光伏电池的建模仿真 毕业设计.doc
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1、 华中科技大学文华学院毕业设计(论文)题目: 光伏电池的建模仿真学 生 姓 名: 学号: 学 部 (系): 专 业 年 级: 指 导 教 师: 职称或学位: 助教 目录摘要2Abstract3Key Words:3前言41 概述51.1光伏电池方阵51.2光伏电池的种类及其区别51.3光伏电池组件61.4本文主要研究内容和意义72 光伏电池的原理和数学模型82.1光伏电池的工作原理92.2光伏电池的特性92.3光伏电池等效电路和数学模型102.4光伏电池的工程数学模型123 光伏电池的仿真模型143.1串联电阻对光伏电池的影响153.2日照强度对光伏电池的影响16结束语18参考文献19致谢20
2、光伏电池的建模仿真摘要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,光伏发电则是太阳能利用中技术含量最高、最有发展前途的技术。本文首先介绍了太阳能光伏电源系统的原理及其组成,学习了光生伏打效应原理及其模块组成,然后本文分析了太阳能光伏电池的输出I-V 特性,给出了光伏电池的数学模型,并在此基础之上建立了简单易用的工程数学模型。在MATLABSimulink仿真环境下,基于光伏电池的V-I数学函数关系式,建立了光伏电池的仿真模型,并对不同的串联电阻和日照强度变化条件下光伏电池的输出特性进行了仿真。仿真结果验证了光伏电池的输出特性呈非线性,并随串联电阻和日照强度的变化而变化。关键词:光伏电池
3、;建模;MATLAB仿真;AbstractSolar energy is paid more and more attention to as a new type of regenerated energy sources. As the most important technology in the use of Solar energy, PV power system is used all over the world.This paper introduces the principle of solar photovoltaic power system and its com
4、ponents. Furthermore, understanding the principle of photovoltaic effect and its modules. This paper analyzed the I-V characteristic of solar cells and its mathematical model. Furthermore, this paper present the engineering analytical models of solar cells derived from the mathematical model. Based
5、on the photovoltaic cells V-I mathematical equation, set up photovoltaic cells of the simulation model, and different series resistance and sunshine intensity and under the condition of change photovoltaic battery output characteristic simulation by using MATLAB/Simulink simulation environment. The
6、simulation results confirm that the output features of PV cells are nonlinear and vary with the series load and isolationKey words : photovoltaic cells; Modelling; MATLAB simulation前言 人类社会进入21世纪,正面临着化石燃料短缺和生态环境污染的严重局面。廉价的石油时代已经结束,逐步改变能源消费结,大力发展可再生能源,走可持续发展的道路,已逐渐成为人们的共识。太阳能光伏发电具有独特的优点,近年来正在飞速发展。太阳能电
7、池的产量年增长率在40%以上,已成为发展最迅速的高新技术产业之一,其应用规模和领域也在不断扩大,从原来只在偏远无电地区和特殊用电场合使用,发展到城市并网系统和大型光伏电站。 尽管目前太阳能光伏发电在能源结构中所占比例还微不足道,但是随着社会的发展和技术的进步,其份额将会逐步增加,可以预期,到21世纪末,太阳能发电将成为世界能源供应的主体,一个光辉的太阳能时代将到来。1我国的光伏产业发展极不平衡,2007年太阳能电池的产量已经超过日本和欧洲而居世界第一,然而光伏应用市场的发展却非常缓慢,光伏累计安装量大约只占世界的1%,2应用技术水平与国外相比还有相当大的差距。光伏产品与一般机电产品不同,必须很
