太阳能小屋设计
摘要
介绍了浙江省慈溪市天和家园住宅小区43kW．屋顶太阳能并网光伏发电系统的设计思路，以及系统的具体功能与配置，提出了设计中需要注意的问题及具体的解决方案。
包括：①光伏系统提供公用设施用电，在阴雨天时使用城市电网为公用负荷供电；
②光伏系统在小区内局部并网．不考虑将电能输入上级城市电网；
③太阳能电池组件方阵倾角确定为3O。，选用常州天合光能有限公司生产的TSM一175D型高效单晶硅电池组件。分析了组件分组串接原则，确定了布置方案；( 并网逆变器选择德国艾思玛(SMA)公司SMC6o(》0rIL型无变压器集中式逆变器和SB5o0仇1．型无变压器多组串逆变器；( 地下车库照明负荷曲线与日照曲线接近．因此选择地下车库照明和智能化设备用电为光伏系统负荷；⑥简介了防直击雷和防感应雷措施．以及选择电缆和设计支架时应考虑的因素；⑦监控系统选用SMA的Sunny Boy Control Plus产品。
关键词住宅小区并网光伏发电太阳能电池组件多组串逆变器1 项目简介
1．1天和家园住宅小区概况
浙江省慈溪市天和家园住宅小区占地面积64 788m2，总建筑面积13．4万m2。小区住宅整体布置方式为南北朝向，南北均无高大建筑物，无遮阴情况，日照充分。小区建筑住宅以多层为主，屋顶呈人字形，楼高22．2—22．86m。计划在天和家园2O号楼屋顶装设太阳能电池板，建住宅小区太阳能光伏发电示范电站。2O号楼目前处于在建状态，-屋顶可利用面积有：西侧平台，面积87m ；斜屋面，～7共7块，总面积(斜面)113．9m。；露台，厶一厶共5个，总面积233．44m 。
1-2设计要求
a．该项目有一定的公众影响力。美观与否非常重要，要求光伏电池组件的安装应保持屋顶的风格和美观，并与小区及周围环境相协调。
b．该光伏电站主要提供天和家园小区公用设施用电，包括：地下车库西区照明灯35．2kW，地下车库东区照明．灯21．4kW，智能化设备2kW等。要求在阴雨天气时，’应能使用城市电网为公用负荷供电。
c．光伏电站建设费用计入小区开发成本。建成后随小区移交物业管理，要求节省投资。维护管理方便。
2 光伏发电系统运行方式的选择
太阳能光伏发电系统的运行方式可分为两类。即：独立运行和并网运行[1]。
独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区。由于必须有蓄电池储能装置，所以整个系统的造价很高。
在有公共电网的地区。光伏发电系统一般与电网连接，即采用并网运行方式。并网型光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池，而将电网作为自己的储能单元。由于蓄电池在存储和释放电能的过程中，伴随着能量的损失，且蓄电池的使用寿命通常仅为5～8年，报废的蓄电池又将对环境造成污染，所以，省去蓄电池后的光伏系统不仅可大幅度降低造价，还具有更高的发电效率和更好的环保性能，且维护简单、方便。在建筑密度很大的城市住宅小区中，能够安装太阳能电池板的面积有限，住宅小区屋顶光伏发电系统的容量通常远远小于其变压器的容量，即光伏系统的发电功率始终小于小区负载的功率，没有剩余电能送入上级城市电网[2】。
综合考虑，该光伏发电系统拟采用并网运行方式．并在小区内局部并网，不考虑将电能输入上级城市电网，系统原理图如图l所示。采取小区内局部并网3 系统设计
3．1设计依据
该系统的设计依据有：《光伏系统并网技术要求》(GB／T19939—2005)；当地气象资料；建设方提供的相关资料及要求等。
3．2光伏系统太阳能电池组件的配置方案
3．2．1最佳方阵倾角的确定
慈溪市介于北纬3O。O2 一3O。24 和东经121。02 一121。42 之间，处于北亚热带南缘，属季风型气候。平均年日照时数2 038小时，太阳年辐射量4 000～4 800MJ／m ，年日照百分率47％。查阅相关资料可知，太阳能电池组件方阵最佳倾角为30。。
3．2-2太阳能电池组件的选择与布置
3．2-2．1太阳能电池组件的选择
目前，高效晶体硅太阳能电池的光电转换效率已达2l％以上，大批量生产的单晶硅光伏电池组件的光电转换效率也已达到14％以上。该系统选用了常州天合光能有限公司生产的rlSM一175D型高效单晶硅电池组件．其外形如图2所示。
TSM一175D型电池组件技术参数如下，峰值功率：Pm=175WP；开路电压：=43．58V；最佳工作电压：=36．2V；短路电流：厶=4．97A；最佳工作电流：，m=4．85A；重量：G=16kg；尺寸：长×宽×厚=l 581 mm×809mm ×40mm。
3．2．2．2太阳能电池组件的布置
将太阳能光伏发电应用于城市住宅小区时，与建在边远地区、荒漠地区的独立光伏电站有很多不同点，不能简单地将太阳能电池方阵按最佳倾角的要求布置，必须要充分考虑与周围环境的协调和美观。根据建设方提供的加号楼屋面图(参见图3)以及现场考察情况，电池方阵布置方案如下：
a．西侧平台面积87mz。采用锯齿型方阵。共安装组件36块，方阵倾角为30o。功率为：175Wp×36=6 300W 。
b．斜屋面一，共7块小屋面可安装太阳能组件，总面积(斜面)113．9m：，与斜屋面平行安装组件87块，方阵倾角为斜屋面坡度31。。功率为：175W ×87=15 225Wp。
c．顶层露台上方装饰性花架有厶一共5个可安装太阳能组件。面积233．44m。，考虑露台的采光和建筑的整体布局和美观。将露台上方装饰性花架前半部分空出一定面积，保持装饰性花架的原貌，后部约有163 m2安装组件，共安装组件126块，为减少风压及屋顶的美观，方阵倾角为7。。功率为：175Wp×126=22 050Wp。该布置方案共安装了1’SM一175D 型高效单晶硅太阳能组件249块，总功率为43 575W。，设计按43kWp配置、计算3．2．3太阳能组件的分组串接
从系统效率考虑，直流电压越高效率就越高，住宅用电电压为220～400V。安装组件时原则上要在同一日最低的组件影响导致整体输出严重下降。该方案屋面布置的太阳能电池组件在安装后的光照有两种情况：
a．平台、露台上方装饰性花架安装的组件将不会受到建筑物等的挡光影响；
b．斜屋面安装的组件在每天的不同时间段，其光照将会受到不同方向建筑的一定影响。
为了将组件串接后的热斑效应损耗降到最低，受到不同方向建筑物影响的组件进行分组。将受到相同方向建筑物影响的组件归为一组。并且在系统中采用多组串逆变器(在后面的逆变器中详述)。为了平衡逆变器的功率，每台多组串逆变器都接入了多组的组件。由多组串逆变器的每路MPPT(最大功率跟踪)电路对每路组件进行最大功率点跟踪，从而使因挡光引起的组件功率损失降低到最低限度。电池组件分组数参见图3所示(电池组件被圈的为一组)。
3．3并网逆变器选择与配置方案
3．3．1并网逆变器的选择
并网逆变器是并网光伏系统的重要电力电子设备．其主要功能是把来自太阳能电池方阵输出的直流电转换成与电网电力相同电压和频率的交流电，并把电力输送给与交流系统连接的负载，同时还具有极大限度地发挥太阳能电池方阵性能的功能和异常或故障时的保护功能，即：①尽可能有效地获取因天气变化而变动的太阳能电池方阵输出所需的自动运行和停机功能，以及最大功率跟踪控制功能；②保护电网安全所需的防单独运行功能和自动电压调整功能③电网或并网逆变器发生异常时，安全脱网或停下逆变器的功能。已进入实用阶段的并网逆变器的回路方式有电网频率变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方式和无变压器方式3种。其中无变压器回路方式因在成本、尺寸、质量和效率等方面具有优势而被广泛采用。该系统的并网逆变器选用德国艾思玛公司(SMA)生产的Sunny Mini Central系列SMC6000TL 型无变压器集中式逆变器和Sunny Boy系列SB50OOTL Multi—String~无变压器多组串逆变器，具有过压保护、对地故障保护、孤岛效应保护、过载保护、短路故障保护等完善的保护功能，并具有内置逆变采集器和RS485、RS232通信接口，可方便地获取逆变器的运行参数(直流输入电压和电流、交流输出电压和电流、功率、电网频率等)。其技术参数如表1所示。多组串逆变器采用了每路独立的最大功率跟踪，可以处理不同朝向和不同型号的光电组件，也可以弥补不同连接串中的光电组件数量和部分阴影的影响。因而可以有效地避免屋面安装的组件因阴影引起的功率损失。
