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太阳能电池及MPPT技术分析综述

目录

TOC\o1-2\h\u20333太阳能电池及MPPT技术分析综述 1

210211.1太阳能电池 1

304851.1.1光生伏特效应 1

279041.1.2太阳能电池的建模 2

227801.1.3光伏电池仿真模型分析 4

305311.2MPPT技术的原理和方法 6

213541.2.1最大功率点追踪的原理 6

166221.2.2MPPT算法 7

1.1太阳能电池

光伏系统是一种发电装置，其可以将光能转化为电能而满足相关能量转换要求。光伏电池具有半导体特性，在运行过程中可以吸收光辐射而形成电势差， 这样接入外部负荷后就可持续的输出电能而满足应用性能要求。

1.1.1光生伏特效应

进行结构分析可知，光伏系统是大量的PN结构所组成的整体，因而对光伏电池进行研究时，可适当的进行简化，而将其看作为一个PN结。在此结构的内部不断的进行热运动，且在一定的能量激发作用下形成大量电子空穴对，对应的电子也不断的与空穴结合。在运行过程中N型、P型半导体靠近情况下，由于电子数量的差异，会导致特定的电子迁移现象，相关情况具体如下：

图1.1PN结的形成

具体分析上图结构可知，N型、P型半导体中分别有大量的电子和空穴，二者结合后，中间耗尽层没有出现独立的载流子。这种情况下在二者间会产生较大的载流子浓度，在电子不断的运动过程中，PN结两侧积累两种载流子而形成电势差[14]。

当PN结接收到光照时，PN结中两种载流子形成而吸收光能，且PN结的原来平衡状态也被打破，一些电子逃离共价键的束缚而结合空穴。在电场的驱动作用下，二者向着相反的方向运动，如空穴会向P聚集，电子则会向N聚集，在此基础上形成电势差[15]。

1.1.2太阳能电池的建模

一、光伏电池的数学模型

一些学者基于以上的光伏特性进行深入研究，而研发出各种太阳能电池。在应用过程中其可以将光能转化为电能，以此来满足各方面的能量要求[16]。

在实际的应用中单个光伏电池的输出功率小，为提高其应用性能就需要将其串联或并联封装而形成组件，这样才可以满足工程应用要求。根据实际的应用研究结果表明，光强和温度会明显的影响到光伏系统的I-V特性，且对应的影响也很复杂，和多种因素都存在相关性。因而在研究前应该先建立光伏电池的数学模型，进行一定数学物理分析而确定出光伏电池的等效电路如下图：

图1.2光伏系统等效电路

对以上的结构进行分析，且根据物理学知识可确定出光伏电池的I-V表达式，具体如下：

式(1)中：

Ip?

T——对应于绝对温度，K；

Rs?——具体表示相应

以上表达式对应于光伏电池的数学模型，具体分析可知其中的参数太多，因而计算分析也不方面，不满足实际的工程应用要求，主要是应用在科学研究中[17]。因而一些学者进行改进而提出了工程用数学模型，与此相关的模型也有很多种，以下进行具体说明。

二、光伏电池的工程用数学模型

这种模型可满足工程领域应用要求，更具有实用性，一定条件下也可满足准确性要求。工程用数学模型在应用中涉及到如下的重要参数：Isc、Voc、Im、Vm、Pm

在此研究过程中基于表达式(1)进行分析，且适当的简化设计如下:

1)不考虑到(V+IRs

2)在实际的运行过程中正向导通电阻显著高于Rs，这种情况下IL=I

1)开路，I=0，V=V

2)最大功率点，V=V

在此基础上对I?V

这种模型处理过程中，输入Isc、Voc、相关的参数进行分析，就可确定出C1和C2，

三、温度和光强对I﹣V特性的影响

根据实际的经验可知这两个参数会明显的影响到光伏电池的输出特性，一般情况下光强在0～1000W/m2

在研究过程中将光强设为Sref=1000W/m2，对应的温度参考值为T

在其中K

而在运行过程中光强和温度的影响情况可基于如下表达式修正。

α—电流温度系数，

β—电压温度系数，V/℃，进行工程分析发现对单晶和多晶光伏电池而言，其实测值为[21]：

1.1.3光伏电池仿真模型分析

在此研究过程中主要是基于以上的工程数学模型，MATLAB中进行研究，确定出相应仿真模型，具体情况如下：

图1.3光伏电池的仿真模型

以下具体显示出其中各单个电池的参数:

图1.4太阳能电池参数

封装后测试输入相关参数进行变化，而确定出其I﹣V、P﹣V曲线：

图1.5光伏电池仿真图

图1.6I-V特性曲线图1.7P-V特性曲线

具体分析上图结果可知，其P﹣V曲线形状相对简单，为一个典型的单峰状、非线性曲线，在曲线的峰值为最大功率点。

1.2MPPT技术的原理和方法

在运行