《太陽(yáng)能電池及MPT技術(shù)分析綜述》2900字

太陽(yáng)能電池及MPPT技術(shù)分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u20333太陽(yáng)能電池及MPPT技術(shù)分析綜述 1210211.1太陽(yáng)能電池 1304851.1.1光生伏特效應(yīng) 1279041.1.2太陽(yáng)能電池的建模 2227801.1.3光伏電池仿真模型分析 4305311.2MPPT技術(shù)的原理和方法 6213541.2.1最大功率點(diǎn)追蹤的原理 6166221.2.2MPPT算法 71.1太陽(yáng)能電池光伏系統(tǒng)是一種發(fā)電裝置，其可以將光能轉(zhuǎn)化為電能而滿足相關(guān)能量轉(zhuǎn)換要求。光伏電池具有半導(dǎo)體特性，在運(yùn)行過(guò)程中可以吸收光輻射而形成電勢(shì)差， 這樣接入外部負(fù)荷后就可持續(xù)的輸出電能而滿足應(yīng)用性能要求。1.1.1光生伏特效應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析可知，光伏系統(tǒng)是大量的PN結(jié)構(gòu)所組成的整體，因而對(duì)光伏電池進(jìn)行研究時(shí)，可適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行簡(jiǎn)化，而將其看作為一個(gè)PN結(jié)。在此結(jié)構(gòu)的內(nèi)部不斷的進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)，且在一定的能量激發(fā)作用下形成大量電子空穴對(duì)，對(duì)應(yīng)的電子也不斷的與空穴結(jié)合。在運(yùn)行過(guò)程中N型、P型半導(dǎo)體靠近情況下，由于電子數(shù)量的差異，會(huì)導(dǎo)致特定的電子遷移現(xiàn)象，相關(guān)情況具體如下：圖1.1PN結(jié)的形成具體分析上圖結(jié)構(gòu)可知，N型、P型半導(dǎo)體中分別有大量的電子和空穴，二者結(jié)合后，中間耗盡層沒(méi)有出現(xiàn)獨(dú)立的載流子。這種情況下在二者間會(huì)產(chǎn)生較大的載流子濃度，在電子不斷的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，PN結(jié)兩側(cè)積累兩種載流子而形成電勢(shì)差[14]。當(dāng)PN結(jié)接收到光照時(shí)，PN結(jié)中兩種載流子形成而吸收光能，且PN結(jié)的原來(lái)平衡狀態(tài)也被打破，一些電子逃離共價(jià)鍵的束縛而結(jié)合空穴。在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)作用下，二者向著相反的方向運(yùn)動(dòng)，如空穴會(huì)向P聚集，電子則會(huì)向N聚集，在此基礎(chǔ)上形成電勢(shì)差[15]。1.1.2太陽(yáng)能電池的建模一、光伏電池的數(shù)學(xué)模型一些學(xué)者基于以上的光伏特性進(jìn)行深入研究，而研發(fā)出各種太陽(yáng)能電池。在應(yīng)用過(guò)程中其可以將光能轉(zhuǎn)化為電能，以此來(lái)滿足各方面的能量要求[16]。在實(shí)際的應(yīng)用中單個(gè)光伏電池的輸出功率小，為提高其應(yīng)用性能就需要將其串聯(lián)或并聯(lián)封裝而形成組件，這樣才可以滿足工程應(yīng)用要求。根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用研究結(jié)果表明，光強(qiáng)和溫度會(huì)明顯的影響到光伏系統(tǒng)的I-V特性，且對(duì)應(yīng)的影響也很復(fù)雜，和多種因素都存在相關(guān)性。因而在研究前應(yīng)該先建立光伏電池的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行一定數(shù)學(xué)物理分析而確定出光伏電池的等效電路如下圖：圖1.2光伏系統(tǒng)等效電路對(duì)以上的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，且根據(jù)物理學(xué)知識(shí)可確定出光伏電池的I-V表達(dá)式，具體如下：式(1)中：Ip?T——對(duì)應(yīng)于絕對(duì)溫度，K；Rs?——具體表示相應(yīng)以上表達(dá)式對(duì)應(yīng)于光伏電池的數(shù)學(xué)模型，具體分析可知其中的參數(shù)太多，因而計(jì)算分析也不方面，不滿足實(shí)際的工程應(yīng)用要求，主要是應(yīng)用在科學(xué)研究中[17]。因而一些學(xué)者進(jìn)行改進(jìn)而提出了工程用數(shù)學(xué)模型，與此相關(guān)的模型也有很多種，以下進(jìn)行具體說(shuō)明。二、光伏電池的工程用數(shù)學(xué)模型這種模型可滿足工程領(lǐng)域應(yīng)用要求，更具有實(shí)用性，一定條件下也可滿足準(zhǔn)確性要求。工程用數(shù)學(xué)模型在應(yīng)用中涉及到如下的重要參數(shù)：Isc、Voc、Im、Vm、Pm在此研究過(guò)程中基于表達(dá)式(1)進(jìn)行分析，且適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化設(shè)計(jì)如下:1)不考慮到(V+IRs2)在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中正向?qū)娮栾@著高于Rs，這種情況下IL=I1)開(kāi)路，I=0，V=V2)最大功率點(diǎn)，V=V在此基礎(chǔ)上對(duì)I?V這種模型處理過(guò)程中，輸入Isc、Voc、相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行分析，就可確定出C1和C2，三、溫度和光強(qiáng)對(duì)I﹣V特性的影響根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)可知這兩個(gè)參數(shù)會(huì)明顯的影響到光伏電池的輸出特性，一般情況下光強(qiáng)在0～1000W/m2在研究過(guò)程中將光強(qiáng)設(shè)為Sref=1000W/m2，對(duì)應(yīng)的溫度參考值為T在其中K而在運(yùn)行過(guò)程中光強(qiáng)和溫度的影響情況可基于如下表達(dá)式修正。