太阳能电池模型参考毕业论文

光伏发电电路的仿真 I摘 要当今能源的一个重要补充是光伏发电产业和技术，它具有变成将来最主要的能源来源。本文的研究对象是太阳能发电电路，主要目标是最大限度使用太阳能，对太阳能光伏发电电路进行理论和仿真研究并对最大功率点跟踪控制的理论和仿真进行研究。光伏组件的输出特性的最基本问题是光伏发电电路的研究。本文根据光伏组件输出特性方程，使用 Matlab/Simulink 搭建光伏组件仿真模型。光伏发电电路中最大功率点跟踪(MPPT)方法是提高效率的重要手段。本文在介绍了最大功率点跟踪的几种常见方法和原理和光伏组件输出特性及搭建了仿真模型。在这个基础上，对最大功率点跟踪运用 Matlab/Simulink 仿真。仿真结果表明：固定步长增量电导 MPPT 方法可以高效的、稳定的跟踪光伏组件的最大功率点；与此同时当温度、日照强度发生变化的情况下，可以迅速的找到新的工作点，维持光伏发电电路的稳定，体现出了较好的特性。这在光伏发电电路的设计中，具备相当重要的实用价值和理论意义。关键词：光伏组件，太阳能，MPPT ，MATLAB/Simulink 仿真光伏发电电路的仿真 IIABSTRACTWith the development of photovoltaic (PV) technologies, applications of photovoltaic have grown rapidly, indicating that the photovoltaic are attractive to produce environmentally benign electricity for diversified purposes. In order to maximize the use of solar energy, this thesis focuses on the PV power generation systems, which includes modeling of PV systems, maximum power point tracking (MPPT) methods for PV arrays.The modeling of PV arrays is the base of research on PV systems. This thesis presents simulation model of PV arrays based on the output characteristics formulas. It can be directly applied in circuit simulation and system analysis.Maximum Power Point Tracking (MPPT) method is an important means to improve the system efficiency of PV power generation system. MPPT theory and various MPPT algorithms are introduced in the literature. Based on those researches, the simulation results verify that the novel MPPT algorithm can track PV arrays MPP efficient, even under the circum stance of isolation level, ambient temperature changing rapidly.Key words: Photovoltaic parts ,Solar Energy, MPPT, Matlab/Simulink光伏发电电路的仿真 III目 录1 绪论 .11.1 光伏发电的意义与背景 .11.2 光伏发电产业的发展与现状 .31.3 光伏发电电路的基本原理及组成 .41.4 课题意义及研究内容 .42 光伏组件的特性以及仿真模型的研究 .62.1 光伏组件的基本工作原理 .62.2 光伏电池等效电路分析 .72.3 光伏组件仿真模型的建立 .92.4 仿真结果分析 .133 光伏组件最大功率点跟踪的研究 .153.1 光伏发电电路的最大功率点跟踪的基本原理 .153.2 几种常见的 MPPT 方法以及对比 .153.3 光伏组件 MPPT 仿真模型的搭建 .203.4 仿真结果与分析 .204 结论 .22致谢 .23参考文献 .24光伏发电电路的仿真 11 绪论1.1 光伏发电的意义与背景现在21世纪中人们所能利用的能源主要来源是石油、天然气与煤炭等化石能源。