3．3．2逆变器与电池组件的分组匹配
逆变器与电池组件的分组串接如图4所示。在标准测试条件下逆变器所接入的每路组件数量、输入电压、功率如表2所示。对照表1可知，该方案逆变器与电池组件的配置是合理的，满足要求。3．4太阳能光伏发电系统负载的选择从严格意义上来讲。并网光伏发电系统是将整个城市电网作为自己的储能单元，因而，光伏系统所带负荷是任意的，不存在选择问题。但由于我国《可再生能源法》刚刚于2006年1,q 1日实施，《可再生能源法》的“上网电价法”和“全网平摊”法规尚未实施，这就带来了住宅小区移交物业管理后电费管理上的困难。因而，为了更好地保证上级城市电网的安全，方便管理，太阳能并网光伏系统负载的选择原则应是使屋顶并网光伏系统的发电功率小于所带负载的用电功率，并且尽可能使负载的用电时间与光伏系统的发电时间相匹配。天和家园设置了高压环网站一座，在小区各负荷点设置了7个箱变．其中2 箱变为800 kV·A，6 箱变l ooO kV．A．其它均为630 kV·A。与光伏系统公共接入点相连的箱变变压器容量为630kV·A，主要供小区公用负荷用电。天和家园公用负载主要有：地下车库西区照明灯35．2kW，地下车库东区照明灯21．4kW，智能化设备2 kW，以及小区景观灯、围墙灯等。地下车库照明负荷曲线与太阳光日照曲线接近，因此，选择地下车库照明和智能化设备用电为光伏系统的负荷。总负荷功率为58．6kW，大于光伏系统的峰值功率43kW ，且所安装的光伏系统峰值功率43kW。不到所连4#箱变容量的10％，保证了无电能输入上级城市电网，符合设计要求。’
3．5防雷设计
3．5．1防直击雷措施
直击雷是指直接落到太阳能电池阵列、低压配电线路、电气设备以及在其旁的雷击。防直击雷的基本措施是安装避雷针。由于该光伏系统中的外置设备在整个环境中不是最高建筑物，所以设计为：把所有屋顶电池组件的钢结构与屋顶建筑的防雷网相连，以达防雷击的目的，并符合《光伏(PV)发电系统过电压保护一导则》(SJ／T11127)中有关规定。
3．5．2防感应雷措施
太阳能光伏发电系统的雷电浪涌入侵途径，除了太阳能电池阵列外。还有配电线路、接地线以及它们的组合。从接地线侵入是由于近旁的雷击使大地电位上升，相对比电源高，从而产生从接地线向电源侧反向电流引起的。根据sJ／T11127中有关规定。该系统主要采取以下措施：。
a．在每路直流输入主回路内装设浪涌保护装置，并分散安装在防雷接线箱内。屋顶光伏并网发电系统在组件与逆变器之间加入防雷接线箱，不仅对屋顶太阳能电池组件起到防雷保护作用。还为系统的检测、维修、维护提供了方便。缩小了电池组件故障检修范围。该设计选用了IP65防护等级的TRI—FL型接线箱。并随组件方阵直接安装在室外。其接人方式参见图4。
b．在并网接人控制柜中安装避雷元件，以防护从低压配电线侵入的雷电波及浪涌。并网控制柜原理图参见图5所示。
3．6电缆选择
组件之间的连接电缆和组件与逆变器之间的电缆都使用在户外，直接暴露在阳光下，因此，该光伏系统直流部分选用耐氧化、耐高温、耐紫外线的DCEYHR系列电缆，以保证系统长时间的安全正常运行。
3．7支架设计
慈溪地区为沿海地区。在抗风压以及抗腐蚀方面采取了以下措施：
a．所有支架采用国标型钢，多点结合，即：增加钢支架与屋面结构和相关承重结构的连接点，将受力点均匀分布于各承重结构上。按抗l2级台风要求进行力学设计计算．各连接点选用特制型钢和不锈钢螺栓连接。
b．所有支架都采用热镀锌，局部外裸部分喷涂氟碳涂料来有效防腐。
3．8监控系统设计
该监控系统选用德国艾思玛公司(SMA)配套生产的Sunny Boy Contwl Plus产品，具有强大的监控功能：
a．监控系统内置可连接外部传感器的输入测量端口和操作界面。包含8个模拟量(如温度、辐照度、气压、湿度等)和8个数字量(如风速、智能电表等)输入接口。
b．通过RS485通信总线与逆变采集器相连接，获取每组光伏组件的发电情况和每台逆变器的发电功率。
e．监控系统可以存储数据，记录250个数据通道，可以显示实时运行状况，分析运行数据。
d．监控系统可以连接外置显示屏昆示户外系统运行情况。也可以与远程监控器相连，实现无线远程连接，远程管理员通过普通手机即可了解到系统的运行情况。
4 结束语
a．该设计方案充分考虑了各种因素和要求，在遵循国家标准系统并网技术要求》的前提下，充分体现了其科学合理性、经济性、美观性、示范性、人性化等特点．选用的高效率单晶硅电池组件、高效率并网逆变器、多组串逆变器、监控系统(可拓展到远程监控)等也充分反映了这些特点，达到了最佳效果，有着较好的示范性和影响力。目前该工程正在申报国家示范性项目。
b．太阳能是一种清洁、可再生能源，太阳能光伏发电实现了直接将太阳能转化为电能。我国人LI众多。人均能源资源量较低，发展可再生能源是落实科学发展观的必然选择。其中太阳能发电是最有前景的技术之一，从环境保护和能源战略上都具有重大意义。
c．将太阳能光伏发电技术应用于城市住宅小区建设项目，国内目前尚无先例。我国新能源法已从2OO6年1月1日正式实施，随着“上网电价法”和“全网平摊”等法规的进～步实施，光伏发电的成本将接近于商业化，这必将极大地推动我国光伏产业的发展．相信不久的将来，我国民用建筑物的屋顶太阳能并网光伏发电系统将会得到广泛的应用[3I
最佳利用型太阳能光伏发电方案
——通讯供电系统节能减排
2009年12月，《联合国气候变化框架公约》第15次缔约方会议在丹麦哥本哈根召开。会议对《京都议定书》一期承诺于2012年到期之后全球应对未来气候变化的行动进行了激烈的讨论，并发表了《哥本哈根协议》。按照该协议，工业化国家应在2010年1月31日之前向公约秘书处提交经济层面量化的2020年排放目标，发展中国家应提交在可持续发展的情况下计划实行的延缓气候变化举措。
截至2010年3月末，据联合国消息，《联合国气候变化框架公约》秘书处表示，已经有70多个缔约方做出了到2020年的温室气体减排承诺，这些国家的排放量之和占世界总量的80%以上。其中41个工业化国家已经正式通告了它们到2020年的减排目标，另外35个发展中国家也已经宣布了各国在获得资金和技术支持的前提下计划采取的减排行动。
节能减排是贯彻落实科学发展观、构建和谐社会的重大举措；是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；是推进经济结构调整，转变增长方式的必由之路；是维护中华民族长远利益的必然要求。中国“十一五”规划纲要提出了“十一五”期间单位GDP能耗降低20%左右，主要污染物的排放总量减少10%。
通讯系统耗能逐年增加，信息产业已成全球第五大耗能产业，亟待大力推动节能减排。早在两年前，信产部就宣称：单就通信行业来讲，我国通信行业年耗电超过200亿度以上，已经成为一个高耗能行业。重视通信系统节能减排，不但有利于运营节约成本，更能实现增长方式转变，提高企业可持续发展能力，同时节能减排也是运营企业所应承担的社会责任。
自1954年恰宾和皮尔松在贝尔实验室第一次研制出实用的单晶硅太阳电池开始，经过半个多世纪的发展，晶体硅太阳能光伏组件已经成为成熟的商用化产品。太阳能光伏发电在通讯供电领域的应用也经过了多年探索。由于太阳能光伏发电有不受地域限制的特点，与风能发电等其他“绿色”能源相比，太阳能光伏发电占据了通讯系统节能减排最重要的地位。
中兴通讯在太阳能光伏供电应用方面积累了丰富的经验，在已执行的海外通讯项目中，累计在网运行的太阳能光伏发电总容量超过10兆峰瓦（1兆=106）。2009年6月，中兴通讯应邀提供了上海世博会场馆移动通信基站的太阳能光伏供电解决方案。本着节能减排最大化，充分利用太阳能资源的原则，特别推荐了“最佳利用型”太阳能光伏供电解决方案。最佳利用型太阳能光伏供电系统结构示意图如图一。
