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能源
在广泛的气候条件下太阳能光伏系统的详细性能分析
关键词：太阳能光伏发电系统，双二极管光伏发电系统，气候条件，绿色能源
摘要
近年来，太阳能被认为是发电的主要可再生能源之一。在本文中，单二极管光伏（PV）系统和基于光伏系统的双/旁路二极管是在它们的数学建模的MATLAB/Simulink环境中设计的，并用市售的太阳能板来验证。
1.引言
由于电能的各种有利的特点，全世界对电能的需求增加了。如太阳能，风能，生物质能，小型水电站等多样的替代绿色能源发电正在普及以弥补能源缺口和环境关注[1,2]。
单个光伏电池直接将太阳能转化为电能。太阳电池组件由一组相互连接的太阳电池串/并联组成。等效电路模型一般用于研究不同气候条件下光伏电池的运转状态。文献[3]准确估计了光伏模型的主要参数，如光电流，饱和电流，串联电阻，并联电阻和曲线拟合系数。
光伏方阵的仿真模型是基于单个太阳光伏电池的同等电路形成的。文献[4]中有一个在仿真环境中对工作于部分遮光条件下的光伏组件中旁路二极管配置的研究。仿真结果用市售的光伏组件Siliken SLK60P6L (209 Wp)来验证。在文献[5]中讲到了Matlab/Simulink环境中光伏电池的两种不同仿真模型的开发。两者是在各自的P-V和I-V特性基础上比较并也用了市售的光伏组件加以验证。文献[6]介绍了光伏发电系统的转换接口的现实建模和仿真。作者讨论了关于光伏电池建模的主要问题和它们的现有解决方案。光伏电池的动态模型需要得到一个运行状态下的实际图像。文献[7]介绍了一个以试验数据为基础的发电机组的光伏系统的动态模型。文献[8]的作者提出开发一个用以建筑群运行优化和建筑群及它们的能源产生和能源存储设备的现实能源行为模拟的建筑群模拟器。文献[9]介绍了关于建筑能耗模拟及其理论的运用的关键领域。文献[3-9]的作者讨论了不同类型的光伏电池即单二极管光伏电池（SDPV）和双/旁路二极管光伏电池（DDPV）。但是对所有主要气候条件下光伏电池性能的详细的和综合的影响没有完全表现出作者的学识。
结合以上文献综述的目的，本文中的附加研究是使用试验数据提出光伏电池上例如辐射水平，风速，温度，湿度和灰尘积累等主要气候条件的数学关系。然后，这个提出的气候条件和光伏电池输出参数之间的关系会集成到SDPV和DDPV电池的模型上来开发光伏电池的现实模型。此外，还要深入进行这个光伏电池模型的比较分析。
2.系统描述
完整的系统可以分为两个主要部分。（a）太阳能光伏电源（i）SDPV系统（ii）DDPV系统；（b）主要气候条件（i）标准条件（ii）现实条件。图1显示了完整系统的原理图，光伏系统的数学建模。
图1光伏系统示意图
2.1 SDPV系统
SDPV电池的P-V和I-V特性实际上是非线性的。图2是它最相关的等效电路模型。公式（1）是相关表达式。如图2所示，Iph代表产生的光伏电流，ID是二极管的反向饱和电流，IC是电池电流，Rs是串联电阻。
图2 SDPV系统的等效电路模型
光伏电池电压（Vc）是主要由负载电流和太阳能电池工作温度（Tc）所决定的光电流的函数。见文献[7]。
2.2 DDPV系统
DDPV模型又称为七参数PV模型。图3是DDPV系统的等效电路模型。相关表达式为公式（2）。其中，ID1和ID2是二极管反向饱和电流。Rs和Rp分别是串联和并联电阻。
图3 DDPV系统的等效电路图
DDPV电池的输出电压表示为
曲线拟合系数A是用来调整电池的I-V特性的。电阻Rp和Rs分别代表光伏电池的P-N结层电阻和外部电阻（如自攻丝和连接点等）。在测试光伏电池的实际表现时，这些参数是值得考虑的。
下面列出了影响光伏电池的电压和电流变化的气候因素，
光照
风速
温度
湿度
灰尘积累
这些影响可以在用来达成光伏电池的实际模型的参数系数的帮助下全部集成入模型中。
光照（Sx）变化对电压和光电流的影响可以借助常数Csv和Csi来表达。Csv和Csi是电池电压Vc和光电流Iph变化的校正因子。这些表示在公式（3）及（4）中，另见文献[7]。
