摘要：提出一種以太陽能電池數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，在Matlab／Simulink環(huán)境下建立的光伏電池仿真模型。與其他常用建模方法相比，該模型結(jié)構(gòu)簡化，易于操作，能更好地描述光伏陣列的電氣特性。該模型還考慮了在任意光強和溫度下串聯(lián)電阻Rs的影響，并進(jìn)行了太陽能電池輸出特性試驗。理論估算與實際測量結(jié)果比較，兩者誤差在工程應(yīng)用允許的精度6％內(nèi)，與傳統(tǒng)方法相比，精度有所提高，為整個光伏系統(tǒng)進(jìn)一步研究提供參考價值。
關(guān)鍵詞：太陽能電池；數(shù)學(xué)模型；工程應(yīng)用；Matlab

0 引言
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人口的增加，化石能源逐步消耗，能源危機問題日益嚴(yán)重。在這樣的背景下，太陽能作為一種巨量的可再生能源，引起了人們的重視，各國政府正在逐步推動太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但是，大多數(shù)的光伏發(fā)電系統(tǒng)都是基于經(jīng)驗公式進(jìn)行設(shè)計的，為了對整個設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行驗證和優(yōu)化，有必要研究適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)工程設(shè)計應(yīng)用的仿真模型。由于太陽能電池陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，所以在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，對太陽能電池陣列仿真模型的研究至關(guān)重要。
太陽能電池技術(shù)發(fā)展很快，目前比較成熟且廣泛應(yīng)用的是經(jīng)歸類的太陽能電池。在2009年，全球太陽能電池的產(chǎn)量為1 0231MWp，到2011年預(yù)計達(dá)到1．5 GWp，比2010年增加50％。其中，單晶硅電池占43．86％，多晶硅電池占46．62％，薄膜電池占9．52％。國內(nèi)外太陽能行業(yè)都在圍繞提高太陽能電池的光轉(zhuǎn)換效率和降低成本這兩大目標(biāo)開展研究工作。太陽能電池通過串并聯(lián)組合成光伏陣列使用，但針對單個太陽能電池的模型往往很少，且無法應(yīng)用于各種仿真和電力工程計算中。目前，多晶硅太陽能電池的實驗室效率已超過17％，前景很好。本模型以數(shù)據(jù)參考手冊參數(shù)為基準(zhǔn)，用到了廠商提供的多晶硅太陽能電池標(biāo)準(zhǔn)下的參數(shù)。
本文從光伏電池數(shù)學(xué)模型入手，在Matlab／Simulink的仿真系統(tǒng)中，建立了一種實用性較強的光伏電池模塊仿真模型，該模型忽略了一些次要因素的影響，在不同太陽輻射強度和溫度下模擬出太陽電池陣列的輸出特性，并且將仿真模型結(jié)果與實際太陽電池陣列的測量結(jié)果進(jìn)行了比較，工程應(yīng)用精度在誤差允許范圍內(nèi)，為光伏系統(tǒng)研究提供了極大的參考價值。

1 光伏電池特性
硅太陽能電池的特性可用一個等效電路來描述：

根據(jù)圖1中電壓與電流的參考方向，得出普遍使用的太陽能電池通用模型：

式中：I，V為太陽能電池的輸出電流、電壓(單位：A，V)；ns，np為光伏陣列串列和并聯(lián)的電池個數(shù)；Iph為太陽能電池光生電流，單位為A；Isc為短路電流，單位為A；q為電子電量(1．6×10-19C)；k為波爾茲曼常數(shù)(1．38×10-23J／K)；A為無綱量任意曲線的擬合常數(shù)，取值在1～5之間；T為太陽能電池絕對溫度(單位：K)；Tr為太陽能電池參考溫度(單位：K)；Irs為太陽能電池陣列反向飽和電流(單位：A)；Irr為二極管反向飽和電流(單位：A)；EG為硅的禁帶寬度；k1為短路電流溫度系數(shù)；S為光照強度(單位：W／m2)。