图一最佳利用型太阳能光伏供电系统结构
世博会场馆移动基站对太阳能供电要求的特点：
需要考虑社会效益，最大化降低全年碳排放量；
上海地区各月太阳辐照量差别较大；
热点通信地区基站功耗较大；
组件安装方式需要根据现有建筑条件设计；
对通信供电可靠性要求特别高。
设备功耗表：
功率(W) 每天工作时间(Hr) 耗电量(WHr)
BTS 9002421600
传输设备50241200
照明等50241200
全天耗电量24000
上海地区地理位置信息和气象资料：纬度：31°13'48"N；平均海拔：7m。
月份I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 辐照量
2.61
3.08 3.54
4.46
5.05 4.64 5.15 4.82 4.09 3.47 2.91 2.56 kWh/m2/day
透明度0.46 0.44 0.41 0.44 0.46 0.41 0.46 0.46 0.45 0.46 0.48 0.49 温度(°C) 4.92 5.94 9.05 13.92 18.47 22.25 25.84 25.74 22.7 17.91 12.74 7.26 根据“最佳利用型”太阳能光伏供电解决方案设计原则，按照全年能接收到的最大太阳辐
射量设计光伏阵列安装倾角，最大化利用太阳能资源，减少碳排放量；光伏不足部分能量由
市电提供，确保基站供电CAPAX（资本性支出）和OPAX（运营性支出）均最低；按照蓄电
池备份供电时间3天设计蓄电池容量，延长蓄电池使用寿命和供电高可靠性。
由此计算得出太阳能方阵最佳倾斜角为30°（朝向正南）。更进一步可绘出不同倾斜角
时的日均太阳辐射能：
图二不同倾斜角的日均太阳辐射能
通过一系列的运算，太阳能光伏组件配置需要40块175Wp（7kWp），蓄电池组配置3组800AH胶体电池（GEL）。然后进行太阳能光伏组件容量配置验证：
图三太阳能光伏发电量
由图三可以看出，“最佳利用型”太阳能光伏供电方案中，太阳能光伏发电量只在太阳辐照量最多的月份恰好满足负载消耗，而其他月份的发电量均不足以维持负载供电。太阳能光伏发电量不够负载耗电量的部分，通过供电系统中太阳能充放电控制器的控制，自动由市电补充供给。市电补充供电量只占负载总耗电量的8%，说明此方案最大程度的利用了太阳能光伏发电能力。太阳能光伏发电全年累计为负载供电8488.3kWh。按照单位发电量需要平均碳排放量0.785kg/kWh计算，每年可以减少CO2排放量约6.7吨，相当于减少燃烧约4.8吨煤。
综上所述，太阳能光伏发电系统，采用中兴通讯长期深入研究和工程实践而提出的“最佳利用型”解决方案，可以实现通讯供电系统最大化的节能减排。
光伏组件竖向、横向布置不同，发电量差异大！ 在光伏电站的设计中，光伏组件的放置有两种设计方案： 方案一：竖向布置，如下图。 图1光伏组件竖向布置的光伏电站 方案二：横向布置，如下图。 图2光伏组件横向布置的光伏电站 根据我的了解，目前竖向布置的电站会更多一些。主要原因是，竖向布置安装方便，横向布置时，最上面的一块安装比较费劲！这就影响了施工进度。
经过与业内的多位专家探讨之后，发现一横、一竖，对发电量的影响太大了！逐步说明这个问题。 1、前后遮挡造成电站电量损失 在电站设计过程中，阵列间距是非常重要的一个参数。由于土地面积的限制，阵列间距一般只考虑冬至日6个小时不遮挡。然而，6小时之外，太阳能辐照度仍是足以发电的。从本人获得的光伏电站的实测数据来看，大部分电站冬至日的发电时间在7小时以上，在西部甚至可以达到9个小时。（一个简单的判别方法，日照时数是辐射强度≥120W/m2的时间长度，而辐射强度≥50W/m2时，逆变器就可以向电网供电。因此，当12月份的日照时数在6h以上时，发电时间肯定大于6h。） 结论1：我们为了减少占地面积，在早晚前后光伏方阵必然会有遮挡，造成发电量损失。 2、光伏组件都有旁路二极管 热斑效应：一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量，被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应。 这种效应能严重的破坏太阳电池。有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏，最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。因此，旁路二极管的作用就是：当电池片出现热斑效应不能发电时，起旁路作用，
1.光伏电池数学模型 单个光伏电池的I-U曲线是随光照强度，温度变化的非线性曲线，精确的等效电路模型如下： 由图1通过基尔霍夫定律可得 其中，等式右边第一项为恒流源，第二项为流过二极管的电流，第三项为并联电阻上的电流。R s 为光伏电池的内阻；R P 为光伏电池的并联电阻；I n为流过二极管的反向饱和漏电流；I SC为光伏电池的短路电流，在一定光照和温度下为一常量。 对公式求导
由公式可见，dI/dU <0 ,即在光伏电池的正常工作范围内，输出电流I随着输出电压U的增加而单调降低，具有一一对应关系，这是后面光伏电池组串并联特性分析的基础。 2.光伏电池的串并联 一般的光伏电池板东都是通过多块光伏电池以串并联的方式组成光伏阵列而工作。例如 假定光伏列阵各光伏电池的输出特性和内特性相同，则光伏阵列可看作：先由n个光伏电池并联成一组，然后再由相同特性的m个光伏电池组串联组成。 先考虑n个光伏并联的情况。并联的光伏电池具有相同的外工作电压，每一光伏电池的输出电流也是相同的，则总的输出电流为 由公式可见，多个光伏电池并联时的数学模型与单个光伏电池的相似，通过求导也可得出其总输出电流和输出电压的一一对应关系。
当m个光伏电池光伏电池串联而成光伏阵列时，由于每个光伏电池组具有相同的工作电流，则每组上的电压也相同。设总的输出电压为V，则得到总输出电流与输出电压的关系式 由此可见，光伏电池串并联后组成的光伏阵列也具有和单个光伏电池相似的输出数学模型，令D 则公式化为 一般的太阳能电池生产厂家都会给出一定温度下的开路电压，短路电流，最大功率点输出时的电流和电压等参数，则可以计算出I OD R1 R2 B等未知量。 多个太阳能电池板串联时，仍使用。 令V1=V+I0R1,则公式可化为 此公式是串并联光伏电池组的Matlab等效模型所依据的数学基础，其对应的串并联光伏电池组的等效电路图
光伏组件中电池遮挡与伏安特性曲线变化的关系
光伏组件中电池遮挡与I-V曲线特性变化关系 收藏分享2011-4-26 11:06|发布者: 么西么西|查看数: 1668|评论数: 0 摘要: 众所周知，晶体硅太阳电池组件的表面阴影、焊接不良及单体电池功率不匹配等因素是导致输出功率降低的主要原因，研究这些因素的影响不仅对制造晶体硅太阳电池组件有指导作用，而且也有利于人们正确判断光伏发电系统输 ... 匹配等因素是导致输出功率降低的主要原因，研究这些因素的影响不仅对制造晶体硅太阳电池组件有指导作用，而且也有利于人们正确判断光伏发电系统输出降低或失效的原因。 国外曾经有人报道一些在现场用了10到15年的组件电特性已经恶化。其I-V 特性曲线已经和一些普通的光伏组件差别很大，而这种变化的I-V曲线可以用来分析晶体硅太阳电池组件输出降低的原因。本文主要讨论了遮挡部分电池组件输出特性的影响，并用计算机对核过程进行了模拟。 一、模拟方法 在晶体硅太阳电池组件中，当有电池被遮挡时，组件的输出特性可以用下式表示： =3.86X10-5（A）,Rsh=15.29这些参数估算时可以用一下参数代替：n=1.96，I （Ω）。a=2.0x10-3，Vbr=-21.29（V），nn=3.R =0.008. 3 组件中有电池被遮盖时的电路可以用图片三来表示，正常的电池和被遮盖住的电池在组建中是串联关系，因此电压V和电流I满足以下等式：