8、据负载的要求和当地的气象、地理条件来决定系统的配置,由于目前光伏发电成本较高,所以应进行优化设计,以达到可靠性和经济性的最佳结合,最大限度的发挥光伏电源的作用。为了提高太阳能的转换效率,获取更多的有效能源,满足人类的能源供应,世界各国在研究太阳能光伏系统中都投入了大量的人力与物力。我国对太阳能光伏电源系统的研究还处于世界低等水平,产品的性能还有待提高,为迎接未来能源短缺带来的严峻挑战,我们应该加大对太阳能光伏系统的研究,以满足人类未来对能源的需求。本文从理论出发,阐述了太阳能光伏电源的原理及其组成结构;结合科研实际,应用硬件和软件结合的方法,设计了简易的太阳能光伏电源模拟系统。根据这个简易系统
9、研究分析了太阳能光伏电源的影响因素,合理优化了系统的配置,以提高系统的性能,最终提高了太阳能的转换效率。21光伏电源系统的原理及组成太阳能光伏电源系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、充电放电控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成,其系统组成如图1-1所示。图1-1 太阳能光伏电源系统示意图1.1光伏电池方阵太阳能电池单体是光电转换的最小单元,尺寸一般为42到1002不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V,工作电流约为2025mA/2,一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后,就成为太阳能电池组件,其功
10、率一般为几瓦至几十瓦,是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并组合安装在支架上,就构成了太阳能电池方阵,可以满足负载所要求的输出功率(见图1-2)。图 1-2 太阳能电池单体、组件和方阵1.2光伏电池的种类及其区别目前世界上有3种已经商品化的硅太阳能电池:单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。对于单晶硅太阳能电池,由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质,使单晶硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性,意味着正负电荷对并不能全部被PN结电场所分离,因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失,所以多晶体硅太
11、阳能电池的效率一般比单晶体硅太阳能电池低,多晶体硅太阳能电池用铸造的方法生产,所以它的成本比单晶体硅太阳能电池的低。非晶体硅太阳能电池属于薄膜电池,造价低廉,但光电转换效率比较低,稳定性也不如晶体硅太阳能电池,目前多数用于弱光性电源,如手表、计算器等。3 (1)晶体硅光伏电池。晶体硅光伏电池因为资源丰富、转换效率高,所以现在开发得最快的光伏电池。但是因它的制造工艺复杂,需耗费大量的能源,所以有成本高、能源回收期长的缺点。 (2) 非晶硅光伏电池。非晶硅光伏电池资源丰富,制造过程简单,而且创造能耗低,所以作为低成本的光伏电池引人注目。目前其转换效率比单晶硅光伏电池的稍低。 (3) 化合物半导体光
12、伏电池。化合物半导体光伏电池有III-V族、II-VI族等许多种类,砷化镓光伏电池是其中一种,其转换效率很高,但存在资源缺乏、有公害等问题。通常,制备多晶硅的工艺比制备单晶硅要求要低一些.制备非晶硅所要求的条件原则上比制备多晶硅更低。地面Gash 光伏电池的效率超过22%,大大高于硅电池的相应效值(18%)。然而,用Gash 做光伏电池材料也有一些缺点,镓的资源有限,将使Gash永远是贵重材料。第二个缺点是砷的毒性,使用由毒性材料制作的大型光伏电池系统时,应仔细调查其对环境的影响。1.3光伏电池组件一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压,远低于实际应用所需要的电压,为了满足实际应用的需要,需把
13、太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池,这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上,太阳能电池的标准数量是36片,能提供大约17V电压,正好能为额定电压为12V的蓄电池进行有效的充电。通过导线连接的太阳能电池被密封成物理单元被称为太阳能电池组件,具有一定的防腐、防风、防雨等能力,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,可把多个组件组成太阳能电池方阵,以获得所需要的电压和电流。4图 1-3 太阳能电池的电流-电压特性曲线太阳能电池组件的电气特性主要是指电流-电压输出特性,也称为V-I特性曲线,如图1-3所示。V-I特性曲线显示了通过太阳
14、能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即V=0,此时的电流称为短路电流Isc;如果电路开路即I=0,此时的电路称为开路电压Voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积,即P=V*I。I:电流 Isc:短路电流 Im:最大工作电流 V:电压 Voc:短路电压 Vm:最大工作电压当太阳能电池组件的电压上升时,例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零(短路条件下)开始增加时,组件的输出功率亦从零开始增加;当电压达到一定值时,功率可达到最大,这时当阻值继续增加时,功率将越过最大点,并逐渐减少至零,即电压达到开路电压Voc。太阳能电池
