第37卷第8期应用科技
V o.l 37,l .82010年8月
A pp lied Science and T echno l ogy
A ug .2010
do:i 10.3969/.j issn .1009-671X.2010.08.003
基于ST M 32F103的光伏电池阵列模拟器设计
朱丽娟
(海军大连舰艇学院信息与通信工程系,辽宁大连116018)
摘 要:当前全球性的能源危机迫使越来越多的国家开始重视新能源的研究,光伏发电作为主要的一种方法得到了广泛研究;但由于光伏电池造价高,不利于其初期的研究.因此,很有必要设计一种成本较低,能够代替实际光伏电池阵列来执行各种光伏实验的太阳能电池模拟器.介绍了一种基于ARM 控制的数字式光伏电池阵列模拟器的设计方法,这种模拟器采用S TM 32F 103作为主控制器,可在光伏电池阵列容量一定时完成对系统数据的采集、分析、处理和实时控制.实验表明,该模拟器可以完整复现光伏电池阵列的I-U 特性.关键词:ST M 32F103;光伏电池;分段拟合
中图分类号:TN 710 文献标志码:A 文章编号:1009-671X (2010)08-0009-04
Photovoltaic -array sim ulat or desi gn based on ST M 32F 103
Z HU L-i j u an
(D epart m ent o f In f o r m ati on &Co mm un ica ti on Eng i neering ,D ali an N av al A cade m y ,D ali an 116018,Ch i na)
Abst ract :G l o ba l energy crisis co m pels m ore and m ore countries to attach i m portance to the research o f ne w energy
sources .Photovo lta ic generator i s no w a m ajor m eans that has been w ide l y used ,but the h i g h cost of photovo ltaic cells h i n ders the research o f it i n i n itia l period.So it is necessary to desi g n a lo w-cost so lar battery si m u lator that can substitute for pho tovo lta ic -array to conduct a ll kinds of pho tovolta ic experi m ents .This paper presented the de -si g n for a d i g ital photovo ltaic -array si m u lator based on ARM con tro.l This si m u lator e m ploys ST M 32F103as t h e m a i n contro ller w h i c h can co ll e c,t analyze ,process and contro l the data o f the syste m in rea l ti m e w ith a certa i n ca -pacity of the pho tovolta ic -array .Exper i m ent sho w ed that t h e si m u lator could si m ulate I -U character istics of photo -vo ltaic -array co m plete ly .K eywords :STM 32F103;photovo ltaic ;p iece w i s e fitti n g
收稿日期:2009-10-04.作者简介:朱丽娟(1972-),女,讲师,硕士,主要研究方向:无线电技术、通信,E-m ai:l realli yun fe@i 163.co m.
太阳能光伏发电系统的研究迫切需要太阳能光伏电池阵列模拟器.采用真实的太阳能电池阵列进行系统实验研究,不仅成本高,而且强烈受制于日射强度、环境温度等自然条件,很难达到预期的试验与测量效果.而采用太阳能光伏电池阵列模拟器来模拟光伏输出特性的试验装置,不仅可以降低成本、方便调试,而且有利于加快研发进度.在此设计了一个基于STM 32F103的数字式太阳能光伏电池阵列模拟器,用以模拟实际电池的输出特性,替代实际的太阳能电池阵列.该模拟器主要包含一个直流斩波器和一个基于ST M 32F103微控制器的控制系统.电流PI 控制方式的采用较好地改善了系统的动态性能和稳态精度.此外,还采用分段拟合法
[1-2]
对光伏电
池阵列的特性曲线进行模拟,并进行了仿真实验和实验验证.
1 光伏电池输出特性及数学模型
1.1 光伏电池伏安特性曲线
图1、2分别为光伏电池在不同温度和光强下的输出I -U 特性曲线
[3]
.光伏电池阵列模拟器需要能
够模拟出不同温度、不同光照下的一系列曲线.但某一时刻日照强度和温度是一定的,此时输出曲线也只有一条符合要求.设计时可根据设定的日照强度和温度来计算确定输出哪一条曲线.
图1 光伏电池在变化光照强度下的输出I -U
特性曲线
图2 光伏电池在变化温度下的输出I -U 特性曲线
1.2 光伏电池的工程数学模型
从图1可以看出,光伏电池特性与太阳辐射强度之间的关系是高度非线性的.若以T 表示任意日照强度S (W /m 2
)及任意环境温度T a (e )下的太阳能电池温度,则有
T =T a +K S.
(1)
式中:K 为光伏电池模块的温度系数.
设在参考条件S ref =1000W /m 2
,T ref =25e 下,I sc 为短路电流,U oc 为开路电压,I m 、U m 为最大功率点的电流和电压,则光伏阵列电压U 与其对应点的电流为I 的关系
[4]
如下:
I =I sc (1-C 1(exp
U
C 2U oc
)-1).(2)
式中:
C 1=(1-I m I sc )exp (1-U m
C 2U oc
),
(3)C 2=(
U m U OC -1)/ln (I -I m I sc
).
(4)
若考虑太阳辐射的变化和温度影响,则有
I =I sc (1-C 1(exp U -DU
C 2U oc
)-1)+K I .
(5)
式中:
K I =A #S /S ref #K T +(R /R ref -1)#I sc ,
(6)K V =B #K T -R S #K I ,
(7)K T =T -T ref .
(8)
式中:A 为参考日照条件下的电流变化温度系数;B 是参考日照条件下的电压变化温度系数,R s 为光伏阵列电池模块的内阻.
从上面的式子可以看出,光伏电池的输出电
压、电流与电池所处外部环境温度和日照强度有关.在不同的环境温度和日照强度条件下,同一块光伏电池具有多条特性曲线.
2 系统结构原理
太阳能光伏电池阵列模拟器的系统框图如图3所示,其中直流斩波器的输入电压不可调节,由一个单相桥式不可控整流器供电;然后通过B UCK 降压电路把电压加在完成功率输出的阻性负载上,以实
时采集负载两端的电压和电流;再经过控制电路的控制算法改变B UCK 电路的P WM 占空比,以把输出电压和电流控制在预想的I -U 曲线上.B UC K 斩波器的输出电压可由下式确定
[5]
:
V O =DV i .
(9)
式中:D 为P WM 波形占空比.
实际控制中,依据PV 模块的实际输入输出曲线,再根据斩波器的实际输出电压,实时计算D 值.
控制芯片选用的是STM 32F103C6T6.内核采用的是Cortex -M 3CPU,最高72MH z 的工作频率以及单周期乘法和硬件除法功能使其具有强大的运算速度.
