恒载光伏太阳能电池板的建模与分析

抽象的

本文介绍了在热带地区的天气条件下为恒定电负载（其为2Ω，4Ω，6Ω和8Ω）的典型PV面板/模块（这是kyocera 200gt）的电气性能。考虑了位于埃塞俄比亚东部地区的城市Jigjiga（9.35°N，42.8°E）的具体情况。基于来自来自审查文章的测试数值技术设计的详细数值算法，确定了光伏模块的电特性。通过图形技术完成对PV模块的电气性能的每小时变化的总体评估，该技术通过图形技术确定PV模块的电压与每个负载电流平面上的PV模块的操作点，并且PV面板的性能是与每个负载相比。4Ω电荷导致每天11天的PV面板的每日最高能量输出，每月11天（在12天内），但在最后一天，它导致对方的表现较差two electrical loads (i.e., 6Ω and 8Ω electric loads).

1.介绍

可再生能源系统对世界的生态，经济和政治事项具有重要的优势[1］．据估计，可再生能源可能会占世界电力市场的三分之一的电力市场份额和中间的燃料的五分之五世纪。此外，转移到可再生能源经济将导致在经济方面未量化的重大环境和其他优势。

预测到2050年二氧化碳（CO₂)全球的排放量将减至1985年水平的75%，这是由于能源的有效利用及广泛采用可再生能源[2］．

太阳能可再生能源系统比传统的能源更环保。利用太阳能系统的优势分为两大类：生态和社会经济问题。从生态方面，使用太阳能技术的使用具有各种积极影响，包括减少温室气体排放（如CO）₂， ）有毒气体排放(SO₂，微粒），防止土壤污染，减少传输成本，以及水资源质量的提高[3.- - - - - -8］．太阳能技术的优势包括能量独立性，就业机会创造[4，5]加速孤立领域农村社区的电气化，以及能源供应的多样化和安全性（稳定性）[4，5，9］．

光伏系统有时称为太阳能电池已发现广泛应用，因为它们很简单，具有紧凑，具有高功率 - 重量比[10.］．光伏电池的行为比电压源更像电流源。这意味着在光伏电池的电流输出随太阳溶解的增加而增加时，电压输出与太阳能缺失的变化无关紧要[11.]，这一信息在特定应用的光伏板的尺寸上是有价值的。

光伏电池的输出特性主要取决于太阳能缺失。太阳辐照度和电池工作温度的变化将非线性地影响电流电压以及PV模块的电源电压特性[12.］．除了两个参数（即，太阳辐照度和单元工作温度）之外，PV模块的性能取决于I-V平面上的操作点。强制PV模块在最大功率点（MPP）附近运行，导致更高的效率。因此，为了从PV模块中提取最大功率输出，它可以通过最大功率点跟踪（MPPT）控制器来控制[13.］．MPPT控制器跟踪来自光伏板的最大可能功率[14.］．因此，使用MPPT控制器是优化PV模块性能的一种方式。

已经进行了几项研究，重点在MPPT电路的帮助下专注于PV系统的优化。Reshef等人。［15.使用MPPT控制器调查了太阳能阵列尺寸的优化，用于水泵应用。singh等。［16.]，Lujara等。［17.]和ghoneim [18.[研究了PV水泵系统优化MPPT控制器的重要性。Veeresh S G等人。［19.]用最大电导法工作的最大功率点跟踪控制器对光伏板的优化建模。然而，在没有MPPT控制器的光伏板优化方面存在研究空白。本文的研究工作正是为了填补这一空白。本文利用电阻匹配技术对光伏板进行优化设计。

在直接耦合光伏系统的情况下，电力负载对光伏组件的性能有影响。也许，电阻匹配技术是优化光伏组件性能的一种方法。本文研究了负载对光伏组件效率的影响。本研究的目的是通过电阻或阻抗匹配技术，为光伏系统的最佳使用做出贡献。众所周知，一些光伏系统可以直接耦合到光伏板;在这些情况下，一旦负载(如电动机)的阻抗已知，本文所演示的技术可以用来选择特定天气条件下特定负载的光伏组件。在本研究中，模拟了一种特殊的光伏板/组件Kyocera 200GT在Jigjiga天气条件下的各种电负荷，并研究了与该板配合良好的电负荷。

2.研究区

埃塞俄比亚联邦民主共和国(FDRE)是非洲东部的一个非沿海国家，其北邻厄立特里亚，西邻苏丹，南邻肯尼亚，东邻索马里和吉布提;位于北纬3°24 '到北纬14°53 '，东经32°42 '到东经48°12 '的地理坐标范围内(见图)1）.它覆盖了9个州的1120,000平方公里[20.］．