组件中电池被遮挡时的模拟电路 其中，Iph1代表组件中普通电池的光电流，Iph2代表遮挡电池产生的光电流，与等式（2）中的遮挡透过率有关系，例如，当遮挡透过率为35%时，Iph2是Iph1的0.35倍。通过解（3）-（6）式可以计算出I-V的特性。 二、实验 图2（a）和（b）是通过改变阴影透过率的情况下分别计算和实际测量的I-V特性曲线。当组件上的一个电池用不同的透过率（一个组件由36块电池组成）时，短路电流大致变化不大。结果是透过率越低，电流随着电压的升高下降越快。另一方面，开路电压基本上相同。由图可看出：测量结果与计算的结果相吻合。
2太阳能电池的数学模型 太阳能电池的数学模型是太阳能电池模拟器系统设计的基础，本章从太阳能电池的工作原理、等效电路出发，详细介绍了太阳能电池数学模型的建模过程，给出了太阳能电池的数学模型，并且对该数学模型进行了仿真，证明了该数学模型的正确性，为下文提出六折线模型拟合太阳能电池的I-V特性曲线奠定了基础。 2.1太阳能电池的工作原理 通常所说的太阳能电池指的是太阳能电池单体，太阳能电池单体是一种能够利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的半导体装置，它的转换效率一般可达百分之十五左右。它通常是由大量的PN结串联而成的，整体结构一般是由一个P型半导体作为底座，在上面刻入N 型薄膜，并且通过金属导线把PN结的两端引出。太阳能电池单体是最小的光电转换单位，输出电压和输电电流都很小，一般不可以直接作为电源使用。通常都是将一定数量太阳能电池单体通过串联构成太阳能电池组件来使用。太阳能电池组件的输出电压一般达到24V左右，24V的电压可用来为蓄电池充电，能够应用在各个系统和领域中。当需要进行大功率光伏发电系统时，可以把这些太阳能电池组件通过一定的形式串联或并联起来，形成太阳能电池阵列。太阳能电池阵列能够产生较大的功率，可以用在各个领域中。 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光生伏特效应，也称为光伏效应。硅半导体结构如图2-1 a)所示，在图中，硅原子用正电荷来表示，硅原子四周的四个电子用图中的负电荷来表示。当向晶体硅中掺入其他的杂质，如硼、磷等就会形成一个个很小的PN结。当向晶体中掺入硼时，含有杂质硼的晶体硅的内部电子排列如图2-1 (b)所示。图中，硅原子用正电荷来表示，硅原子四周的四个电子用负电荷表示，而图中黄色的就表示掺入的硼原子，由于硼原子的外部只有三个电子，就会吸引硅原子的一个电子过来，这样就会产生如图中蓝色的空穴，这个空穴又会因为没有足够的电子而去吸引别的电子，这样就形成了P ( positive)型半导体。 同样的原理，如图2-1 (c)，当掺入的杂质为磷时，因为磷原子的周围有五个电子，磷原子与硅原子结合时就会多出来一个电子，多出来的这一个电子通常在晶体内部是很活跃的，这样就形成了N ( negative)型半导体。 如上面的分析，P型半导体内部含有多余的电子，而同时N型半导体内部含有多余的空穴，当这两种半导体材料结合在一起时，就会在交界处的区域内形成一个特殊的薄层，这个薄层就是PN结。PN结靠近P型半导体的这侧带负电，靠近N型半导体的这侧带正电。这是因为P型半导体内部含有多余的空穴，而N型半导体内部含有多余的电子，当二者结合在一起时就会出现电子和空穴的浓度差，这样就会出现P型半导体的空穴向N型半导体的这侧扩散，而N型半导体的电子向P型半导体这侧扩散，扩散的结果是P型半导体因为
PSIM9.0学习笔记1——光伏电池板模型的使用 今天看了看PSIM9.0里面的光伏板模型，顺带测试了一下，感觉非常简单实用，以后要做光伏这方面研究的童鞋就不用纠结怎么建光伏电池板的模型了，直接拿来用就可以了。1.光伏板模型就在PSIM9.0的elements-power-renewable energy里面，有两种，一种是物理模型的，一种是功能模块的，物理模型更接近于真实的板子，有两个输入，分别对应照度和温度，正负输出端，还有一个可以观测最大功率的接口，如下图所示 功能模块顾名思义就是只用来实现光伏板电池功能的模块了，只有正负端输出，只需要给定他的开路电压，短路电流，最大功率点电压和电流即可，那么在不要看光照温度影响的条件下可以简单的来用，如下图所示 我个人觉得要研究光伏电池特性，最大功率跟踪，以及更实际一点儿的研究的时候就用物理模块，而光伏板只是最为一个输入电压来看的话那就用功能模块应该就能满足了……当然我还没往后做，仅仅是感觉哈…… 同时PSIM9.0里面还有一个计算光伏板物理参数的工具，叫solar module，可以通过电池板的参数，也就是一般电池板所提供的最大功率，开路电压那些参数，计算出那些光伏板等效电路里面的诸如串联电阻、饱和电流，温度系数之类的值，同时能够看到该参数下的电流电压和功率电压关系曲线，方便我们使用物理模块时对参数进行设置，如上图所示 那么基于以上，我把我用的电池板参数填上去，用物理模块测试，同时光强由400-1000每200变化一次做了一下仿真，以下就是测试电路和测试波形。 输出波形 以上就是我刚对PSIM9.0里面的光伏板做的学习，当然只是很简单的学习并且用了一下，各位大侠们看了之后不要鄙视哈……如果有有错的或者理解不对的地方还请各位大侠帮忙指正！~~ 后续继续做MPPT实验和逆变器的实验，慢慢做，然后再发上来大家一起讨论学习哈
一、实验过程记录 1.画出实验接线图 图1 实验接线图 图2 光伏电池板图3 实验接线实物图 2.实验过程记录与分析 （1）给出实验的详细步骤 ○1 实验前根据指导书要求完成预习报告 ○2 按预习报告设计的实习步骤，利用MATLAB建立光伏数学模型，如下图4所示。
图4 光伏电池模型其中PV Array模块里子模块如下图5所示。 图5 PV Array模型其中Iph，Uoc，Io，Vt子模块如下图6-9所示。 图6Iph子模块
图7Uoc子模块 图8 Io子模块 图9Vt子模块 ○3 在光伏电池建模的基础上，输入实际光伏电池参数值，研究不同光照强度下、不同温度下光伏电池的I-V、P-V特性曲线，并得出结论。 ○4 设计光伏电池测试平台，在不同光照、温度情况下测试光伏电池输出电压、输出电流值，对实测数据进行处理并加以分析，记录实际光伏电池的I-V、P-V 特性曲线，与仿真结果进行对比，得出有意义的结论。 ○5 确定电力变换电路拓扑结构，设计电路中的相关参数值，通过MATLAB搭 建电路并仿真分析，搭建电路如图10所示。
图10离网型光伏发电系统 ○6 确定系统MPPT控制策略，建立MPPT模块仿真模型，并仿真分析。 系统联调，调节离网型光伏发电系统的电路和控制参数值，仿真并分析最大功率跟踪控制效果。 （2）记录实验数据 m2 表1当T=290K时S=1305W/时的测试数据 I(A)0 1.03 1.25 2.65 3.79 5.97 6.287.867.98 U(V)27.326.226252421.516 1.10 P(W)026.98632.566.2590.96128.35100.488.6460 m2 表2当T=287K时S=1305W/时的测试数据 I(A)01 1.5 2.6 3.93 6.0 6.688.048.12 U(V)27.626.225.825.123.921.620.510 P(W)026.238.765.2693.93129.6136.948.040 m2 表3当T=287K时S=1278W/时的测试数据 I(A)0 1.04 1.49 2.25 3.66 6.06 6.737.98.06 U(V)26.826.22625.424.321.913.40.50 P(W)027.24838.7457.1588.94132.7190.18 3.950