随着人们经济水平的增长和人类人口的增长，这些化石能源在不断地被消耗，地球上所剩余的化石能源也将会在不久的将来用尽。目前，世界能源探明储量数据表明，我们现在可用的化石能源已经屈指可数。中国的能源使用情况更加危急。按 2000 年底的统计，我国探明的可开发能源总储量约占世界总量的 10.1%，其组成结构为：原煤占 58.8%，原油占 3.4%，天然气占 1.3%，水资源占 36.5%。那么现在摆在人类面前的一个问题是，如何找到一种能够代替这些能源的能源。下图1.1是中国各种一次能源的探明剩余储量（以储/采比表示）与世界的比较。从中我们可以发现，中国的能源需求面临着更严重的挑战，中国除了太阳能以外，各种一次能源资源均低于世界平均水平 1 22。图 1.1 一次能源的探明剩余储量比较由于传统的化石能源和环境、经济的矛盾非常突出。更加由于能源是社会发展和经济的基本动力。但是由于化石能源的分布局限性和有限性，导致了世界上大部分国家能源供应不足，这样就不能满足社会经济的可持续发展。这个时候，世界就把目光放到了可再生能源上。把希望都寄托在了可再生能源身上，希望可再生能源能够改变人类使用的能源结构，这样来保持人类的长远的可持续发展 3。目前全球的一个主要课题就是发展可再生能源。海洋能、地热能、生物质能、水能、太阳能和风能被中华人民共和国可再生能源法 4界定为可再生能源。在这些能源当中，太阳能被人们主要关注。由于太能能是取之不竭用之不尽的能源，它廉价、光伏发电电路的仿真 2无污染并且人类能够自由的使用太阳能。太阳每秒钟送达地球的能量可以达到80万KW如果我们能把地球表面1%的太阳能转化成为电能那么世界面年的发电量就可以达到5.61210 千瓦小时。这个相当于当今世界所有能耗的40倍。所以根据上述数据我们可以发现，太阳能的发展潜力是巨大的。最近的50年间，对太阳能的研究取得了跨越性的成就，它在市场开拓方面、研究开发、商业化生产等方面都取得了发展，使它成为了世界上发展速度最快的可再生能源之一。太阳能是世界上的清洁能源、绿色能源，发展太阳能已经成为了世界各国的首要目标之一。在人类利用和开发能源的历史中，我们发现主要是以煤炭、天然气、石油为主要能源的。但是这些能源最终将被人类用光，所以我们必须寻找一种能源，这种能源必须是可再生的能源，这样我们就能取之不尽用之不竭了。根据全球的实践和研究说明，太阳能是国际公认的取代化石能源的分布广泛、可再生、无污染的替代能源之一。依据国际世界权威的机构的预测 5，将来全球使用太阳能将达到15%，然而整个可再生能源的使用情况可以达到将近50%，如下表1.1所示。根据下表我们可以发现，太阳能将成为人类以后的主要能源之一。表 1.1 可再生能源和太阳能在未来能源结构中的比例（%）时段 2010 2020 2030 2040 2050可再生能源 20.2 23.5 33.6 42.7 53.4日本预测太阳能 1.9 7.9 13.5可再生能源 22.2 20.9 32.3 43.3 54.6SHELL预测太阳能 2.6 8.4 14.9可再生能源 21.2 22.2 33.0 43 54平均太阳能 2.3 8.2 14.2由于我国人口众多，导致中国是一个能源消耗大国。根据数据表明，2000年我国能源消耗为7.5亿吨石油，单单比美国低了一点点，2000年我国成为世界能源消耗第二大国家。有专家预测等到2050年的时候我国的能源消耗将达到30多亿吨石油。可是我国的人均能源消耗只有美国的1/18不到。我国是以煤炭为主要能能源消耗的，可是煤炭在使用过程中会对地球环境造成非常巨大的污染。所以，我国在开发清洁能源，可再生能源这个问题上市迫在眉睫的。总而言之，随着世界化石能源的一天天使用，总有一天化石能源将会用尽，能源和环境问题将会困扰人类，类似太阳能这样的可再生清洁能源越来越受到人们的关注。