图3 模拟器的系统结构框图
3 系统控制策略
研究该曲线可以发现,曲线在开始的一部分相
#10#应 用 科 技 第37卷
当于恒流源,经过最大功率点后下降速度很快,但是弧度很小.故而可采用分段拟合法模拟该曲线.
该模拟器采用的是电流控制型双环控制方案[6-7].它首先通过ST M32F103的模数转换器采样输出电压,判断此时的输出电压属于哪段拟合区间;然后根据相应的拟合方程计算光伏电池阵列的输出电流值;之后将该电流值作为指令电流值,再与实际电流进行比较;最后利用其误差并经电流PI调节器进行信号处理后来控制开关管的动作,从而使电流能够跟踪指令值.这样,负载一定时,就可得到既满足欧姆定律,又满足光伏电池数学模型的电流电压输出.
如果负载值不变,而环境温度发生变化,也可通过提前存入的对应不同环境下的拟合曲线计算出新的工作点,并按照上述调节占空比的方法,使模拟器工作在新的工作点上.
4仿真结果分析
为验证上述太阳能模拟器设计的合理性,利用MATLAB软件的si m u li n k平台建立仿真模型,对太阳能光伏电池模拟器的控制系统进行了仿真分析,图4为模拟系统的仿真模型[8].在设计的Buck电路中,仿真参数设置为V in=200V,L=3mH, C=100L F,开关管的开关频率为20k H z
.
图4基于si m uli nk的系统仿真模型
当负载R=108时,可得到如图5所示的输出电压
曲线,当负载R=58时,可得到如图6所示的输出电压
曲线.由图5、6的仿真结果可以看出,光伏电池阵列模拟
器能够在较短的响应时间内稳定在对应于该负载的工作
点输出,很好地反映了光伏电池阵列的输出特性
.
图5R=108
时的输出电压
图6R=58时的输出电压
5实验结果
本设计中,光伏电池阵列在参考条件下的外特
性数据设置为:光伏组件短路电流为4.8A,开路电
#
11
#
第8期朱丽娟:基于STM32F103的光伏电池阵列模拟器设计
压为22V,最大功率点对应的电压、电流分别为17.6V,4.34A [9]
.设计时分别将多个组件串并联即可得到所需容量的光伏特性曲线.本设计采用2并8串来得到9.6A 的短路电流和198V 的开路电压.
当模拟器驱动负载进入稳态后,系统的工作点成为稳态工作点.稳态工作点的测试结果如图7所示.可以看到,系统的稳态工作点集中在理想曲线附近,实现了对光伏电池阵列输出曲线的较好模拟.但在短路电流附近,由于输出电压很小,故I GBT 的占空比很小,不能稳定实现输出控制,这也是本课题接下来研究的内容
.
图7 模拟器实测点与理论曲线
图8给出了光伏电池模拟器带阻性负载时手动调节负载的输出电压曲线.由图8可知,系统在闭环控制下能较快地稳定在各静态工作点上
.
图8 模拟器的动态响应
6 结束语
提出了一种基于STM 32F103C6T6新型控制器的光伏电池阵列模拟器,通过对系统进行仿真和样机实验可见,以B UCK 直流斩波器为基础,基于AR M 控制的光伏电池阵列模拟器是可行的.文中用4段折线对光伏电池阵列进行分段拟合,运用电流反馈PI 控制B UC K 电路.仿真和实验结果表明,采用该方法能够对光伏电池阵列进行近似模拟,并保证系统在负载变化时稳定运行.
参考文献:
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1. 太阳时()s t 时间的计量以地球自转为依据，地球自转一周，计24太阳时，当太阳达到正南处为12:00。钟表所指的时间也称为平太阳时（简称为平时），我国采用东经120度经圈上的平太阳时作为全国的标准时间，即“北京时间”。（注：大同的经度为'18113o ）。（该定义摘自《太阳能应用技术》的第二章——太阳辐射） 2. 时角()ω 时角是以正午12点为0度开始算，每一小时为15度，上午为负下午为正，即10点和14点分别为-30度和30度。因此，时角的计算公式为 ()(),1215度-=s t ω (1) 其中s t 为太阳时（单位：小时）。（该定义摘自《太阳能应用技术》的第二章——太阳辐射） 3. 赤纬角()δ 赤纬角也称为太阳赤纬，即太阳直射纬度，其计算公式近似为 ()(),3652842sin 45.23度??? ??+=n πδ (2) 其中n 为日期序号，例如，1月1日为1=n ，3月22日为81=n 。（该定义摘自《太阳能应用技术》的第二章——太阳辐射） 4. 太阳高度角()α 太阳高度角是太阳相对于地平线的高度角，这是以太阳视盘面的几何中心和理想地平线所夹的角度。太阳高度角可以使用下面的算式，经由计算得到很好的近似值： ,cos cos cos sin sin sin ωδφδφα??+?= (3) 其中α为太阳高度角，ω为时角，δ为当时的太阳赤纬，φ为当地的纬度(大同的纬度为o 1.40)。（该定义摘自维基百科） 5. 太阳方位角()A 。 太阳方位角是太阳在方位上的角度，它通常被定义为从北方沿着地平线顺时
针量度的角。它可以利用下面的公式，经由计算得到良好的近似值，但是因为反正弦值，也就是()y x 1sin -=有两个以上的解，但只有一个是正确的，所以必需小心的处理。 .cos cos sin sin α δω?-=A (4) 下面的两个公式也可以用来计算近似的太阳方位角，不过因为公式是使用余弦函数，所以方位角永远是正值，因此，角度永远被解释为小于180度，而必须依据时角来修正。当时角为负值时 (上午)，方位角的角度小于180度，时角为正值时 (下午)，方位角应该大于180度，即要取补角的值。 ,cos sin cos cos cos sin cos α φδωφδ??-?=A (5) ,cos cos sin sin sin cos φ αφαδ??-=A (6) 其中A 为太阳的方位角，α为太阳高度角，ω为时角，δ为当时的太阳赤纬，φ为当地的地理纬度(大同的纬度为o 1.40)。 太阳能电池板方阵安装角度怎样计算？ 由于太阳能是一种清洁的能源，它的应用正在世界范围内快速地增长。利用太阳光发电就是一种使用太阳能的方式，可是目前建设一个太阳能发电系统的成本还是较高的，从我国现阶段的太阳能发电成本来看，其花费在太阳电池组件的费用大约为60～70％，因此，为了更加充分有效地利用太阳能，如何选取太阳电池方阵的方位角与倾斜角是一个十分重要的问题。 1.方位角 太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳电池发电量是最大的。在偏离正南（北半球）30°度时，方阵的发电量将减少约10％～15％；在偏离正南（北半球）60°时，方阵的发电量将减少约20％～30％。但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率。