太阳能光伏组件遮挡问题研究 太阳能光伏组件遮挡问题研究 众所周知，晶体硅太阳电池组件的表面阴影、焊接不良及单体电池功率不匹配等因素是导致输出功率降低的主要原因，研究这些因素的影响不仅对制造晶体硅太阳电池组件有指导作用，而且也有利于人们正确判断光伏发电系统输出降低或失效的原因。 国外曾经有人报道一些在现场用了10到15年的组件电特性已经恶化。其I-V特性曲线已经和一些普通的光伏组件差别很大，而这种变化的I-V曲线可以用来分析晶体硅太阳电池组件输出降低的原因。本文主要讨论了遮挡部分电池组件输出特性的影响，并用计算机对核过程进行了模拟。 一、模拟方法 在晶体硅太阳电池组件中，当有电池被遮挡时，组件的输出特性可以用下式表示： 这些参数估算时可以用一下参数代替：n=1.96，I0=3.86X10-5 （A）,Rsh=15.29（Ω）。a=2.0x10-3，Vbr=-21.29（V），nn=3.R3=0.008. 组件中有电池被遮盖时的电路可以用图片三来表示，正常的电池和被遮盖住的电池在组建中是串联关系，因此电压V和电流I满足以下等式：
组件中电池被遮挡时的模拟电路 其中，Iph1代表组件中普通电池的光电流，Iph2代表遮挡电池产生的光电流，与等式（2）中的遮挡透过率有关系，例如，当遮挡透过率为35%时，Iph2是Iph1的0.35倍。通过解（3）-（6）式可以计算出I-V的特性。 二、实验 图2（a）和（b）是通过改变阴影透过率的情况下分别计算和实际测量的I-V 特性曲线。当组件上的一个电池用不同的透过率（一个组件由36块电池组成）时，短路电流大致变化不大。结果是透过率越低，电流随着电压的升高下降越快。另一方面，开路电压基本上相同。由图可看出：测量结果与计算的结果相吻合。
太阳能小屋设计 摘要 介绍了浙江省慈溪市天和家园住宅小区43kW．屋顶太阳能并网光伏发电系统的设计思路，以及系统的具体功能与配置，提出了设计中需要注意的问题及具体的解决方案。 包括：①光伏系统提供公用设施用电，在阴雨天时使用城市电网为公用负荷供电； ②光伏系统在小区内局部并网．不考虑将电能输入上级城市电网； ③太阳能电池组件方阵倾角确定为3O。，选用常州天合光能有限公司生产的TSM一175D型高效单晶硅电池组件。分析了组件分组串接原则，确定了布置方案；( 并网逆变器选择德国艾思玛(SMA)公司SMC6o(》0rIL型无变压器集中式逆变器和SB5o0仇1．型无变压器多组串逆变器；( 地下车库照明负荷曲线与日照曲线接近．因此选择地下车库照明和智能化设备用电为光伏系统负荷；⑥简介了防直击雷和防感应雷措施．以及选择电缆和设计支架时应考虑的因素；⑦监控系统选用SMA的Sunny Boy Control Plus产品。 关键词住宅小区并网光伏发电太阳能电池组件多组串逆变器1 项目简介 1．1天和家园住宅小区概况 浙江省慈溪市天和家园住宅小区占地面积64 788m2，总建筑面积13．4万m2。小区住宅整体布置方式为南北朝向，南北均无高大建筑物，无遮阴情况，日照充分。小区建筑住宅以多层为主，屋顶呈人字形，楼高22．2—22．86m。计划在天和家园2O号楼屋顶装设太阳能电池板，建住宅小区太阳能光伏发电示范电站。2O号楼目前处于在建状态，-屋顶可利用面积有：西侧平台，面积87m ；斜屋面，～7共7块，总面积(斜面)113．9m。；露台，厶一厶共5个，总面积233．44m 。 1-2设计要求 a．该项目有一定的公众影响力。美观与否非常重要，要求光伏电池组件的安装应保持屋顶的风格和美观，并与小区及周围环境相协调。 b．该光伏电站主要提供天和家园小区公用设施用电，包括：地下车库西区照明灯35．2kW，地下车库东区照明．灯21．4kW，智能化设备2kW等。要求在阴雨天气时，’应能使用城市电网为公用负荷供电。 c．光伏电站建设费用计入小区开发成本。建成后随小区移交物业管理，要求节省投资。维护管理方便。 2 光伏发电系统运行方式的选择 太阳能光伏发电系统的运行方式可分为两类。即：独立运行和并网运行[1]。 独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区。由于必须有蓄电池储能装置，所以整个系统的造价很高。 在有公共电网的地区。光伏发电系统一般与电网连接，即采用并网运行方式。并网型光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池，而将电网作为自己的储能单元。由于蓄电池在存储和释放电能的过程中，伴随着能量的损失，且蓄电池的使用寿命通常仅为5～8年，报废的蓄电池又将对环境造成污染，所以，省去蓄电池后的光伏系统不仅可大幅度降低造价，还具有更高的发电效率和更好的环保性能，且维护简单、方便。在建筑密度很大的城市住宅小区中，能够安装太阳能电池板的面积有限，住宅小区屋顶光伏发电系统的容量通常远远小于其变压器的容量，即光伏系统的发电功率始终小于小区负载的功率，没有剩余电能送入上级城市电网[2】。 综合考虑，该光伏发电系统拟采用并网运行方式．并在小区内局部并网，不考虑将电能输入上级城市电网，系统原理图如图l所示。采取小区内局部并网3 系统设计
光伏组件竖向、横向布置不同，发电量差异大! 在光伏电站的设计中，光伏组件的放置有两种设计方案：方案一：竖向布置，如下图。 图1光伏组件竖向布置的光伏电站 方案二：横向布置，如下图。
图2光伏组件横向布置的光伏电站 根据我的了解，目前竖向布置的电站会更多一些。主要原因是，竖向布置安装方便，横向布置时，最上面的一块安装比较费劲!这就影响了施工进度。 经过与业内的多位专家探讨之后，发现一横、一竖，对发电量的影响太大了!逐步说明这个问题。 1、前后遮挡造成电站电量损失 在电站设计过程中，阵列间距是非常重要的一个参数。由于土地面积的限制，阵列间距一般只考虑冬至日6个小时不遮挡。然而，6小时之外，太阳能辐照度仍是足以发电的。从本人获得的光伏电站的
实测数据来看，大部分电站冬至日的发电时间在7小时以上，在西部甚至可以达到9个小时。(一个简单的判别方法，日照时数是辐射强 度≥120W/m2的时间长度，而辐射强度≥50W/m2时，逆变器就可以向电网供电。因此，当12月份的日照时数在6h以上时，发电时间肯定大于6h。) 结论1：我们为了减少占地面积，在早晚前后光伏方阵必然会有遮挡，造成发电量损失。 2、光伏组件都有旁路二极管 热斑效应：一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量，被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应。 这种效应能严重的破坏太阳电池。有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏，最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。因此，旁路二极管的作用就是：当电池片出现热斑效应不能发电时，起旁路作用，让其它电池片所产生的电流从二极管流出，使太阳能发电系统继续发电，不会因为某一片电池片出现问题而产生发电电路不通的情况。 上一张60片的光伏组件的电路结构图。