最近的20、30年间，太阳能（Photovoltaic，PV）光伏发电技术 6有了很长远的发展。获取太阳能的主要方式之一是光伏发电，对太阳能光伏发电进行研究，对于可再生能源的使用和保护环境有着明显的帮助并且具有重大的价值和意义。光伏发电电路的仿真 31.2 光伏发电产业的发展与现状1.2.1 世界光伏发电的发展及状况光伏发电太阳能产业从 20 世纪 80 年代到现在正保持持续高速的发展，每年都以30%40%的递增增长速度。当今世界对光伏发电技术的应用尤其在澳洲、非洲、亚洲及南美等各国中收到非常的重视。由于光伏发电的价格比较昂贵，它在目前的电力市场是还是不能和常规的能源相竞争。1990 年以前，太阳能光伏发电主要应用都是在一些偏远的无电地区、光伏水泵、远距离通信和偏远农村地区等领域。美国、日本、德国等西方发达国家为了鼓励太阳能的开发和利用都积极制定各种优惠政策来推动大洋能产业的发展 7。1）德国政府是世界上最早和最积极倡导鼓励光伏应用的国家之一 8。1990年，德国政府率先推出“1000 太阳能屋顶计划”，1993 年，德国首先开始实施由政府投资支持，被电力公司承认的 1000 屋顶计划，继而扩展为 2000 屋顶计划，1998 年德国政府进一步提出了 10 万光伏屋顶计划，同时研究开发与建筑相结合的专用光伏组件等。1999 年 1 月起开始实施“十万太阳能屋顶计划”。德国政府颁布的可再生能源法于 2000 年 4 月 1 日正式生效。2) 1996 年，在美国能源部的支持下，美国政府开始了一项“光伏建筑物计划”，投资 20 亿美元，1997 年美国政府在全世界率先宣布发起“百万太阳能屋顶计划，2002 年，美国的光伏电池生产总量达到 11.2GMW，计划到 2010 年要求发电成本降到 7.7 美分/千瓦时。3) 日本政府早在 1974 年就公布了“阳光计划”，1993 年又提出“新阳光计划”，旨在推动太阳能研究计划全面、长期地发展。日本相继颁布了一系列鼓励包括太阳能在内的可再生绿色能源研究与应用地法规，极大地推动了日本光伏工业地发展与应用。2002 年，日本的光伏电池生产总量已达到 254.5MW，并且以世界最快的增长速度 4.86%增长，计划到 2010 年一半以上的新居屋顶将安装光伏太阳能系统。此外，西班牙、荷兰、法国、瑞士、印度、意大利都有相似的计划，并且都投资了巨额资金加速开发太阳能产业。从全球范围来讲，光伏发电技术的应用范围基本上遍及所有的用电领域，并且逐步转变成为市场的主力。1.2.2 我国光伏发电产业的发展及现状1958中国首次研发了太阳能电池，在1971年发射的东方红2号卫星上就使用了太阳能电池，并且在1973开始在地面上使用光伏电池。在1980年间，中国的光伏发电产业已经有了一个雏形，但是它的年产量一直在10KW左右，它的价格也十分的昂贵。因为光伏电池的造价昂贵，导致了中国市场发展受到了限制。所以光伏电池在那是只能作为卫星的电源。在地面上也仅仅用于一些小功率的电源上，比如：高山上的气象仪的用电，铁路信号的用电，他们的功率也在几瓦到几十瓦之间。在以后的十几年间，光光伏发电电路的仿真 4伏发电产业得到相对较快的发展，与此同时，中国也在向国外学习先进的光伏发电技术，先后从国外引进了多条进口的太阳能电池生产线。由于生产线的引进促使中国的太阳能电池的生产力增加到4.5MW/年。价格也从80元/W降低为 40元/W 。经过这几十年的努力，太阳能已经不仅仅用于小功率的电源上，并且更广泛的用于交通、通讯等各个领域当中 9。从九十年代出到20世纪初，中国的光伏发电产业有的很大的发展，在一些架设电网非常有难度的地方使用光伏发电发挥了重要的作用 5。2002 年，原国家计委启动了“西部省区无电乡通电计划”，该计划通过光伏发电和小型风力发电解决西部七省区 780 个无电乡的用电问题，这一项目大大刺激了我国光伏产业的发展。截止 2004 年，中国已在光伏水泵、独立运行逆变器、并网逆变器、通信用控制器和光伏系统专用测量设备等部件攻关上取得了重大进展，而且在光伏电站、风光互补电站、光伏户用系统和并网发电系统的开发上取得一定经验；同时在产品的系列化、模块化、标准化、智能化以及工业化生产方面取得一定进展。