在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。方阵设置场所受到许多条件的制约，例如，在地面上设置时土地的方位角、在屋顶上设置时屋顶的方位角，或者是为了躲避太阳阴影时的方位角，以及布置规划、发电效率、设计规划、建设目的等许多因素都有关系。 如果要将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，请参考下述的公式。至于并网发电的场合，希望综合考虑以上各方面的情况来选定方位角。 方位角 ＝（一天中负荷的峰值时刻（24小时制）－12）×15＋（经度－116） 10月9日北京的太阳电池方阵处于不同方位角时，日射量与时间推移的关系曲线。在不同的季节，各个方位的日射量峰值产生时刻是不一样的。 2.倾斜角 倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。 一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。但是，和方位角一样，在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角（斜率大于50％-60％）等方面的限制条件。对于积雪滑落的倾斜角，即使在积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况，因此，特别是在并网发电的系统中，并不一定优先考虑积雪的滑落，此外，还要进一步考虑其它因素。 对于正南（方位角为0°度），倾斜角从水平（倾斜角为0°度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。特别是在倾斜角大于50°～60°以后，日射量急剧下降，直至到最后的垂直放置时，发电量下降到最小。方阵从垂直放置到10°～20°的倾斜放置都有实际的例子。对于方位角不为0°度的情况，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。 以上所述为方位角、倾斜角与发电量之间的关系，对于具体设计某一个方阵的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。
1.1 引言 太阳电池是将太阳光直接转换为电能的最基本元件，一个单体太阳能电池的单片为一个PN结，工作电压约为0.5V，工作电流约为20－25mA/cm2, 一般不能单独作为电源使用。因而需根据使用要求将若干单体电池进行适当的连接并经过封装后，组成一个可以单独对外供电的最小单元即组件（太阳能电池板）。其功率一般为几瓦至几十瓦，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统。 当应用领域需要较高的电压和电流，而单个组件不能满足要求时，可把多个组件通过串连或并联进行连接，以获得所需要的电压和电流，从而使得用户获取电力。根据负荷需要，将若干组件按一定方式组装在固定的机械结构上，形成直流发电的单元，即为太阳能电池阵列，也称为光伏阵列或太阳能电池方阵。一个光伏阵列包含两个或两个以上的光伏组件，具体需要多少个组件及如何连接组件与所需电压（电流）及各个组件的参数有关。 太阳能电池片并、串联组成太阳能电池组件；太阳能电池组件并、串联构成太阳能电池阵列。 1.2 光伏组件 1.2.1组件概述 光伏组件（俗称太阳能电池板）是将性能一致或相近的光伏电池片（整片的两种规格125*125mm、156*156mm），或由激光机切割开的不同规格的太阳能电池，按一定的排列串、并联后封装而成。由于单片太阳能电池片的电流和电压都很小，把他们先串联获得高电压，再并联获得高电流后，通过一个二极管（防止电流回输）然后输出。电池串联的片数越多电压越高，面积越大或并联的片数越多则电流越大。如一个组件上串联太阳能电池片的数量是36片，这意味着这个太阳能组件大约能产生17伏的电压。 1.2.2电池的连接与失配 失配的影响:失配损失是由于电池或者组件的互联引起的，这些电池或者组件没有相同的特性或者经历了不同的条件。在PV组件和方阵中，在某种条件下失配问题是一个严重的问题，因为一个组件在最差情况的输出是由其中的具有最低输出的太阳电池决定。例如，当一个太阳电池被遮挡而组件中的其它的太阳电池并没有被遮挡时，一个处于“良好”状态的太阳电池产生的功率可以被低性能的太阳电池耗散，而不是提供给负载。这可以导致非常高的局部电力耗散，并且由此而产生的局部加热可以引起组件不可恢复的损伤。 太阳能电池在串、并联成电池组件时，由于每片太阳能电池电性能不可能绝对一致，这就使得串、并联后的输出总功率往往小于各个单体太阳能电池输出功率之和，称作太阳能电池的失配。在太阳能组件的制造以及组建安装为阵列的过程中，失配问题总会存在，并或多或少的影响太阳能电池的性能。这是因为：1，
微电网直流平台设备 光伏PV模拟器（1） 产品特点： ■功率容量:600W--1500kW■可模拟太阳能电池板输出特性(国内首创)■可模拟不同光照和温度下I-V曲线■通过填充因子（Fill Factor）可模拟多种太阳能电池的输出特性■可模拟太阳能电池板被遮罩时的I-V曲线■可测试静态和动态下的MPPT情况■MPPT工作点实时显示于上位机软件上■具有恒功率模式 ■具有恒内阻模式，对内阻进行设定■具有强大的图形化上位机软件■稳压精度高、纹波电压低 ■采用16bit高速ADC,快速精确测量■采用ARM、DSP双CPU控制■应用全桥移相软开关技术
■动态稳定性用Matlab仿真优化■采用高速DSP进行PID运算,直接输出PWM■变压器采用非晶铁芯，具有高饱和磁感应强度、高导磁率、高电感量、低损耗、体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、频率特性优良、温度稳定性高的特性 ■快速存储9组数据（电压，电流，功率）■具有过压、过流、过温、短路保护功能■电压、电流、时间设定，数字式按键输入，精确度高；■具有RS232C通讯接口（RS485,GPIB为可选）■产品通过CE认证■符合EN50530/Sandia/CGC-GF004标准 原理图：
