摘要:基于光伏模塊數(shù)學(xué)模型，在1stOpt仿真環(huán)境下，得出功率―電壓―光照、電流―電壓―光照曲線。此外，采用1stOpt仿真中最大繼承法 (Max Inherit Optimization - MIO)，較精確地得到太陽(yáng)能電池板在不同光照強(qiáng)度下最大功率點(diǎn)處電壓值和功率值，避免了原來(lái)迭代過(guò)程中初始值選取不當(dāng)所帶來(lái)的種種麻煩。
關(guān)鍵詞:光伏系統(tǒng)  太陽(yáng)能電池  最大功率點(diǎn)

Simulation of Solar Cell Based on 1stOpt――Tang Min  Wu Haitao  Ren Qi  Xia Dongwei

Abstract: The curves of Power-voltage-illumination and current-voltage-illumination are received based on the math model of photovoltaic module under 1stOpt environment. In addition to that, using the the Max Inherit Optimization?MIO of 1stOpt simulation ,voltage and power at maximum power point under different illumination is received accurately, avoiding the troubles that choosing initial value brings.
Keywords: photovoltaic system   solar cell   Maximum Power Point

 
　　1  引言

　　太陽(yáng)能是世界上公認(rèn)的技術(shù)含量最高、最有發(fā)展前途的新能源。太陽(yáng)能電池輸出特性非線性，而且對(duì)光照強(qiáng)度和溫度非常敏感。光伏系統(tǒng)目前的主要問(wèn)題是電池的轉(zhuǎn)換效率低且價(jià)格昂貴，太陽(yáng)能電池在任何時(shí)刻都存在一個(gè)最大功率輸出的工作點(diǎn)，而且隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化。然而對(duì)于太陽(yáng)能電池的動(dòng)態(tài)模型的描述非常復(fù)雜，參數(shù)較多，要得到最大功率點(diǎn)需要進(jìn)行冗長(zhǎng)的迭代，要求必須給出適當(dāng)?shù)膮?shù)初始值才可以得到最大值。如果設(shè)定的初始值不當(dāng)就難以收斂,最終無(wú)法得到正確結(jié)果,本文采用1stOpt軟件有較強(qiáng)的尋優(yōu)能力,從任意初始值開始,均能得到所求的正確值。

　　2  1stOpt簡(jiǎn)介

　　1stOpt是七維高科有限公司（7D-Soft High Technology Inc.）開發(fā)的一套數(shù)學(xué)優(yōu)化分析綜合工具軟件包。在非線性回歸，曲線擬合，非線性復(fù)雜模型參數(shù)估算求解，線性/非線性規(guī)劃等領(lǐng)域居領(lǐng)先地位。除去簡(jiǎn)單易用的界面，其計(jì)算核心是通用全局優(yōu)化算法(Universal Global Optimization - UGO)，該算法之最大特點(diǎn)是克服了當(dāng)今世界上在優(yōu)化計(jì)算領(lǐng)域中使用迭代法必須給出合適初始值的難題，即用戶勿需給出參數(shù)初始值，而由1stOpt隨機(jī)給出，通過(guò)其獨(dú)特的全局優(yōu)化算法，最終找出最優(yōu)解。以非線性回歸為例，目前世界上在該領(lǐng)域最有名的軟件工具包諸如Matlab, OriginPro, SAS, SPSS, DataFit, GraphPad等，均需用戶提供適當(dāng)?shù)膮?shù)初始值以便計(jì)算能夠收斂并找到最優(yōu)解。如果設(shè)定的參數(shù)初始值不當(dāng)則計(jì)算難以收斂，其結(jié)果是無(wú)法求得正確結(jié)果。而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，對(duì)大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)，給出(猜出)恰當(dāng)?shù)某跏贾凳羌喈?dāng)困難的事。而1stOpt憑借其較強(qiáng)的尋優(yōu)和容錯(cuò)能力，在大多數(shù)情況下（大于90%)，從任一隨機(jī)初始值開始，都能求得正確結(jié)果。

　　2.1  太陽(yáng)能光伏電池原理[1]
　　太陽(yáng)能光伏電池表面有一層金屬薄膜似的半導(dǎo)體薄片，當(dāng)太陽(yáng)光照射時(shí)，薄片的另一側(cè)和金屬薄膜之間將產(chǎn)生一定的電壓，這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。太陽(yáng)能光伏電池正是一種利用光伏效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。對(duì)于半導(dǎo)體P-N結(jié)，光伏效應(yīng)更明顯，因此，太陽(yáng)能光伏電池都是由半導(dǎo)體構(gòu)成的。下面以硅半例，導(dǎo)體為對(duì)太陽(yáng)能光伏電池的工作原理加以說(shuō)明。當(dāng)N型硅和P型硅結(jié)合時(shí)，N型區(qū)的電子擴(kuò)散到P型區(qū)，P型區(qū)的空穴擴(kuò)散到N型區(qū)，此時(shí)，N型帶正電，P型帶負(fù)電，在硅半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)。當(dāng)太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上時(shí)，形成新的空穴－電子對(duì)，在P-N結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由N型區(qū)流向P型區(qū)，電子由P型區(qū)流向N型區(qū)，當(dāng)接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能光伏電池的工作原理，如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能光伏電池工作原理圖

　　將太陽(yáng)能光伏電池單元進(jìn)行串、并聯(lián)并封裝后就成為太陽(yáng)能光伏電池組件，其功率可達(dá)幾瓦、幾十瓦甚至上百瓦，若干太陽(yáng)能光伏電池組件按需要進(jìn)行串、并聯(lián)后形成太陽(yáng)能光伏電池陣列。

2.2  太陽(yáng)能電池等效模型
　　考慮到太陽(yáng)能光照強(qiáng)度百分比及I-V曲線的特征常數(shù)、線性因子、額定短路電流、每個(gè)電池的開環(huán)電壓等因素，I-V特征等式可表示為^[2]

　　式中： V為光伏陣列輸出電壓。I(V)為光伏陣列輸出電流。Vmax為在光照強(qiáng)度為100的情況下，太陽(yáng)能電池陣列的額定開路電壓。Imax 為最大電流，依賴于額定短路電流I(0)，b為I-V特征指數(shù)常數(shù)；a 為太陽(yáng)能電池光照密度百分比；g為線性因子。

　　依賴于Vmax，由式（4）給出，定義為光照強(qiáng)度最大和最小時(shí)