本文由qpadm贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 25 卷第 4 期 2009 年 4 月 电 力 For personal use only in study and research; not for commercial use 科 学 与 For personal use only in study and research; not for commercial use 工 程 Vol.25, No.4 Apr., 2009 11 For personal use only in study and research; not for commercial use Electric Power Science and Engineering 基于 MATLAB 的光伏电池通用数学模型 王长江 For personal use only in study and research; not for commercial use （华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）摘要：针对光伏电池输出特性具有强烈的非线性，根据太阳能电池的直流物理模型，利用 MATLAB 建立了太阳能光伏阵列通用的仿真模型。利用此模型，模拟任意环境、太阳辐射强度、电池板参数、电池板串并联方式下的光伏阵列 I-V 特性。模型内部参数经过优化，较好地反应了电池实际特性。模型带有最大功率点跟踪功能，能很好地实现光伏发电系统最佳工作点的跟踪。关键词：光伏电池；MPPT；I-V 特性中图分类号：TM615 文献标识码：A 引 言 1 光伏电池特性 随着化石能源的消耗，全球都在面临能源危机，太阳能依靠其清洁、分布广泛等特点成为当今发展速度居第二位的能源 [1] 。光伏阵列由多个单体太阳能电池进行串并联封装而成，是光伏发电的能源供给中心，其 I V 特性曲线随日照强度和太阳能电池温度变化，即 I=f ( V, S, T ) 。目前而厂家通常仅为用户提供标准测试的短路电流 I sc 、开路电压 Voc、最大功率点电流 I m 、最大功率点电压 V m 值，所以如何根据已有的标准测试数据来仿真光伏阵列在不同日照、温度下的 I V，P V 特性曲线，在光伏发电系统分析研究中显得至关重要 [2] 。文献 [ 3~4 ] 介绍了一些光伏发电相关的仿真模型，但这些模型都需要已知一些特定参数，使得分析研究有一些困难。文献 [ 5 ] 介绍了经优化的光伏电池模型，但不能任意改变原始参数。文献 [ 6 ] 给出了光伏电池的原理模型，但参数选用典型值，会造成较大的误差。本文考虑工程应用因素，基于太阳能电池的物理模型，建立了适用于任何条件下的工程用光伏电池仿真模型。
光伏电池的仿真及其模型的应用研究 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 陶海亮夏扬张宁扬州大学能源与动力工程学院，江苏扬州２２５１２７ 不论是太阳能发电系统还是风光互补发电系统，熟悉光伏电池的输出特性是设计新能源发电系统的基础和前提。根据光伏电池输出特性关系式，利用ＭＡＴＬＡＢ的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块搭建了参数和工况可调的光伏电池模型，并运用该模型建立了具有最大功率跟踪（ＭＰＰＴ）功能的光伏发电系统的仿真模型，通过仿真结果可以更好地把握光伏电池的特性，为发电系统的设计和优化打好基础。 光伏电池；数学模型；仿真；最大功率跟踪
当电池
率比较
＠＠［１］苏建徽，于世杰，赵为．硅太阳电池工程用数学模型［Ｊ］．太阳能学报， ２００１，２２（４）＠＠［２］王阳元．绿色微纳电子学［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１０＠＠［３］林渭勋．现代电力电子技术［Ｍ］北京：机械工业出版社，２００７ ＠＠［４］李炜，朱新坚．光伏系统最大功率点跟踪控制仿真模型［Ｊ］．计算机仿 真，２００６，２３（６） ２０１１－０９－２１ ＠＠［１］黄柯棣，张金槐，李剑川，等．系统仿真技术［Ｍ］．长沙：国防科技大学 出版社，１９９８ ＠＠［２］Ｊｏｓｅｐｈ Ｎａｌｅｐｋａ，Ｔｈｏｍａｓ Ｄｕｂｅ，Ｇｌｅｎｎ Ｗｉｌｌｉａｍｓ ｅｔ ａｌ． Ｔｒａｎｓｉ ｔｉｏｎｉｎｇ ｔｏ ＰＣ－Ｂａｓｅｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ－Ｏｎｅ Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ［Ｒ］，２００５，Ａ ＩＡＡ－２００２－４８６３＠＠［３］Ｔｈｅ Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ Ｉｎｃ． Ｔａｒｇｅｔ Ｌａｎｇｕａｇｅ Ｃｏｍｐｉｌｅｒ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｇｕｉｄｅ［Ｍ］．２００４ ＠＠［４］刘德贵，费景高．动力学系统数字仿真算法［Ｍ］．北京：科学出版社， ２０００ ２０１１－０８－２５
光伏组件的热斑效应和试验方法 光伏电池是将太阳光辐射能量直接转换成电能的器件。单个硅晶体光伏电池能得到的最大电压约为0.6V，最大电流约为30mA/cm2。因此光伏电池很少单个使用，而是串联或并联起来，以获得所期望的电压或电流。光伏组件正是由多个光伏电池连接和封装而成的产品，是光伏发电系统中电池方阵的基本单元。 为了达到较高转换效率，光伏组件中的单体电池须具有相似的特性。在实际使用过程中，可能出现电池裂纹或不匹配、内部连接失效、局部被遮光或弄脏等情况，导致一个或一组电池的特性与整体不谐调。失谐电池不但对组件输出没有贡献，而且会消耗其他电池产生的能量，导致局部过热。这种现象称为热斑效应。当组件被短路时，内部功率消耗最大，热斑效应也最严重。 一、热斑效应原理
当然，并不是所有的电池都可以通过调整遮光比例达到最佳阻抗匹配。完全遮光情况下，不同特性的Y电池I-V曲线如图3所示。斜率越低，表明电池的并联电阻越大。考虑（S-1）个电池串的最大输出功率点所限定的“试验界限”，根据I-V 曲线与“试验界限”的交点，把电池分为电压限制型（A类）和电流限制型（B 类）。A类电池并联电阻较大，可以通过减少遮光面积，达到最佳阻抗比配；B 类电池的并联电阻较小，完全遮光已是Y电池消耗功率最大的状态。 二、热斑耐久试验 热斑效应可导致电池局部烧毁形成暗斑、焊点熔化、封装材料老化等永久性损坏，是影响光伏组件输出功率和使用寿命的重要因素，甚至可能导致安全隐患。因此，IEC 61215:2005《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定性》专门设置了热斑耐久试验，以考核光伏组件经受热斑加热效应的能力。 热斑耐久试验过程包括最坏情况的确定、5小时热斑试验以及试验后的诊断测量，分为以下4个步骤。 1、选定最差电池 由于受到检测时间和成本的限制，热斑耐久试验不能针对组件中的每一个电池进行。因此，正式试验之前先比较和选择热斑加热效应最显著的电池。具体方法是，在一定光照条件下，将组件短路，依次遮挡每个电池，被遮光后稳定温度最高者为最差电池片。电池温度可以用热成像仪等仪器测量。对于串联-并联- 串联连接方式的大型组件，标准允许随机选择其中30%的电池进行比较。 对于串联和串联-并联连接方式的组件，IEC61215标准给出了两种快速的方法。第一种方法是：将组件短路，不遮光，直接寻找稳定工作温度最高的电池。第二种方法是：将组件短路，依次遮挡每个电池，选择遮光后组件短路电流减少最大的电池。本文推荐采用第二种方法，这主要是考虑到测量短路电流精度较高，测量结果可以用于下一个步骤的判断，而且短路电流跟失谐电池消耗的功率有直接关系。 2、确定最坏遮光比例 选定最差电池之后，还要确定在何种遮光比例下热斑的温度最高。即用一组遮光增量为5%的一组不透明盖板，逐渐减少对该电池的遮光面积，监测电池被遮部位背面的稳定温度，看何时达到最高温度。目前最常见的电池规格有 156mm*156mm和125mm*125mm两种，因此实验室需要准备两组不透明盖板。 以上两个步骤所使用的辐射源，可以是稳态太阳模拟器或自然阳光，辐照度不低于700W/m2，不均匀度不超过±2%，瞬时稳定度在±5%以内。如果气候条件允许，可优先选择自然阳光。南方的实验室在这方面优势明显。以深圳为例，根据气象局统计（表一），年太阳辐射量平均为5225 MJ/m2，年日照时数平均为2060小时，可计算平均太阳辐射强度为705W/m2。另外，低纬度地区的太阳辐射