可编程直流负载（2） ■采用触摸屏+PLC方式进行控制，具有本控与PC控制两种方式，提供相应上位机操作软件。 ■采用不锈钢合金电阻制造 ■可根据功率检测要求，可以按键组合投放，设定放电功率。 ■检测各种发电设备以及放电设备的工作效率、满负载运行最大输出功率及带载能力。 ■模拟各类复杂工作环境，功率的突加突卸，检测放电设备的实际带载能力和效率 ■采用精准的高精度负载材质能真正模拟实际负载的带载力和负载微变适应能力 ■急停和温度保护，超载，短路，过温设备自动切断 ■上限下限电压设定，根据能量自动降至范围电压点（限程控机） ■温度保护设定，温度0~100°可以设定，同时检测实时温度情况 ■可编程界面0~30组功率电流任意设置，最小执行操作时间1ms可循环999999次（限程控机） ■负载的最小分辨率为1W，可精确模拟发电或产品通断能力 ■可以将测量数据上传到电脑并实现对检测过程数据的过程过程记录存储功能（限程控机） ■具有面板操作或远程控制两种操作方式（限程控机） ■具有过温保护功能和温度设定以及温度监测 ■可定制不同时间常数负载 ■应用于发电机、UPS、开关、熔断器、电器附件、变压器、温升试验、低压电气的出厂检验、生产调试、模拟恶劣负载环境、科研开发、军工等精确测试场所 ■采按钮控制或开关切换（触摸屏控制含RS232通讯接口) ■可测量电压、电流、功率
固定式光伏阵列安装角度 一、前言 太阳是一个巨大的能源，它以光辐射的形式每秒钟向太空发射约 3.8 M OM焦耳的能量，有22亿分之一投射到地球上，但已高达 173,000TW ,也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。太阳光被大气层反射、吸收之后，还有70%透射到地面。 亿万年来，地球以此形成生物圈。并为地球带来许多能量的来源，如风能，化学能，水能，乃至部分潮汐能均属于广义太阳能。然而，这些能源经过近代工业飞速发展，很多能源已消耗殆尽，狭义太阳能的利用逐渐被人们推向前台。被动式利用太阳能光电转换和光电转换两种方式都得到迅速发展。光热转换是把太阳能转化为热能，光电转换就是将太阳能转化为电能（即通常所说的光伏发电），其中重点是后者。 我国的太阳能资源比较丰富且分布范围较广，太阳能光伏发电的发展潜力巨大。 我国地处北半球，太阳能资源异常丰富，总面积2/3以上地区年 日照时数大于2200h，其中西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原均为太阳能资源丰富地区；除四川盆地、贵州省资源稍差外，东部、南部及东北等其它地区都是资源较富和中等区。太阳能资源理论存储总量达每年17000亿t标准煤，与美国相近，比欧洲、日本优越得多。专家统计，如果把全国1%的荒漠中的太阳能用于发电，就可以发出相当于2003年全年的耗电量。届时，新疆、西藏、甘肃等广
■■I 大西部地区将成为我国新的能源基地。 此外，目前太阳能光伏发电技 术已日趋成熟，是最具可持续发展理想特征的可再生能源技术之一。 料 to 中厨太阳能资源分布 'lKurMV iifr++nx J 我国不同地区水平面上光辐射量与日照时间资料 表1
计 算 机 系 统 应 用 https://www.doczj.com/doc/907512642.html, 2014 年 第23卷 第 1 期 86软件技术·算法 Software Technique ·Algorithm 光伏电站阵列单元优化设计软件的开发与实现① 王昊轶1, 郭志彤2, 王一波1, 李 健1 1(中国科学院电工研究所 可再生能源发电系统研究部, 北京 100190) 2 (辽宁省电力有限公司 发展策划部, 沈阳 110006) 摘 要: 针对我国光伏电站工程设计过程中如何提高阵列单元设计效率的实际问题, 研究了通过开发计算机软件来解决这一问题的方法, 并详细论述了该软件的设计与实现过程. 通过对光伏发电系统设计过程的分析, 确定了软件的功能定位及其主要功能, 采用面向对象的设计方法完成了软件设计, 在Visual C++2010环境下完成软件的开发. 该软件通过工程设计人员的试用, 具备较好的人机界面, 将设计人员从繁重的工程计算中解脱出来, 大大的提高了设计效率. 关键词: 光伏发电系统; 计算机辅助设计; 光伏电站设计 Developing of PV Plants Array Unit Optimization Design Software WANG Hao-Yi 1, GUO Zhi-Tong 2, WANG Yi-Bo 1, LI Jian 1 1(Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China) 2 (Liaoning Electric Power Company Limited, Shenyang 110006, China) Abstract : This paper discussed the design and implementation of PV array design software in detail. By the analysis of photovoltaic power generation system design process, it determined the function orientation and the main function of software. The software was designed with the help of the object-oriented design method. Under the environment of Visual c++2010, it was completed. The software has the good man-machine interface and greatly improves the design efficiency. Key words : PV system; CAD; PV design 1 引言 随着光伏组件成本的下降及光伏上网电价的调整, 光伏发电在我国能源结构中的比例逐渐加大, 在我国西部太阳能资源一类地区正在建设容量在几十兆瓦及以上的大型光伏电站. 一个大型光伏电站通常由若干方阵组成, 每个方阵由若干阵列单元组成, 因此光伏阵列单元是光伏电站的基本组成单元, 也是工程设计人员在进行电站设计时的基本设计单元[1-3]. 光伏阵列单元的设计是否合理, 直接影响整个电站的运行性能. 但是光伏阵列单元的设计需要综合考虑天文、气象、电气、机械等多领域的计算, 因此完全凭借设计人员的经验很难达到满意的设计性能. 为了提高工程设计人员的设计效率和电站的设计 ① 基金项目:国家高技术研究发展计划(863)(2011AA05A303) 收稿时间:2013-06-25;收到修改稿时间:2013-08-14 性能, 国外学者开发出了一些相关软件如PVsys, PVsol 等, 文献[4,5]对这些软件的功能进行了介绍. 但是这些软件主要面向欧洲和美国的光伏电站设计, 采用的气象数据和设计规范与我国有所差异. 因此作者通过与我国电站设计工程人员交流沟通, 参考我国电气设计相关标准及文献[1-3,6-8], 完成了大型并网光伏电站工程设计与仿真分析软件. 本文详细论述了该软件中的一个子系统“光伏电站阵列单元优化设计软件”的设计方法和实现. 2 软件的功能定位 大型光伏电站工程设计与仿真分析系统是一套覆盖光伏电站工程设计全过程的大型工程设计软件, 其