该研究在位于9.35°纬度和42.8°经度坐标的Jigjiga地区的天气状况下进行。

3. PV器件的建模特性

本节的目的是根据制造商的规格确定PV面板/模块在电流-电压平面和功率-电压平面上的详细电气特性，以便PV面板的输出可以在特定的电气负载下进行预测。

3．1．理想的光伏电池

数字2显示了理论光伏电池的等效电路，而图3.给出了一个实用PV器件的等效电路，包括串联和并联电阻。以及来自半导体理论的基本方程数学上描述了- - - - - -理想PV电池的特性是 在哪里为入射光产生的电流(与太阳照射成正比)，是肖克利二极管方程，为二极管的反向饱和电流或漏电流，是电子电荷（1.60217646×10⁻¹⁹C),是boltzmann常数（1.3806503×10⁻²³J / K），(开尔文)是- - - - - -结,为二极管理想常数。

3.2。模拟光伏模块

所有光伏板制造商都提供产品的基本电气参数，即最大功率点的电压( ），标称开路电压( ），标称短路电流( ），最大功率点的电流( ），短路电流的温度系数（ ），开路电压的温度系数（ ），最大输出功率( ）.这些参数是参照太阳辐照和电池温度的标准试验条件(STCs)测量的。基本的电气参数不足以研究光伏板的性能。因此，找出详细的电特性来模拟光伏板的性能是至关重要的。

基本方程（1）基本的PV细胞不确定- - - - - -实用光伏组件的特性。实用模块由几个连接的PV电池组成，观察PV组件的终端特性需要在基本方程中包含额外的参数[21.］． 在哪里和是模块和模块的光伏（PV）和饱和电流 是模块的热电压（ ）连续连接的单元数。

二极管饱和电流它对温度的依赖表示为[21.］ 在哪里是半导体的带隙能量(在25°C时为多晶Si = 1.12 EV），是标称饱和电流，二极管理想度常数的值通常在1≤a≤1.5之间，并且对于硅 - 多材料，它约为1.3 [22.]： 与是热电压在标称温度下系列连接电池 ．

PV电池产生的光电流与太阳照射成线性关系，也受温度的影响，如下式所示[22.]： 在哪里(安培)是在标称条件下(通常是25°C和1000 W/m)产生的光电流²）， （和作为基于Kelvin的实际和标称温度），（每平方米的瓦特）是设备表面的照射，是标称辐照。

标称产生光电流可以用以下准确等式表示[22.］． 因此,方程(3.)可用制造商资料表(和 ），常数（a，q， ， ），和外部影响因素辐射和温度(T, G)，而内部影响参数(和 ）仍然是未知的。

Marcelo G.等。［21.]提出了一种有趣的调整方法和基于只有一对的事实 这确保了 在( ， ）I-V曲线的点;即，由等式I-V型号计算的最大功率（3.）（ ）等于来自数据表的最大实验功能（ ）在MPP(其中MPP是一个最大功率点，这意味着一个点，太阳能电池板的功率输出将是最大的)。

在标称温度和太阳辐射下计算太阳能电池板的最大电流输出（在25°C和1000 w / m时²）可以使用（3.), 在哪里是MPP（最大功率点）的电压和STC模块的热电压目前在MPP。

等式（8)，将分流电阻与其他变量表示如下: 从(9）不仅表达了诸如 ， ，和 ，而且还在标称最大功率点（即和 ）和 ；因此，由于对值导致的结果（即，和 ）肯定会通过名义最大功率点。在提出的方法的帮助下Marcelo G.等。［21.]，设计了确定光伏板电特性的详细数值算法，如图所示4．

4. PV模块的工作温度和效率

根据部分中的等式3.（看 （3.） 至 （7））;太阳辐照强度（g）和电池工作温度（t）是两个关键参数，其非线性地影响电流 - 电压以及PV模块的电源电压特性。为了模拟PV模块的电气特性及其电力输出，首先需要确定光伏模块的单元工作温度（T）。

必须考虑标准传热力学，以计算电池模块上的能量平衡，导致细胞温度的预测。在稳态条件下，通常仅考虑对流和辐射机构，因为它们在传导机构上普遍存在于仅将热朝向安装框架的表面传送（特别是在机架安装自由静态阵列的情况下）。用标准天气变量和材料与系统依赖性特性提出文献链接细胞温度明确和隐含相关性的调查[23.］．