除了太阳电池和蓄电池，其它如逆变器、控制器、光伏照明设备等也都有了专业生产厂家。1.3 光伏发电电路的基本原理及组成光伏发电电路 1011指的是将太阳光能转换为电能的电路。光伏组件的构成可由非晶硅、多晶硅、单晶硅或者其他的一些光伏电池组成。由于光伏组件是半导体组成的，它的伏安特性有着非常强烈的非线性，我们将在本文的第二章详细讨论并研究。光伏组件所产生的电能会随着负载、环境、天气等环境变化而变化的直流电源。由于光伏组件产生的电能性能和质量很差，直接供给负载使用是非常困难的。于是我们便需要各种电力电子器件搭建变换电路进行适当的变换和控制。使它成为供负载使用的合适的电能。因为光伏组件它有强烈的非线性的特性，我们都会引入光伏发电电路的最大功率点跟踪 (MPPT-Maximum Power Point Tracking)121313控制技术，我们将在本文的第三章进行详细的研究和讨论。1.4 课题意义及研究内容1.4.1 课题意义光伏组件的最大功率点就是在一个预定的太阳光照强度和环境温度情况下，光伏组件在它特定的一个工作点上是最大功率输出，那么这个工作点就是最大功率点。相比传统的煤炭等能源，我们总是想让光伏组件以最大功率输出点作为工作点，可是光伏组件的最大功率点总会因为各种各样的问题而变化于一个比较宽的范围里面。这种变化不单单是由于光伏组件所在的日照强度和环境温度所影响的，光伏组件的负载的各种电气特性和它的老旧程度同样是让最大功率点不稳定的原因。所以我们认为使光光伏发电电路的仿真 5伏组件始终工作在最大功率点，需要使用最大功率点跟踪技术(MPPT)。从而可以确保光伏组件在无论什么环境下以及变化的负载的情况下始终工作在最大功率点，这样我们就能最大程度的使用太阳能。1.4.2 本文所做的工作本文主要研究了光伏发电电路中的几个核心问题，即光伏组件的理论分析并搭建Matlab141515仿真模型，对仿真I-V和P-V曲线进行分析；最大功率点跟踪的理论分析和研究，并搭建Matlab仿真模型，对其进行研究分析。本文工作的总结为： 1) 根据光伏组件的工作原理，搭建了 Matlab/Simulink 光伏组件仿真模型。对光伏组件的输出特性以及仿真模型进行分析。2)对最大功率点跟踪的原理以及方法进行分析研究，并且介绍几种常见的 MPPT 方法。对增量电导法运用 Matlab/Simulink 进行仿真。2 光伏组件的特性以及仿真模型的研究光伏发电是将光能转换为电能，但是我们要解决如何使光能转换为电能这个问题。光伏组件利用的是半导体的光生伏打效应制作而成的。光伏组件是一种转换器件即将太阳能转化为电能的器件。由于光伏组件受外界温度和光照强度的影响较大，我们就需要搭建光伏组件仿真模型并对其进行仿真。Matlab/Simulink 仿真工具由于它强大的仿真功能，简便、快速的模块化搭建模型的环境从而受到人们越来越大的重视。本章的重点是研究并讨论了光伏组件基本工作原理和光伏组件等效电路的数学模型，在这基础上，搭建了Matlab 光伏组件仿真模型。2.1 光伏组件的基本工作原理太阳能作为一种辐射能量，想要转换成电能就一定要借助于一种能量转换器。这种能量转换器能把太阳能转化为光能，这种能量转换器就叫做光伏组件 5。光伏组件是根据光伏效应直接把光能转化成为电能的一种半导体器件。光伏效应就是所谓的某一种材料在吸取了太阳能后形成电动势的效应。在固体、液体和气体中都可以产生这种效果。在固体中尤其是在半导体当中太阳能转化成为电能的效率是比较高的。光伏发电电路的仿真 6图 2.1 光生伏打效应简图光伏组件其实根本上就是一个P-N结。通常情况下，光伏组件使用的一种半导体材料介于绝缘体和导体之间的某种特殊物质，它和其他的物质的原子一样是由带负电的电子和带正电的原子核组成了它的原子。半导体硅的最外层电子有 4 个，按相对固定轨迹绕着原子转动。当由于外来的能量作用于它时，这些最外层电子就会离开之前的轨道变成自由电子并且在先前的位置上留下一个空穴。一般在非常纯净的硅晶体中它的空穴和自由电子数是一样的。假如我们在硅晶体中加入嫁、硼等金属元素，因为这些元素可以吸附电子，那么它就变成了空穴型半导体，用符号 P代表 ；假如加入能够放出电子的砷和磷等元素那么它就变成了电子型半导体，通常用符号 N 表示。如果结合这两种半导体，它的交界面就会