太阳能方阵安装角度的计算 由于太阳能是一种清洁的能源，它的应用正在世界范围内快速地增长。利用太阳光发电就是一种使用太阳能的方式，可是目前建设一个太阳能发电系统的成本还是较高的，从我国现阶段的太阳能发电成本来看，其花费在太阳电池组件的费用大约为60～70％，因此，为了更加充分有效地利用太阳能，如何选取太阳电池方阵的方位角与倾斜角是一个十分重要的问题。1.方位角 太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳电池发电量是最大的。在偏离正南（北半球）30°度时，方阵的发电量将减少约10％～15％；在偏离正南（北半球）60°时，方阵的发电量将减少约20％～30％。但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率。在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。方阵设置场所受到许多条件的制约，例如，在地面上设置时土地的方位角、在屋顶上设置时屋顶的方位角，或者是为了躲避太阳阴影时的方位角，以及布置规划、发电效率、设计规划、建设目的等许多因素都有关系。如果要将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，请参考下述的公式。至于并网发电的
场合，希望综合考虑以上各方面的情况来选定方位角。方位角＝（一天中负荷的峰值时刻（24小时制）－12）×15＋（经度－116） 10月9日北京的太阳电池方阵处于不同方位角时，日射量与时间推移的关系曲线。在不同的季节，各个方位的日射量峰值产生时刻是不一样的。 2.倾斜角 倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。但是，和方位角一样，在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角（斜率大于50％-60％）等方面的限制条件。对于积雪滑落的倾斜角，即使在积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况，因此，特别是在并网发电的系统中，并不一定优先考虑积雪的滑落，此外，还要进一步考虑其它因素。对于正南（方位角为0°度），倾斜角从水平（倾斜角为0°度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。特别是在倾斜角大于50°～60°以后，日射量急剧下降，直至到最后的垂直放置时，发电量下降到最小。方阵从垂直放置到10°～20°的倾斜放置都有实际的例子。对于方位角不为0°度的情况，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。以上所述为方位角、倾斜角与发电量之间的关系，对于具体设计某一个方阵的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。
基于PSCAD 的光伏阵列建模 钱海艇 河海大学电气工程学院，南京市（210098) E-mail ：Qht916@https://www.doczj.com/doc/907512642.html, 摘 要：根据常用的光伏电池数学模型、光伏电池与温度和光强数值函数关系以及光伏阵列输出特性与光伏电池串－并联函数关系等原理，在PSCAD 环境下，采用新方法构建了光伏阵列仿真模型。文中通过引入不同厂家的光伏电池参数和动态气象数据，进行了光伏电池特性曲线拟合、光伏阵列耦合负载发电以及并网发电等仿真试验。同时给出相关仿真试验结果，经分析表明该模型适合光伏发电系统的仿真试验。 关键词：光伏电池特性；光伏阵列；PSCAD；动态气象数据；光伏发电； 中图分类号：TK514 0. 引言 随着光伏发电技术的发展，大规模光伏发电正面向全球化、商业化的发展。由于变化的气象环境对光伏电池电力输出的影响，在设计光伏发电系统过程中，进行仿真分析、寻求可靠的运行参数是必须的。从而，在理论研究的基础上，构建可靠实用的光伏阵列仿真模型，进而分析光伏发电系统的可行性、可靠性、经济效益最优化以及运行效率最高化等，都是非常必要的研究。 目前，国内外有很多文献是关于光伏发电系统仿真建模，但多数是根据电子学原理，给出复杂的数值仿真模型[1 ～3]。而且，大多数文献都是按照稳态理论来建模的，能够充分考虑光强和温度因素的据少。且多数在构建光伏阵列模型时都是简单的串、并联，没有考虑其对 输出的影响。 本文提出的光伏阵列仿真模型不仅考虑到串－并联对输出的影响，还可以根据不同的气象数据和运行环境数据，模拟光伏电池在不同环境下的运行模式和状况。而且，可以根据不同种类光伏电池的特性参数，设定运行模式。仿真试验的结果表明，该模型便于工程应用，能满足多数工程项目物理模拟的精度要求。 1. 光伏电池及光伏阵列模型 1.1 光伏电池特性及模型 针对光伏电池特性的研究和文献国内外有很多[1～5]，理论和技术均已成熟。根据光电学 原理，光伏电池数学模型可分为单指数模型和双指数模型，文献[3 、4]中已经有详细的说明。按照文献[5]对光伏电池等值电路模型的分类有三种，其中最为精确，应用最广的是第三种， 如式（1）所列。 ()0exp 1s s L sh V IR q V IR I I I R AKT ++=?????????????????? ? （1） 根据工程应用要求实用性和精确性相结合的特点，根据文献[6]的近似方法可以得到式 （2）。其中有两个近似系数K 1、K 2可以由式（3）和（4）确定。 (){}12exp 1 sc sc oc I I K I V K V =?×????? （2）