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/3714452446.html, 光伏电池的建模与仿真 作者：吴洋张嫒嫒侯奎 来源：《科技视界》2017年第09期 【摘要】本文在光伏电池的等效电路模型的基础之上，推导了光伏电池的数学模型，在 工程允许条件下，简化数学模型，建立了光伏电池的简化模型，基于MATLAB/Simulink仿真平台，搭建光伏电池的仿真模型，完成了在不光照条件和不同温度条件下的仿真实验，结果验证了光伏电池简化数学模型正确性和有效性。 【关键词】光伏电池；数学模型；Simulink仿真 【Abstract】Based on the equivalent circuit model of photovoltaic cells， this paper deduces the mathematical model of photovoltaic cells， simplifies the mathematical model under engineering allowable conditions， establishes a simplified model of photovoltaic cells. Based on MATLAB/Simulink simulation platform， The simulation model of the battery is completed and the simulation experiment under the condition of non-illumination and different temperature is completed. The results verify the correctness and validity of the simplified mathematical model of the photovoltaic cell. 【Key words】Photovoltaic cells； Mathematical model； Simulink simulation 0 前言 随着全球的能源问题的日益严峻，人们必须走一条可持续发展的道路[1]。一方面保护环 境使其不被破坏，避免温室效益带来的灾难，而另一方面又要满足人类对化石能源的需求，这俨然已经成为了摆在人们面前的一道难题，因此，大力研究和发展新型清洁能源和可再生能源成为了当今世界能源研究的热门，也是能源发展的必经之路。而太阳能光伏发电具有发电过程简单、没有机械转动部件、不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质、无噪声和无污染的优点。因此，光伏发电成为了国内外的研究热点。其中光伏电池作为太阳能光伏发电的核心，研究光电池的建模具有重要的意义。 1 光伏电池的等效电路模型 通常基于光伏电池的简化电路模型来推导其数学模型，并依照其数学模型搭建仿真模型，光伏电池的等效电路如图1所示。其中Iph为光生电流。而光伏电池面积大小和太阳光的辐照度会影响着Iph值。但当光照强度为零的情况下，光伏电池类似于一个二极管。Id为暗电流。光伏电池输出电流为IL，Voc为开路电压，但需注意的是，开路电压与光照强度有关而与电池面积无关。RL为负载电阻，Rs为等效串联电阻，Rsh为等效旁路电阻。它们均为光伏电池固有内阻，在理想光伏电池参数的计算时可以忽略不计。
体硅太阳电池组件有指导作用，而且也有利于人们正确判断光伏发电系统输 ... 配等因素是导致输出功率降低的主要原因，研究这些因素的影响不仅对制造晶体硅太阳电池组件有指导作用，而且也有利于人们正确判断光伏发电系统输出降低或失效的原因。 国外曾经有人报道一些在现场用了10到15年的组件电特性已经恶化。其I-V特性曲线已经和一些普通的光伏组件差别很大，而这种变化的I-V曲线可以用来分析晶体硅太阳电池组件输出降低的原因。本文主要讨论了遮挡部分电池组件输出特性的影响，并用计算机对核过程进行了模拟。 一、模拟方法 在晶体硅太阳电池组件中，当有电池被遮挡时，组件的输出特性可以用下式表示： 这些参数估算时可以用一下参数代替：n=1.96，I0=3.86X10-5（A）,Rsh=15.29（Ω）。a=2.0x10-3，Vbr=-21.29（V），nn=3.R3=0.008. 组件中有电池被遮盖时的电路可以用图片三来表示，正常的电池和被遮盖住的电池在组建中是串联关系，因此电压V和电流I满足以下等式：
组件中电池被遮挡时的模拟电路 其中，Iph1代表组件中普通电池的光电流，Iph2代表遮挡电池产生的光电流，与等式（2）中的遮挡透过率有关系，例如，当遮挡透过率为35%时，Iph2是Iph1的0.35倍。通过解（3）-（6）式可以计算出I-V的特性。 二、实验 图2（a）和（b）是通过改变阴影透过率的情况下分别计算和实际测量的I-V 特性曲线。当组件上的一个电池用不同的透过率（一个组件由36块电池组成）时，短路电流大致变化不大。结果是透过率越低，电流随着电压的升高下降越快。另一方面，开路电压基本上相同。由图可看出：测量结果与计算的结果相吻合。
开发新能源和可再生清洁能源是21世纪世界经济发展中最具有决定 性影响的五项技术领域之一。充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续 发展的能源战略决策，其中太阳能发电则最受瞩目。由于目前光伏电池板 转换效率比较低，为了降低系统造价和有效地利用太阳能，该论文对光伏 发电进行最大功率跟踪显得尤为必要。 本文针对如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率，分别从工程数学 模型、matlab建模仿真方面对外界环境影响因素就行分析，同时对具有最 大功率点跟踪（MPPT）的控制器的原理进行了研究，并分析比较各测量方 法的优缺点。 Keywords: 太阳能发电；转换效率；MPPT；matlab建模仿真 Abstract The development of new energy and renewable clean energy is one of the five technologies have the most decisive influence in the development of the world economy in twenty-first Century. The full development and utilization of solar energy is the energy strategy of the governments of the world sustainable development, where the solar power generation is the most popular. Due to the current solar photovoltaic conversion efficiency is low, in order to reduce the cost of system and the effective use of solar energy, the pho- tovoltaic maximum power point tracking is particularly necessary. This article base on how to improve the conversion efficiency of solar photovoltaic power generation system, from the aspects of MATLAB modeling and simulation calculation of measurement results
