 ,杨晓占 ,Zhao Fen,Yang Xiaozhan重庆理工大学 光电信息学院 ,重庆 ,400054刊名 红外与激光工程英文刊名 Infrared and Laser Engineering年，卷 期 20151参考文献 12条1. 严力羕 ,徐迪 ,葛爱明 不均匀光照情况下太阳能最大功率追踪算法 [期刊论文] -红外与激光工程 2013082. Wang Hao. A discussion about the relation about solar LED and the development of the city [J]. China IlluminatingJournal, 2012, 23233-36. 20123. Li Jingang, Li Guohua. A study of photovoltaic road lamp system[J]. China Illuminating Journal, 2008, 19254-57.20084. Sun Yingbo. A study of the independent solar LED illumination system[D]. JinanShandong University, 20107-8. 20105. Wang Yue, Wang Nianchun, Shi Bin. A study of the solar panel model [J]. Electrical Electronics, 2009, 1421020-22. 20096. Liu Zhuo. Solar LED illumination system [D]. ShanghaiFudan University, 201032-34. 20107. Li Jiyong, Gong Renxi, Feng Zhaohe. A novel MPPT intelligent multiple method based on constant voltage and fuzzycontrol applied in photovoltaic power system [J]. Advanced Science Letters, 2012, 111184-188. 20128. Miao Hongli. The design and realization of photovoltaic road lamp [D]. QingdaoOcean University of China, 200710-12.20079. Sojoudi M, Madatov R, Sojoudi T. Optimization of efficiency of solar cells by accelerated electron ray to have anoptimaland constant energy [J]. International Journal on Technical and Physical Problems of EngineeringIJTPE, 2011,3968-71. 201110. Nema S, Nema R K, Agnihotri G. Matlab/Simulink based study of photovoltaic cells/modules/array and theirexperimental verification [J]. International Journal of Energy and Environment, 2010, 13487-500. 201011. Qiu Dongdong, Wang Rui, Cheng Xiangai, et al. The effect of the ultrashort laser pulse to the monocrystal silicon[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 411112-115.in Chinese 201212. Gao Zhigang, Li Yongdong, Sun Min. Compare and analysis several solar panel models [J]. Power Supply Technologiesand Applications, 2012, 411112-115. 2012引用本文格式 薛继元 . 冯文林 . 赵芬 . 杨晓占 . Xue Jiyuan . Feng Wenlin . Zhao Fen. Yang Xiaozhan 太阳能电池板的输出特性与实际应用研究 [期刊论文] -红外与激光工程 20151