摘要:基于光伏模塊數(shù)學模型，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)，較精確地得到太陽能電池板在不同光照強度下最大功率點處電壓值和功率值，避免了原來迭代過程中初始值選取不當所帶來的種種麻煩。
關鍵詞:光伏系統(tǒng)  太陽能電池  最大功率點

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

　　太陽能是世界上公認的技術含量最高、最有發(fā)展前途的新能源。太陽能電池輸出特性非線性，而且對光照強度和溫度非常敏感。光伏系統(tǒng)目前的主要問題是電池的轉(zhuǎn)換效率低且價格昂貴，太陽能電池在任何時刻都存在一個最大功率輸出的工作點，而且隨著光照強度和溫度的變化而變化。然而對于太陽能電池的動態(tài)模型的描述非常復雜，參數(shù)較多，要得到最大功率點需要進行冗長的迭代，要求必須給出適當?shù)膮?shù)初始值才可以得到最大值。如果設定的初始值不當就難以收斂,最終無法得到正確結果,本文采用1stOpt軟件有較強的尋優(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，非線性復雜模型參數(shù)估算求解，線性/非線性規(guī)劃等領域居領先地位。除去簡單易用的界面，其計算核心是通用全局優(yōu)化算法(Universal Global Optimization - UGO)，該算法之最大特點是克服了當今世界上在優(yōu)化計算領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隨機給出，通過其獨特的全局優(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?shù)膮?shù)初始值以便計算能夠收斂并找到最優(yōu)解。如果設定的參數(shù)初始值不當則計算難以收斂，其結果是無法求得正確結果。而在實際應用當中，對大多數(shù)用戶來說，給出(猜出)恰當?shù)某跏贾凳羌喈斃щy的事。而1stOpt憑借其較強的尋優(yōu)和容錯能力，在大多數(shù)情況下（大于90%)，從任一隨機初始值開始，都能求得正確結果。

　　2.1  太陽能光伏電池原理[1]
　　太陽能光伏電池表面有一層金屬薄膜似的半導體薄片，當太陽光照射時，薄片的另一側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。太陽能光伏電池正是一種利用光伏效應直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。對于半導體P-N結，光伏效應更明顯，因此，太陽能光伏電池都是由半導體構成的。下面以硅半例，導體為對太陽能光伏電池的工作原理加以說明。當N型硅和P型硅結合時，N型區(qū)的電子擴散到P型區(qū)，P型區(qū)的空穴擴散到N型區(qū)，此時，N型帶正電，P型帶負電，在硅半導體內(nèi)部產(chǎn)生電場。當太陽光照在半導體P-N結上時，形成新的空穴－電子對，在P-N結電場的作用下，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)，當接通電路后就形成電流。這就是光電效應太陽能光伏電池的工作原理，如圖1所示。

圖1 太陽能光伏電池工作原理圖

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

2.2  太陽能電池等效模型
　　考慮到太陽能光照強度百分比及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為在光照強度為100的情況下，太陽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，定義為光照強度最大和最小時