15、的内阻呈现出强烈的非线性,在组件的输出功率达到最大点,称为最大功率点,该点所对应的电压,称为最大功率点电压Vm(又称为最大工作电压);该点所对应的电流,称为最大功率点电流Im(又称为最大工作电流);该点的功率称为最大功率Pm。太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度。太阳的辐照度越强,输出的功率越大;太阳光谱分布越密集,输出功率越大;太阳能电池的温度越高,开路电压越低,输出功率越低。1.4本文主要研究内容和意义1.4.1研究内容 (1)建立了太阳能光伏电池的工程数学模型,并以此为基础设计一种采用多段直线和二次曲线模拟光伏电池I-V曲线的算法,该算法简化函数方
16、程,使其满足DSP计算的要求,同时也保证了较高的模拟精度,减小了系统误差。 (2)设计了一台输出功率为3kW的光伏电池模拟器的实验样机,给出了主电路及控制系统的设计方案,并进行了小功率的实验验证,对实验结果进行了分析。1.4.2研究意义光伏发电系统的研究如果采用真实的光伏电池阵列,会产生试验成本高、需要大量空旷场地和对日照、自然气候等依赖性强等一系列的问题,因此研究出低成本的按照实际光伏电池的I-V特性输出的,能够代替实际光伏电池阵列在室内进行各种光伏实验,使之不受场地和环境影响的模拟器成为必须。5本文的研究就是以解决这个问题为目的,设计出能够模拟光伏电池阵列输出的I-V曲线,从而能够代替实际
17、的太阳能光伏电池阵列在室内进行各种光伏实验,并满足易于修改设定的要求的光伏电池模拟器。使光伏实验不再受到场地、自然气候条件等的影响,降低实验成本,节省实验时间。2光伏电池的原理和数学模型太阳能的转换利用方式有光一热转换、光一化学转换和光一电转换等三种方式。接收或聚集太阳能使之转换为热能,然后用于生产和生活,是太阳能光一热转换利用即太阳能热利用的基本方式。太阳能热水系统是目前太阳能热利用的主要形式。利用光生伏打效应原理制成光伏电池,可将太阳的光能直接转换为电能加以利用,称为光一电转换,即光伏发电。光一化学转换还处于研究实验阶段,这种转换技术包括光伏电池电极化水制成氢、利用氢氧化钙和金属氢化物热分
18、解储能等。6在这些转换利用方式中光伏发电系统是技术含量最高、最有发展前途的技术,它的基本元件是光伏电池。光伏电池受到太阳光照时能产生光伏效应,将太阳光能转变成直流电能。在使用时要将光伏电池封装成组件,然后根据需要将组件串并联组成阵列。通常需要用蓄电池等作为储能装置,才能随时供给负载使用。如果是交流负载,则还需要通过逆变器将直流电变成交流电。整个光伏系统还要配备控制器等附件。世界光伏发电产业发展迅速,最近10年太阳电池及组件生产的年平均增长率为33%,最近5年的年平均增长率为43,2004年比上年增长61.2,这一产业已成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。随着光伏产业的发展光伏发电成本正不断降
19、低。2003年世界重要厂商的成本为2至2.3美元瓦,售价2.5至3美元瓦。但随着技术进步、产业规模的不断扩大,光伏发电的成本将继续不断降低。产业化方面,各国一直在通过改进工艺、扩大规模和开拓市场等措施降低成本,并取得了巨大进展。以美国为代表,其能源部1990年起动了光伏制造技术(PVMaT)的产业化计划,通过国家可再生能源实验室(NREL)实施,并成立了国家光伏中心,联合产业界、大学和研究机构共同进行攻关,以求大幅度降低成本。这一计划的实施已经产生了非常明显的效果,商品化电池效率从10%一13%提高到12%-15%。生产规模从1-5兆峰瓦/年发展到5-20兆峰瓦/年,并正在向50兆峰瓦扩大。生
20、产工艺不断简化,自动化程度不断提高。三年来,世界的光伏组件的生产成本降低了32%以上,第一次降到3美元/峰瓦以下,国际市场光伏组件售价在4美元/峰瓦左右,这种趋势还在继续发展.美国光伏系统电价成本目标:2005年光伏系统安装成本3美元/峰瓦(11美分/千瓦时),2010年1.5美元/峰瓦(6美分/千瓦时以下)。欧洲和日本也有类似的计划。竞争促使各发达国家的产业化技术几乎以大致相同的水平和速度向前发展。在太阳能光伏发电领域,印度在发展中国家处领先地位。目前印度有80个公司从事光伏工业和太阳电池组件的生产,6个太阳电池制造厂12个组件生产厂,1997-1998年间,电池生产8.2兆峰瓦,组件生产1
21、1兆峰瓦,出口4兆峰瓦,预计2002年生产将达到50兆峰瓦/年;截至1998年,印度光伏系统安装容量达到35兆峰瓦,计划1998-2002安装150兆峰瓦。7世界各大公司也纷纷制定和实施扩产计划,1998年初PVIR统计,正在实施和扩产的新增能力为263.5兆峰瓦/年,比1997年高出2倍,可以说,太阳能光伏发电技术和产业正在腾飞,预测今后10年光伏组件的生产将以20%一30%甚至更高的递增速度发展,到2010年生产将达到4.6千兆瓦,总装机容量达到18千兆瓦。快速发展的屋顶计划、各种减免税政策、补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格为光伏市场的发展提供了坚实的发展基础。市场发展将逐步由边远地区和
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