1.1 引言 太阳电池是将太直接转换为电能的最基本元件，一个单体太阳能电池的单片为一个PN结，工作电压约为0.5V，工作电流约为20－25mA/cm2, 一般不能单独作为电源使用。因而需根据使用要求将若干单体电池进行适当的连接并经过封装后，组成一个可以单独对外供电的最小单元即组件（太阳能电池板）。其功率一般为几瓦至几十瓦，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统。 当应用领域需要较高的电压和电流，而单个组件不能满足要求时，可把多个组件通过串连或并联进行连接，以获得所需要的电压和电流，从而使得用户获取电力。根据负荷需要，将若干组件按一定方式组装在固定的机械结构上，形成直流发电的单元，即为太阳能电池阵列，也称为光伏阵列或太阳能电池方阵。一个光伏阵列包含两个或两个以上的光伏组件，具体需要多少个组件及如何连接组件与所需电压（电流）及各个组件的参数有关。 太阳能电池片并、串联组成太阳能电池组件；太阳能电池组件并、串联构成太阳能电池阵列。 1.2 光伏组件 1.2.1组件概述 光伏组件（俗称太阳能电池板）是将性能一致或相近的光伏电池片（整片的两种规格125*125mm、156*156mm），或由激光机切割开的不同规格的太阳能电池，按一定的排列串、并联后封装而成。由于单片太阳能电池片的电流和电压都很小，把他们先串联获得高电压，再并联获得高电流后，通过一个二极管（防止电流回输）然后输出。电池串联的片数越多电压越高，面积越大或并联的片数越多则电流越大。如一个组件上串联太阳能电池片的数量是36片，这意味着这个太阳能组件大约能产生17伏的电压。 1.2.2电池的连接与失配 失配的影响:失配损失是由于电池或者组件的互联引起的，这些电池或者组件没有相同的特性或者经历了不同的条件。在PV组件和方阵中，在某种条件下失配问题是一个严重的问题，因为一个组件在最差情况的输出是由其中的具有最低输出的太阳电池决定。例如，当一个太阳电池被遮挡而组件中的其它的太阳电池并没有被遮挡时，一个处于“良好”状态的太阳电池产生的功率可以被低性能的太阳电池耗散，而不是提供给负载。这可以导致非常高的局部电力耗散，并且由此而产生的局部加热可以引起组件不可恢复的损伤。 太阳能电池在串、并联成电池组件时，由于每片太阳能电池电性能不可能绝对一致，这就使得串、并联后的输出总功率往往小于各个单体太阳能电池输出功率之和，称作太阳能电池的失配。在太阳能组件的制造以及组建安装为阵列的过程中，失配问题总会存在，并或多或少的影响太阳能电池的性能。这是因为：1，
并网光伏发电系统方阵的最佳安装倾角采用专业系统设计软件进行优化设计来确定，它应是系统全年发电量最大时的倾角。当倾角确定后我们要保证每个光伏阵列在冬至日上午九时到下午三时无阴影遮挡（北半球）。 太阳电池阵列间距的设计计算： 在北半球，对应最大日照辐射接收量的平面为朝向正南，阵列倾角确定后，要注意南北向前后阵列间要留出合理的间距，以免前后出现阴影遮挡，前后间距为：冬至日（一年当中物体在太阳下阴影长度最长的一天）上午9：00到下午3：00，组件之间南北方向无阴影遮挡。 固定光伏组件方阵的支架系统安装的前后最小间距D，如下图所示： 简化的计算公式如下： 式中：φ为纬度(在北半球为正、南半球为负)；H为光伏方阵阵列或遮挡物与可能被遮挡组件底边高度差。 同时在太阳能电池方阵排列布置还需要考虑地形，地貌的因素，要与当地自然环境有机的结合。同时设计要规范，并兼顾光伏电站的景观效果，在整个方阵场设计中尽量节约土地。太阳电池方阵的布置设计包括阵列倾角设计，方位角设计，阵列间距设计，需根据具体情况来进行计算。 关于跟踪系统阵列之间的间距计算相对复杂，由于跟踪支架系统的巡日条件和跟踪角度范围与其厂家产品有关，且每家不尽相同。故对其计算无实际意义。但有一点是一致的，就是我们都必须满足一天中不得小于6小时的照射时间窗口。需要说明的是上述时间为地方时。例如在计算中使用的太阳赤纬都是以天文年
历为准的，而天文年历所给出的参数都是世界时0时的值，但时角又是以地方时为依据的，而日常的钟表所显示的时间都是北京时。这里需要注意的是：北京时早8点时，乃是世界时0点，由于地球自西向东转动，所以，凡是在北京以东的地方，其地方时均比北京时要晚，即8点多，而北京以西的地方则尚未到8点。 经度订正是时间转换所必需的。在我国明确规定，东经为正，西经为负；但在美国则刚好相反。具体换算公式是：地方时（即太阳时）=北京时+E-4*（120-L）其中：E为地球绕日公转时进动和转速变化而产生的修正，单位为分；L为当地的经度
光伏组件与阵列设计
1.1 引言 太阳电池是将太阳光直接转换为电能的最基本元件，一个单体太阳能电池的单片为一个PN结，工作电压约为0.5V，工作电流约为20－25mA/cm2, 一般不能单独作为电源使用。因而需根据使用要求将若干单体电池进行适当的连接并经过封装后，组成一个可以单独对外供电的最小单元即组件（太阳能电池板）。其功率一般为几瓦至几十瓦，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统。 当应用领域需要较高的电压和电流，而单个组件不能满足要求时，可把多个组件通过串连或并联进行连接，以获得所需要的电压和电流，从而使得用户获取电力。根据负荷需要，将若干组件按一定方式组装在固定的机械结构上，形成直流发电的单元，即为太阳能电池阵列，也称为光伏阵列或太阳能电池方阵。一个光伏阵列包含两个或两个以上的光伏组件，具体需要多少个组件及如何连接组件与所需电压（电流）及各个组件的参数有关。 太阳能电池片并、串联组成太阳能电池组件；太阳能电池组件并、串联构成太阳能电池阵列。 1.2 光伏组件 1.2.1组件概述 光伏组件（俗称太阳能电池板）是将性能一致或相近的光伏电池片（整片的两种规格125*125mm、156*156mm），或由激光机切割开的不同规格的太阳能电池，按一定的排列串、并联后封装而成。由于单片太阳能电池片的电流和电压都很小，把他们先串联获得高电压，再并联获得高电流后，通过一个二极管（防止电流回输）然后输出。电池串联的片数越多电压越高，面积越大或并联的片数越多则电流越大。如一个组件上串联太阳能电池片的数量是36片，这意味着这个太阳能组件大约能产生17伏的电压。 1.2.2电池的连接与失配 失配的影响:失配损失是由于电池或者组件的互联引起的，这些电池或者组件没有相同的特性或者经历了不同的条件。在PV组件和方阵中，在某种条件下失配问题是一个严重的问题，因为一个组件在最差情况的输出是由其中的具有最低输出的太阳电池决定。例如，当一个太阳电池被遮挡而组件中的其它的太阳电池并没有被遮挡时，一个处于“良好”状态的太阳电池产生的功率可以被低性能的太阳电池耗散，而不是提供给负载。这可以导致非常高的局部电力耗散，并且由此而产生的局部加热可以引起组件不可恢复的损伤。 太阳能电池在串、并联成电池组件时，由于每片太阳能电池电性能不可能绝对一致，这就使得串、并联后的输出总功率往往小于各个单体太阳能电池输出功率之和，称作太阳能电池的失配。在太阳能组件的制造以及组建安装为阵列的过程中，失配问题总会存在，并或多或少的影响太阳能电池的性能。这是