α—電流溫度系數(shù)，β—電壓溫度系數(shù)，V/℃，進(jìn)行工程分析發(fā)現(xiàn)對(duì)單晶和多晶光伏電池而言，其實(shí)測(cè)值為[21]：1.1.3光伏電池仿真模型分析在此研究過(guò)程中主要是基于以上的工程數(shù)學(xué)模型，MATLAB中進(jìn)行研究，確定出相應(yīng)仿真模型，具體情況如下：圖1.3光伏電池的仿真模型以下具體顯示出其中各單個(gè)電池的參數(shù):圖1.4太陽(yáng)能電池參數(shù)封裝后測(cè)試輸入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行變化，而確定出其I﹣V、P﹣V曲線：圖1.5光伏電池仿真圖圖1.6I-V特性曲線圖1.7P-V特性曲線具體分析上圖結(jié)果可知，其P﹣V曲線形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，為一個(gè)典型的單峰狀、非線性曲線，在曲線的峰值為最大功率點(diǎn)。1.2MPPT技術(shù)的原理和方法在運(yùn)行過(guò)程中光伏系統(tǒng)的功率一般較低，為更好的滿足工程應(yīng)用要求，就必須追蹤到最大功率點(diǎn)，從而提高其運(yùn)行性能，為工程應(yīng)用提供支持。對(duì)光伏電池的工作阻抗進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，就可改變其工作狀態(tài)。在研究過(guò)程中基于這種原理進(jìn)行分析，而確定出最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，也就是MPPT算法，以下對(duì)其原理進(jìn)行說(shuō)明。1.1.1最大功率點(diǎn)追蹤的原理適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理而確定出光伏電池簡(jiǎn)化圖：圖1.8結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖負(fù)載Ro的功率為:具體分析以上的表達(dá)式可發(fā)現(xiàn)，Ri和Ro相等條件下，在運(yùn)行過(guò)程中可輸出最大功率。根據(jù)上述的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖相關(guān)情況可知，在光伏電池的等效負(fù)載電阻與內(nèi)阻相等1.1.2MPPT算法在實(shí)際應(yīng)用中基于這種原理進(jìn)行控制，研究出各種類型的最大功率點(diǎn)跟蹤方法，以下對(duì)常用的三種方法進(jìn)行說(shuō)明，且分析其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍：一、擾動(dòng)觀察法：圖1.9擾動(dòng)觀察法流程圖這種方法在運(yùn)行控制過(guò)程中主要是采集歷史電壓和電流信息，計(jì)算確定出上一刻的輸出功率，接著施加一個(gè)擾動(dòng)到此時(shí)刻的輸出電壓，在擾動(dòng)的影響下當(dāng)前時(shí)刻電壓會(huì)變大或者變小，確定出當(dāng)前時(shí)刻輸出功率，并同上一時(shí)刻對(duì)比分析，如果所得結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前時(shí)刻的更大，則在控制過(guò)程中接著施加該方向的擾動(dòng)，而如果小于上一時(shí)刻的，則相反方向的擾動(dòng)控制，不斷的繼續(xù)迭代控制，一直到二者的輸出功率相等[22]。根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種方法在應(yīng)用過(guò)程中優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，且所得結(jié)果很可靠，不過(guò)其缺陷也很明顯，表現(xiàn)為施加擾動(dòng)的過(guò)程中，輸出功率大幅度的波動(dòng)，且在施加擾動(dòng)后循環(huán)的時(shí)間較長(zhǎng)，這種情況下不滿足實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)精度也不高[23]。二、電導(dǎo)增量法：這種方法在進(jìn)行跟蹤控制時(shí)主要是基于P-V特性曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)，理論分析可知這種系統(tǒng)的P-V曲線為單峰狀圖形，對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)就是輸出功率最大值。在進(jìn)行數(shù)學(xué)分析時(shí)為確定出此點(diǎn)，就應(yīng)該對(duì)功率P求導(dǎo)，然后基于如下表達(dá)式得到最大點(diǎn)：dP具體分析以上表達(dá)式可發(fā)現(xiàn)在光伏系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，dIdU=?IU條件下，達(dá)到最大功率狀態(tài)，而如果前者大于后者，則說(shuō)明實(shí)際運(yùn)行在此點(diǎn)的左側(cè)，應(yīng)該適當(dāng)?shù)奶岣咻敵鲭妷簣D1.10電導(dǎo)增量法流程圖對(duì)比分析可知這種方法的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為精度極高，不過(guò)其缺陷表現(xiàn)為循環(huán)時(shí)間非常短，對(duì)系統(tǒng)的性能要求很高，也不容易實(shí)現(xiàn)，因而不能滿足工程領(lǐng)域的應(yīng)用要求。三、