太阳能电池数学模型的仿真与研究 发表时间：2019-10-24T14:44:41.537Z 来源：《基层建设》2019年第22期作者：朱志文 [导读] 摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，太阳能电池的应用也越来越广泛。 海南英利新能源有限公司海南省海口市 570100 摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，太阳能电池的应用也越来越广泛。太阳能电池是一种通过光电转换效应直接把太阳光转化成电能的装置，现在得到了人们越来越多的关注和应用。但是，由于太阳能电池的数学模型是非线性超越方程，人们求解不方便。针对这一问题，本文提出了一种不需要迭代算法的太阳能电池数学模型的求解方法，并通过实际仿真实验对本文算法的有效性进行了验证。结果表明，本文算法求解直接、有效，能满足工程求解的精度要求。 关键词：光伏电池；数学模型；输出特性；光照强度；温度 引言 太阳能电池的输出特性不仅与其内部参数有关，而且随外界温度和光照的改变而实时变化，因此建立通用的太阳能电池模型，研究光照强度和环境温度对太阳能电池输出特性的影响很有必要；此外，精确的光伏电池工程数学模型有利于对整个光伏发电系统进行优化设计，为微网的进一步研究提供一定的参考。 1电池样品的外观检查 电池上表面颜色应均匀一致，无机械损伤，焊点无氧化斑。电池上电极、电池底电极不应脱落。减反射膜不应脱落或变色。用游标卡尺及千分尺测量电池样品的外形尺寸及厚度。环境实验和光老炼实验前后均需要进行外观检查，并做相应的记录。 2太阳能电池数学模型及求解 由于太阳能电池具有半导体二极管特性，并且其输出电流I是方向相反的光生电流Iph和暗电流Id的叠加，因此其等效电路如图1所示（汪石农，陈其工，高文根，太阳电池最大功率点参数求解方法研究：太阳能学报，2018）。等效电路对应的太阳能电池I-V特性表达式如式（1）所示： 式中，V是太阳能电池的输出电压；Io是半导体二极管的反向饱和电流；q是电子电荷量；n是太阳能电池的理想因数；Ns是串联电池片个数；k是玻尔兹曼常数；T是太阳能电池温度；Rs是串行电阻，用来表征电极电阻及硅和电极表面之间的接触电阻；Rsh是并行电阻，用来表征PN结的漏电流。 图1太阳能电池的等效电路模型 从式（1）可以看出，等式两边都含有I，并且等式右边含有较为复杂的指数函数，因此式（1）为典型的非线性超越方程。目前，式（1）的求解大多数是通过牛顿迭代法或者引入LambertW函数的数值求解方法，其求解过程都较为复杂、不好理解。另外，图1中虚线框里面的电路为太阳能电池的理想电路模型，其中Iid和Vid是理想模型的输出电流和输出电压。则Iid和Vid之间的特性表达式如式（2）所示： 可以看出，式（2）仅是一般的指数方程，其求解通过一般的数学软件就可完成。另外，对图1应用基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL），还可以写出Iid、Vid和I、V之间的关系，如式（3）和（4）所示： 因此，对太阳能电池数学模型的求解，可以先用数学软件对式（2）进行求解，得出Iid和Vid之间的关系曲线，然后通过式（3）和（4）就可以得到I和V之间的关系曲线，从而达到对太阳能电池数学模型求解的目的。这种求解方法避开了对式（1）的直接求解，也就避开了复杂的牛顿迭代算法或LambertW函数的数值求解。 3考虑光强和温度影响的工程模型 太阳能电池I-V特性曲线与日射强度和电池温度有关。通常地面上日射强度S的变化范围为（0～1000）W/m2，太阳电池的温度变化较大，可能从（10～70）℃。按标准，取Sref=1000W/m2，Tref=25℃为参考日射强度和参考电池温度。当日射强度及电池温度S （W/m2）、T（℃）不是参考日射强度和参考电池温度时，必须考虑环境温度条件对太阳电池特性的影响。设T为在任意日射强度S及任意 环境温度Tair下的太阳电池温度，根据大量实验数据拟合后，下式被证明具有工程意义上足够的精度 （5）式中K可由实验测定之T（S）直线的斜率确定。对于常见的太阳电池阵列支架，可取 通过对参考日照强度和参考电池温度下I-V特性曲线上任意点（V，I）的移动，得到新日照强度和新电池温度下的I-V特性曲线上任意点（V′，I′）
一、 光子在光伏电池中激发的电流I SC )]([ ref TMP ref ref SC SC T T J G G I I -+= SCref I ref T ref G TMP J G T 标准测试环境下光伏电池的短路电流 标准测试环境温度，取 25 ℃ 环境温度为ref T 时的辐照度，取1000 W/m 2； I SC 的温度系 数 辐照度， W/m 2 本体温度， ℃ 二、通过 pn 结的总扩散电流 I d ]1)[exp(0-+=T S d nV IR V I I I 0 V T n 二极管饱和电流，A 热势差，V 二极管理想因子 V T 表达式为： C T N q K T V )273 (+= K q N C 玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/K 单位电荷，1.6×10-19C 光伏组件中光伏电池的数量,个
则 }1])273 () ({e x p [ *0-++=T nK N IR V q I I C S d 三、通过电阻R sh 的电流I sh sh S sh R IR V I += 最后光伏电池理论计算模型为 sh S T S SC sh d SC R IR V nV IR V I I I I I I +- -+-=--=}1]{exp[*0 （1） A 、工程计算 工程计算方法以出厂参数为依据通过对上式作两个近似假设，即并联电阻Rsh 很大，串联电阻Rs 很小，将式(1)改写成 )]1)(exp( 1[21--=OC SC V C V C I I 其中参数C1、C2的求解利用最大功率点 V=Vm ，I=Im 和开路状态I=0，V=V oc 两个条件，及 1)exp(2>>OC V C V ,简化计算过程，得： OC m U U SC m I I I C ) (1-= 12)]1)[ln(1( ---=SC m OC m I I U U C 注：光伏电池的工程计算模型是描述标准测试条件下的特性曲线，一般工况需加补偿系数。 B 、理论模型计算方法 理论模型参数计算方法以上图为依据，对式（1）的参数不做理想假设，因此需要求出 I 0，R S ，R sh 三个未知参数的值。由式（1）可知三个未知参数无法用已知参数求解，因此采用迭代的算法。
太阳能检测之光伏组件的热斑效应和试验方法 太阳能检测之光伏组件的热斑效应和试验方法 光伏电池是将太阳光辐射能量直接转换成电能的器件。单个硅晶体光伏电池能得到的最大电压约为0.6V，最大电流约为30mA/cm2。因此光伏电池很少单个使用，而是串联或并联起来，以获得所期望的电压或电流。光伏组件正是由多个光伏电池连接和封装而成的产品，是光伏发电系统中电池方阵的基本单元为了达到较高转换效率，光伏组件中的单体电池须具有相似的特性。在实际使用过程中，可能出现电池裂纹或不匹配、内部连接失效、局部被遮光或弄脏等情况，导致一个或一组电池的特性与整体不谐调。失谐电池不但对组件输出没有贡献，而且会消耗其他电池产生的能量，导致局部过热。这种现象称为热斑效应。当组件被短路时，内部功率消耗最大，热斑效应也最严重。 一、热斑效应原理 热斑效应原理 当然，并不是所有的电池都可以通过调整遮光比例达到最佳阻抗匹配。完全遮光情况下，不同特性的Y电池I-V曲线如图3所示。斜率越低，表明电池的并联电阻越大。考虑（S-1）个电池串的最大输出功率点所限定的“试验界限”，根据I-V曲线与“试验界限”的交点，把电池分为电压限制型（A类）和电流限制型（B类）。A类电池并联电阻较大，可以通过减少遮光面积，达到最佳阻抗比配；B类电池的并联电阻较小，完全遮光已是Y电池消耗功率最大的状态。 热斑耐久试验 二、热斑耐久试验 热斑效应可导致电池局部烧毁形成暗斑、焊点熔化、封装材料老化等永久性损坏，是影响光伏组件输出功率和使用寿命的重要因素，甚至可能导致安全隐患。因此，IEC 61215:2005《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定性》专门设置了热斑耐久试验，以考核光伏组件经受热斑加热效应的能力。 热斑耐久试验过程包括最坏情况的确定、5小时热斑试验以及试验后的诊断测量，分为以下4个步骤。 1、选定最差电池