其中，Sc是参考光照，Sx是工作条件下的实际光照。
风速影响光伏组件的温度。在通常的光伏电池模型中，光伏组件的温度只与光照有关且模型是静态的。为了解决这个限制，实行了一种光伏组件的温度取决于光照，风速和环境温度的新关系。公式（5）显示了光伏组件的温度[8]，如下，
其中，b1，b2，b3，b4，b5和b6是常数，W是风速。
太阳电池的工作温度Tc作为一个光照Sc和环境温度Ta的函数，它的变化影响着电池电压Vc和电池输出电流Ic。这些影响也可以分别通过公式（6）和（7）用温度系数CTV和CTI的电池电压和电池光电流写入模型。如下，
其中，beta;是开路电压系数，gamma;t是短路电流系数。
光伏组件的性能也取决于湿度，它的变化会引起系统输出电压和电流的变化。湿度和光伏电压电流之间的关系是通过分析市售的50WBP太阳能板的试验数据所确定的[9]。所考虑的光伏面板的详细规格总结在附录A中。
结果是在32℃，25%湿度的正常温度和湿度条件下计算出的。加湿器被用来增加光伏板周围的湿度并受到卤钨灯泡恒定的光照。记录下读数，使用湿度计算出湿度。输出电压和电流与湿度变化的关系显示在图4中。如下，
图4 输出电压和电流相对湿度的变化
图4表明，湿度的变化对系统输出电压和电流有显著的影响[11]。因此，这些影响借助电压和电流的湿度校正因子CHV和CHI分别用公式（8）和（9）写入模型中。表达如下，
公式（8）和（9）是通过所检测的市售光伏板的试验数据绘图，然后使用多项式拟合的方法获得的。图5显示了CHV和CHI随湿度的变化。
图5 修正系数随温度的变化
光伏组件上的灰尘积累也是一个影响系统输出功率的重要因素。随着光伏组件上的灰尘增多，组件的光照率也降低了，这导致了输出功率的降低。文献[12]中，作者在2004年12月到2005年6月期间找到了在自然条件下（户外）玻璃样本的自然灰尘积累量与透明度的关系，如公式（10）和图6所示。由于这个关系是广义的，它被用来在已有模型中考虑灰尘积累对光伏组件的影响[13，14]。
式中，Tr是标准透明度，D是光伏组件上的灰尘积累量，单位为g/m2。
图6 透明度随灰尘积累的变化
使用校正因子CSV，CSI，Tx（新），CTV，CTI，CHV，CHI和Tr在光照Sx变化下的新数值，组件温度，光伏电池电压VCX，光伏电流Iphx的变化如公式（11）-（14）所示，
通过公式（1）-（14），SDPV和DDPV电池的数学模型在为了系统主要气候条件的影响的综合比较分析的MATLAB/Simulink GUI环境下建成。所设计的光伏系统是用市售的50W BP的太阳能板检验的。
3.气候条件
在本文中，两种类型的气候条件论述如下。
3.1 标准测试条件
生产公司用来测试光伏组件的条件叫标准测试条件（STC）。STC的参数列于表1中，如下，
表1 标准测试条件下的参数
大气光学质量是光从天体源和允许的最短路径长度穿过地球大气层的光程率。当光穿过大气层时，它会受到散射和吸收的衰减。大气光学质量为1表示当太阳恰好在头顶上时从海平面直接向上看它。
3.2 现实条件
在本文中，光伏模型是模拟实时气候条件以获得在现实条件下的详细分析。现实条件参数列于表2中。所用的光照的数据来源于五月的印度新德里（1991-2001）[15]，而风速、温度、湿度和灰尘积累的数据是对光伏电池模型的分析的合理假设。
表2 现实条件参数[16-18]
4. 结果与讨论
用广泛的模拟来测试已有模型。通过以下几种情况的分析得到结果。
●稳态分析
●动态分析
●案例一：一次改变一个气候参数
-变光照下的系统性能
-变灰尘积累下的系统性能
-变湿度下的系统性能
-变风速下的系统性能
-变温度下的系统性能
●案例二：一次改变两个气候参数
-变温度下的系统性能
-变光照和风速下的系统性能
-变光照和温度下的系统性能
-变光照和湿度的系统系能
-变光照和灰尘积累的系统性能
-变风速和温度的系统性能
-变风速和湿度的系统性能
-变风速和灰尘积累的系统性能
-变温度和湿度的系统性能
-变湿度和灰尘积累的系统性能
●案例三：一次改变三个气候参数
-变光照、风速和温度的系统性能