许多文献中存在大量经验相关性，其应用程序似乎是最佳和最简单的。因此，选择了一个明确的等式，取决于易于测量的参数，并且具有广泛的适用性。对于环境温度和辐照度的变化，可以通过线性近似可以确定地估计细胞温度（在°C）[24.]： 在哪里光伏组件的电池工作温度是否随太阳辐射强度而决定光伏板的性能和为标称电池工作温度，这是特定PV组件计算电池工作温度的参考温度( ）它由制造商的规范给出。标称细胞温度（ ）被定义为标称陆地环境（NTE）条件下的细胞的温度[24.]:太阳能辐照度= 800 W / m²,环境温度= 20℃，平均风速1m /s。因此,方程(10.）可以表示如下： 太阳能组件的功率转换效率为 在哪里和是光伏模块的电流和电压输出对应于太阳能强度和细胞温度，和为太阳能电池板组件面积(KC200GT太阳能组件的尺寸可在制造商的规格中找到)

5.方法论

本文实施的方法是一种图形技术，用于找到PV面板的操作点。

当一个阻性负载连接到PV模块上时，模块的运行点(即电流输出和电压输出)由PV模块的I-V特性曲线(见Section)的交点决定3.）和负载曲线的I-V特征（从着名的简单电相关，即V = IR确定）。根据电相关（即，V = IR），负载曲线（其为直线）的斜率表示为I-V平面上的1 / R。操作点取决于r的值（见图5为了视觉理解）[12.］．

数字5描绘了对于较小的电阻载荷，由于辐射强度增加，操作点将连续移动到每个曲线的最大功率点（MPP），因为它被点A，B和C指向;因此，效率将不断改进。相反，对于较高的电阻负载，操作点不会朝向MPP连续移动，而是首先朝向MPP移动，然后它移动远离PPP，如点D，E和F所指向的。因此PV面板将首先改善，随着辐射强度连续增加，它滴落。

6.结果与讨论

本文在恒负载和Jigjiga天气条件下，对一个特殊的光伏组件(Kyocera 200gt)进行了建模。因此，提供了埃塞俄比亚国家计量局以15分钟差量测量的年温度和全球辐射数据(即pyranometer)。

6.1。所选PV模块的计算机程序的输出结果

选择一个光伏组件作为建模的参考实例，因为它非常适合于传统的光伏应用，即KC200GT。

使用制造商数据表测试所提出的模型。数字6和7使用制造商Kyocera提供的信息，为产品KC200GT显示Kyocera家族太阳能组件的不同模拟。

I-V曲线(如图所示6）描绘了光伏模块的电流与电压特性的仿真结果，其具有25°C的操作电池温度和有效的辐照度水平变化（即，200W / m²400 w / m²600 w / m²，800w / m²和1000w / m²）.该图显示了PV面板短路电流的增加，随着辐射强度的增加。同样，P-V曲线（图7）显示不同有效辐照度水平和25°C细胞温度的功率与电压特性。它显示PV面板的最大功率输出增加，随着辐射强度的增加。可以验证图中的I-V曲线6和图中的P-V曲线7非常类似于I-V和P-V曲线Marcelo G.等。［21.］．

数字8给出了光伏组件KC200GT在不同工作温度(25°C、50°C、75°C)下，辐照水平为1000W/m时的I-V曲线仿真结果²．该图描绘了短路电流的微不足道的升高，而PV面板的开路电压大幅下降随细胞温度的增加。数字9显示温度对光伏模块在1000W / m的恒定辐照度水平下通过光伏模块提供的最大功率的不利影响²．

6.2。在倾斜面板上的全球辐射的每小时变化

平板光伏系统(如KC200GT)不使用聚焦装置，所以所有三个组件——光束、漫反射和反射——都可以帮助收集能量;因此，我们必须在模块温度和发电分析中使用全局辐射[25.］．

用夸山仪测量总辐射强度（即全球辐射），从而测量水平表面上的辐射强度。然而，面对赤道的收集器（对于我们的案例，Jigjiga位于北半球;这意味着面向南方），并以等于当地纬度的角度倾斜，这是一个良好的年度绩效拇指[25.];因此，它将令人信服地将我们的系统倾斜到其最佳角度（即，以等于局部纬度的角度）并基于倾斜角度进行分析。数字10.在最佳倾斜的面板上显示全球范围或全辐射的每小时变化。

6.3。PV模块工作温度的每小时变化

等式（11.)可以根据NOCT和环境变量(即环境温度和辐射强度)来建模PV组件的工作温度。数字11.表示所考虑天数(即1月1日、4月1日、7月1日、10月1日)光伏组件工作温度的变化。