太阳能电池板方阵安装角度计算 由于太阳能是一种清洁的能源，它的应用正在世界范围内快速地增长。利用太阳光发电就是一种使用太阳能的方式，可是目前建设一个太阳能发电系统的成本还是较高的，从我国现阶段的太阳能发电成本来看，其花费在太阳电池组件的费用大约为30~40%，因此，为了更加充分有效地利用太阳能，如何选取太阳电池方阵的方位角与倾斜角是一个十分重要的问题。 1.方位角 太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳电池发电量是最大的。在偏离正南（北半球）30° 度时，方阵的发电量将减少约10%~15%；在偏离正南（北半球）60°时，方阵的发电量将减少约20%~30%。但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率。在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。方阵设置场所受到许多条件的制约，例如，在地面上设置时土地的方位角、在屋顶上设置时屋顶的方位角，或者是为了躲避太阳阴影时的方位角，以及布置规划、发电效率、设计规划、建设目的等许多因素都有关系。如果要将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，请参考下述的公式。至于并网发电的场合，希望综合考虑以上各方面的情况来选定方位角。方位角=（一天中负荷的峰值时刻（24小时制）—12）X 1$ （经度－116）10月9日北京的太阳电池方阵处于不同方位角时，日射量与时间推移的关系曲线。在不同的季节，各个方位的日射量峰值产生时刻是不一样的。 2.倾斜角 倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。但是，和方位角一样，在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角（斜率大于50%-60%）等方面的限制 条件。对于积雪滑落的倾斜角，即使在积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况，因此，特别是在并网发电的系统中，并不一定优先考虑积雪的滑 落，此外，还要进一步考虑其它因素。对于正南（方位角为0°度），倾斜角从
数字式光伏电池阵列模拟器的研制 2011-03-17 16:30:18 来源：OFweek太阳能光伏网 介绍太阳能电池的工作原理及其数学模型的基础上，选择半桥变换器作为主电路拓扑，研制了一台光伏电池阵列模拟器。控制部分采用TMS320F2812 DSP作为模拟器控制电路的主控制器，将数字PI控制算法应用在数字式光伏电池阵列模拟器中。在闭环实验下，模拟器的静态工作点与所模拟的太阳能电池的输出特性相吻合，并能够动态模拟负载变化的工作情况。证明了所设计的模拟器能够用于光伏发电系统实验。 1 引言 太阳能作为一种新型的可再生资源受到越来越广泛的重视，但在光伏系统的研发过程中，太阳能电池阵列由于实验受到日照强度、环境温度的影响，导致实验成本过高，研发周期变长。光伏电池阵列模拟器可以大大缩短光伏系统的研究周期，提高研究效率及研究结果的可信性。 本文设计的光伏电池阵列模拟器以半桥电路为基础，基于DSP控制，并加入了PI控制改善系统动态性能和稳态精度。 2 太阳能电池的工作特性 太阳能电池在有光照条件下，光生电流会流过负载，从而产生负载电压。这时太阳能电池的等效电路如图1所示。其中，RS为串联电阻，Rsh为旁漏电阻，也称跨接电阻，它是由体内的缺陷或硅片边缘不清洁引起的。显然，旁路电流Ish 和二极管的正向电流ID (通过PN结总扩散电流)都要靠IL提供，剩余的led光电流经过RS，流出太阳能电池而进入负载。 根据文献资料[1]，利用厂家提供的短路电流Isc，开路电压VOC，最大功率点处的电流Im和最大功率点处的电压Vm这四个参数可以得到太阳能电池板便于工程计算的模型：
这样，就把太阳能电池板的I-V特性曲线转换为简单的、便于工程计算的形式。 3 光伏电池阵列模拟器设计 模拟器的目的是要能模拟一定光照下，随负载变化的太阳能电池板的电特性，包括最大输出功率，输出I-V特性，以及不同日照下的变化。其应该完成以下三个方面的要求： (1) 系统能够按照光伏阵列的输出特性完成输出，当外电路负载一定时，系统能够在工作点上保持稳定的输出； (2) 当外接负载发生变化时，模拟器能够以合乎要求的速度变化到新工作点并能稳定在该点； (3) 能够输出要求的功率； 本文设计的光伏阵列模拟器的系统结构框图如图2所示，整个系统主要由功率电路和采集控制电路两部分构成。功率电路采用半桥拓扑，用以完成直流变换，经整流滤波后，产生合适的输出电压。检测电路实时采集输出电压、电流，并送给DSP控制电路。DSP依据采集到的值，产生合适的占空比信号控制半桥两个IGBT开关。隔离驱动电路用于驱动IGBT开关，并实现与控制电路的隔离。如果想要模拟一条新的太阳能电池板I-V曲线，只需在软件中重新设定该曲线的和，这四个参数就可以了。 由于半桥母线电压为100V，单个管子承受耐压应该在100V以上，系统最大输出电流为3.5A。综合以上因素后，我们选择Infinion公司生产的IGBT单管IKW40N120T2，其耐压1200V，可通过的均值电流40A，且该单管价格便宜，开通、关断时间极短，开通压降只有1.7V，因此，开关损耗较小，是较理想的选择。 在本系统中，一共需要四路采集，分别是半桥高低端电压采集，输出电压电流采集。这四路信号都要设定过压或过流保护。采集电流信号使用电流传感器，采集电压信号使用电阻分压的形式。本设计的采集电路使用差分信号传输，并基于三级采集电路设计：首先使用全差分放大器LTC1992进行单端到差分信号的转换；然后使用模拟线性光耦HCPL7840进行信号隔离；最后使用仪用运放INA121将信号进行适当放大。 4 控制算法实现 4.1 寻找负载工作点的算法设计 光伏模拟器主要是跟踪负载的工作点，使得模拟器在不同负载情况下的输出能满足光伏阵列的输出特性。静态工作点的确定是模拟器的关键，如何在一特定负载下快速寻找到期望工作点，并使电源工作在这个点上。当负载变化，或是环境条件变化时，又如何找到新的工作点，并快速且精确的控制电源运行在这个工作点上，是模拟器控制算法所要解决的核心问题。 当负载电阻确定后，想要确定工作点处的电压电流，需要代入式(1)进行计算，但公式复杂，且涉及指数运算，在程序实现上十分麻烦，而且也会影响系统响应的速度。从我们研究太阳能电池的输出I-V特性曲线可以看到，在短路电流点附近，电池板接近恒流，输出I-V曲线在这一段接近一条直线；在开路电压点附近，电池板接近恒压，输出I-V曲线在这一段也接近一条直线。所以我们用四条直线来对电池板输出I-V曲线进行拟合，如图3所示。