-变光照、温度和湿度的系统性能
-变光照、湿度和灰尘积累的系统性能
-变温度、风速和湿度下的系统性能
-变灰尘积累、湿度和风速的系统性能
-变灰尘积累、湿度和温度的系统性能
-变灰尘积累、风速和温度的系统性能
-变光照、温度和灰尘积累的系统性能
-变光照、风速和灰尘积累的系统性能
-变光照、湿度和风速的系统性能
●案例四：一次改变总共5个的气候参数
-变光照、灰尘积累、湿度、风速和温度的系统性能
4.1 稳态分析
从上述所设计的光伏系统（SDPV系统）获取的P-V和I-V特性在不同光照的条件下的变化如图7所示，
图7 在变光照和STP条件下SDPV系统的P-V和I-V特性
在STC下所设计的光伏系统的输出电流、电压和功率如图8所示，
图8 在STC条件下的输出电流、电压和功率
从上述结果可以看出，有一个主要是由于DDPV系统中第二个二极管的电压和电流的小跳动，但在STC下，DDPV系统的电压稳定的瞬态稳定性和响应时间要优于SDPV系统。在STC下，稳态分析的输出参数列于表3中，
表3 稳态分析参数
4.2 动态分析
所设计的光伏系统在模拟现实气候的条件下进行详细性能分析。此分析中，考虑了五个基于一次改变的气候条件参数的数量的案例。表2所列的考虑到的现实气候参数的变化如图9所示，
图9 气候参数的变化
4.2.1 案例一：一次改变一个气候参数
在这种情况下，一个气候参数变化，剩余的气候参数恒定在STP。
(i)变光照下的系统性能。
在这里，光伏系统的光照率在400-1000W/m2的范围内变动。光伏系统的输出电流、电压和功率如图10所示。光照对SDPV系统和DDPV系统的影响都很显著。降低光照，输出电压、电流和功率就会降低。随着光照的增加，两个系统的电流偏差增加，在1000W/m2光照下，电流偏差达到最大值，为0.15A。进一步改变光照，电压偏差几乎不变，在1000W/m2光照下，电压偏差达到最大值，为0.93V。SDPV系统和DDPV系统在1000W/m2的最大光照下的功率分别为50.48W和45.37W。
图10 变光照下的输出电流、电压和功率
(ii)变灰尘积累的系统性能。
这里考虑的是光伏系统的灰尘积累。其变化范围为0-12.8g/m2。两个光伏系统的输出电流、电压和功率如图11所示。随着灰尘的增加，电流、电压和功率均减少。灰尘的积累对电流有显著的影响，但灰尘增多时，两个系统的电流偏差在减小。太阳能板的灰尘积累量在12.8g/m2时，SDPV系统的数据为0.4958A，11.38V，5.643W，DDPV系统的数据为0.463A，10.63V，4.922W。
图11 变灰尘积累的输出电流、电压和功率
(iii)变湿度下的系统性能
这里考虑的是湿度的变化。其变化范围为50-10%。光伏系统的输出电流、电压和功率如图12所示。随着湿度从50%降到10%，达到30%湿度时，SDPV系统和DDPV系统的电流最初分别缓慢地从1.59A增加到2.121A，从1.50A增加到1.956A。湿度对电压的影响小于对电流的影响。达到30%湿度时，SDPV和DDPV系统的电压分别从16.37V增加到16.77V，从15.42V增加到15.81V，对应的功率分别从26.03W增加到35.61W，从23.52W增加到31.68W。湿度从30%降到10%时，SDPV和DDPV系统的电流、电压和功率分别有一个小的增幅。湿度为10%时，SDPV和DDPV系统的数据分别为2.205A和2.08A；16.84V和15.88V；37.12W和33.04W。
图12 变湿度下的输出电流、电压和功率
(iv)变风速下的系统性能
这里考虑的是风速的变化。其变化范围为1-12m/s。光伏系统的输出电流、电压和功率如图13所示。从图中可以看出，风速对SDPV和DDPV系统性能的影响不是很显著。t=0s时，风速为4m/s，SDPV和DDPV系统的对应值分别为2.222A和2.094A；16.71V和15.86V；37.33W和33.23W。这些值与t=8s
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