6.4。PV模块的电动性能的每小时变化

本文对典型的光伏组件(即京瓷200GT)进行了恒载和Jigjiga天气条件下的建模。数字12.，13.，14.， 和15.描述了在2Ω电力负载下选定月份的第一个日期，PV模块的电压、电流、输出功率和转换效率的每小时变化。

对于2Ω负载，随着辐射强度的增加，其所有电气特性(电压、电流、功率输出以及效率)都将不断增加，随着辐射强度的降低，其电气特性将不断降低。因为随着辐射的增加，工作点从较小的I-V曲线跳跃到较高的I-V曲线。同样，正如章节中提到的5，对于较小的电力负载，工作点将不断向最大功率点移动;因此效率会不断提高(见图)5）.

6.5。电力负荷对光伏板性能的影响

数字16.和17.描绘KC 200GT PV模块的电气性能的变化，用于不同的电负载（即2Ω，4Ω，6Ω和8Ω电阻）和1月的天气状况 ．

根据图16.，4Ω电负载导致理想的效率。它导致PV模块的持续时间更高的PV模块的操作效率，即太阳辐射强度最高的时间。可以通过数字进一步检查此索赔17.(表示不同负载下光伏模块输出功率的小时变化)。的图,4Ω电负载导致的最高输出功率从上午10点到下午3点比其他电动加载时间间隔,该场景背后的原因是,光伏面板操作相对接近最大功率点的时间间隔时,连接到4Ω。则6Ω负载在4Ω负载旁边的时间间隔内输出功率较好。

此外,图16.显示U形效率曲线，用于6Ω和8Ω电负载，用于辐射强度最高的时间间隔。此结果断言截面中所述的概念5即，对于更高的电阻负载，PV面板的效率随着工作点移动超过最大功率点而下降。

要根据电力负载来判断光伏组件的更好性能，功率输出并没有给我们一个清晰的画面。如果一个电力负载在某段时间内输出更好的功率，这并不意味着它在所有时间内都表现更好。因此，为了有一个清晰的图片，我们必须比较光伏组件的能量输出为每个电力负载。下面的公式可以帮助分析光伏组件的日能量输出。它计算了图中曲线下的面积17.： 在哪里在电荷下的PV面板的日常能量输出，计算功率输出，和执行计算的时间间隔。

数字18.将PV模块的日常能量输出描述为1月份的前12天，低于2Ω，4Ω，6Ω和8Ω电负载。根据该图，4Ω电负载导致每月前10天的所有其他电负载之间的最高能量输出。在一月 ，它具有与6Ω电负载相同的能量输出，但在1月份通过6Ω和8Ω电负载结束。2Ω电负载的能量输出比所有其他电荷的最低能量输出，用于本月所有内容。2Ω电负载的能量输出比所有其他电荷的最低能量输出比全部内容为期一月。

从这个结果可以得出结论，所有环境条件都不支持一直有利于单一的电荷，但我们可以比较光伏模块的年度性能，以判断哪个电荷将优化PV面板的运行。

7.结论和建议

以往大多数关于太阳能光伏系统的研究论文只关注利用单二极管电模型对光伏系统的电特性进行建模，并研究了环境参数(辐射强度和电池温度)对光伏系统性能的影响。在直接耦合光伏系统的情况下，电力负载对光伏系统的性能也有影响。也许，电阻匹配技术是优化光伏系统性能的一种方法。在本研究中，除了研究环境参数外，还以实际环境参数为基础研究了电力负荷对光伏系统性能的影响。

基于品尝迭代技术（以前的研究论文推荐），执行PV面板的建模。在真实天气条件下模拟典型PV面板的电气性能的每小时变化。在不同的电负载下比较PV面板的性能。4Ω电负载导致PV面板的最佳运行性能每天为1月11天（每月拍摄的12天），但在最后一天它导致了poorer performance with respect to the other two electrical loads (i.e., 6Ω and 8Ω electric loads). Hence it is concluded that every weather condition does not favor a single load all the time.

数据可用性

用于支持本研究结果的气象数据包括在补充信息文件中。

的利益冲突

提交人声明他们没有关于本文的出版物的利益冲突

致谢

作者要感谢Jigjiga大学支持这项研究。

补充材料

本研究中所附的一份辅助材料是研究中使用的埃塞俄比亚国家气象局提供的年度太阳辐射和温度数据的Excel文件（补充材料）

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