太阳能阵列倾角计算方法的讨论和介绍在光伏阵列设计和安装中，许多参数需要根据安装地点以及周围环境进行特殊计算和分 析。太阳能阵列倾斜角度设计就是其中重要的一环。合理的设计和安装可以提高系统产能10%左右，对于一些地理位置特殊的项目，相较于较差的设计，增产更可能高达20%。据我所知，大多数业内设计师和安装师默认的方法是“阵列最佳倾角”等于“所在地的纬度角”。这篇文章将会讨论和证明这种方法的缺陷，同时介绍我个人认为更为优化和准确的测算方法。相信不少同仁在希望知道老方法的不足之前，可能更感兴趣了解这个“倾角等于纬度角”结论是怎么得出的吧。其实这并非是一个经验论，而是基于太阳行径以及方位在特殊的日期下计算出来的一个等式。 想要在地球上定位一个地点，知道经纬度是必要的.经度（Longitude)λ和纬度(Latitude) ?相当于我们平面几何中的Y轴和X轴，不过他们一个以本初子午线（the Prime Meridian)为基准,一个以赤道（Equator）为基准，其坐标交点就是我们需要查找的地点。比如北京的坐标就是39.9N°，116.4°E，意思就是北京在赤道以北39.9度，格林威治线以东116.4度。经纬度和方位角（Azimuth）是完全的两个概念，但是这两个角度对于光伏阵列的倾角和朝向，有着至关重要的影响，后文也会有所介绍。 图一：经纬度示意图 图一的?角度就是该地点相对于地心的纬度角，而λ则是该地点相对于格林威治线的经度角。
图二：方位角示意图 如果说经纬角度是定位角的话，方位角更像一个指向角。在世界地图中，“上北下南，左西右东”其实就是对方位角的通俗表达。如图二所示，方位角（Azimuth）其实就是朝向相对于正北的偏角。通常方位角有两种定义范围，分别是0至360度和180至-180度。澳大利亚采用的正北是0度，然后顺时针90度为正东，180度为正南，270度为正西。需要注意的是这里的正方向都是指的地理的正方向，而平时拿指南针或者大部分手机APP测出来的是地球磁场的北极，是有一个偏角的，由于是不规则变化，所以没有办法固定这个偏角度。专业的光伏测量仪器，比如英国的SEAWARD或美国的Solmetric生产的自带内置GPS的测量工具，是可以准确测出地理北极的。当然设计师也可以登录网上卫星地图，用直尺或量角器在误差允许的范围内进行估测。 图二中还显示了星体（太阳）的高度角（Altitude)α，它表示太阳距离观测点与水平面所成的夹角。高度角随着季节和一天内不同时间段在变化，准确的数值需要从观测站数据库获得。高度角的变化直接影响太阳能板对太阳光照强度的接收。其实一年之内，太阳相较于同一地
关于太阳能电池阵模拟器的设计 1 引言 太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。目前，在航天电源领域内，绝大多数卫星电源均使用太阳能电池作为其动力核心。卫星电源的性能直接影响到卫星的性能和工作寿命，对卫星的正常运行和使用也有重大的影响。因此，为了提高电源系统的性能和可靠性，对卫星电源系统进行仿真和测试评估具有十分重要的意义。 卫星的空间工作条件恶劣且复杂，温度范围大，日照条件变化迅速，且太阳能电池方阵处于高能粒子辐射下，在地面上无法采用实际的太阳能电池方阵来再现卫星在空间轨道中的工作状态，因此需要采用太阳能电池模拟器（Solar Array Simulator，简称SAS）来模拟太阳能电池阵在空间的工作状况。SAS是卫星电源模拟器的重要组成部分，其主要任务是真实地遵循太阳能电池方阵在各种复杂空间条件下的实际输出特性曲线，在卫星的地面测试阶段代替太阳能电池方阵为卫星上的各分系统供电。 2 太阳能电池的数学模型 根据太阳能电池原理和图1 所示的实际测量结果建立了多种模型，用于太阳能电池的测试和应用研究。事实证明，这些模型具有足够的工程精度。 2.1 单指数模型 图2 示出太阳能电池的等效电路。 Iph 取决于太阳能电池各工作区的半导体材料性质和电池几何结构参数以及入射光强、表面反射率、前后表面复合速度、材料吸收系数等。由于器件的瞬时响应时间相比于绝大多数光伏系统的时间常数显得微不足道，因此分析中可忽略结电容。设定图中所示的电压、电流为正方向，由固体物理理论和全电路欧姆定律即可推出目前常用的单指数形式的太阳能电池模型： 式中 I0———二极管反向饱和电流 q———电子电荷 I———电池的输出电流 K———波尔兹曼常数 T———绝对温度 A———二极管品质因子（曲线因子），一般A=1～2： 2.2 双指数模型 在单指数模型中，在不同的电压范围内，决定IVD 的因素也不同。当电压较高时，IVD 主要由电中性区的注入电流决定；当电压较低时，IVD 主要由空间电荷区的复合电流决定。为了提高模型精度，可以综合考虑这两种情况，在等效电路中用两个参数不同的二极管来产生这两个电流，。
太阳能光伏产品的智能高效设计方法 太阳能光伏产品的中心议题： * 将太阳能从新兴能源转变为主流能源面临的机遇和挑战 * 整个系统的最终效率比光伏电池的转换效率更重要 * 决定光伏电池的转换效率的变量 太阳能光伏产品的解决方案 * 恩智浦Delta转换器通过能量交换原理将相邻面板之间的电压差进行平均分配 * 与太阳能系统架构有关的三项工艺 太阳照射地球每6个小时产生的能量就足以满足全球整整一年的能源需求。凭借这笔免费的巨额绿色财富，光伏（PV）技术毅然成为了环保运动的象征。然而，光伏/太阳能这种未来能源虽已问世三十余载，其产量却不到世界能源产量的0.5％。 将太阳能从新兴能源转变为主流能源面临着多方面的机遇和挑战。尽管来自太阳光照的能量巨大无比，但限于设备转换费用昂贵以及转换效率仍有待提高等原因，使太阳能光伏成为免费商品的路还很漫长，而利用半导体来管理转换系统则能够很容易地解决这个问题。目前，光伏能的发展在很大程度上取决于激励机制、政策主张和小额贷款的资本投资模式。然而，太阳能光伏总有一天会与化石燃料在价格上持平，这一点毫无疑问。从系统角度来看，大规模部署太阳能装置会改变能源配送的模式，因为这将会涉及诸多因素，如电网运行、负载处理以及其他实际问题。这意味着光伏能的推广应用正处于或已经接近它的转折点，而半导体技术的最新发展恰恰具有推动这种转变的潜力。 当今最先进的太阳能发电系统是由一套相对简单的元组件构成。当一切如期运行时，其转换效率约为10-15％。一系列广泛的数字及高性能混合信号（HPMS）半导体技术正在构成全新的系统架构。这些新架构在设计上得到了优化以调节环境变化所造成的效率下降，同时通过监测和纠正各元组件的运行特点来优化系统的功率。 安装能够向电网传递更多功率的太阳能系统极为重要。原因有二：首先，生成但不传递到