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太陽能電池陣模擬器設(shè)計(jì)方案

作者: 時(shí)間:2011-09-14 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
1 引言

  發(fā)電一種新興的可再生能源。目前,在航天電源領(lǐng)域內(nèi),絕大多數(shù)衛(wèi)星電源均使用作為其動力核心。衛(wèi)星電源的性能直接影響到衛(wèi)星的性能和工作壽命,對衛(wèi)星的正常運(yùn)行和使用也有重大的影響。因此,為了提高電源系統(tǒng)的性能和可靠性,對衛(wèi)星電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真和測試評估具有十分重要的意義。

  衛(wèi)星的空間工作條件惡劣且復(fù)雜,溫度范圍大,日照條件變化迅速,且方陣處于高能粒子輻射下,在地面上無法采用實(shí)際的太陽能方陣來再現(xiàn)衛(wèi)星在空間軌道中的工作狀態(tài),因此需要采用太陽能電池模擬器(Solar Array Simulator,簡稱SAS)來模擬太陽能電池陣在空間的工作狀況。SAS是衛(wèi)星電源的重要組成部分,其主要任務(wù)是真實(shí)地遵循太陽能電池方陣在各種復(fù)雜空間條件下的實(shí)際輸出特性曲線,在衛(wèi)星的地面測試階段代替太陽能電池方陣為衛(wèi)星上的各分系統(tǒng)供電。

  2 太陽能電池的數(shù)學(xué)模型

  根據(jù)太陽能電池原理和圖1 所示的實(shí)際測量結(jié)果建立了多種模型,用于太陽能電池的測試和應(yīng)用研究。事實(shí)證明,這些模型具有足夠的工程精度。

太陽能電池實(shí)測I-U曲線特性

  2.1 單指數(shù)模型

  圖2 示出太陽能電池的等效電路。

太陽能電池的等效電路

  Iph 取決于太陽能電池各工作區(qū)的半導(dǎo)體材料性質(zhì)和電池幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)以及入射光強(qiáng)、表面反射率、前后表面復(fù)合速度、材料吸收系數(shù)等。由于器件的瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間相比于絕大多數(shù)光伏系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)顯得微不足道,因此分析中可忽略結(jié)電容。設(shè)定圖中所示的電壓、電流為正方向,由固體物理理論和全電路歐姆定律即可推出目前常用的單指數(shù)形式的太陽能電池模型:

公式

  式中:I0———二極管反向飽和電流;q———電子電荷;I———電池的輸出電流;K———波爾茲曼常數(shù);T———絕對溫度;A———二極管品質(zhì)因子(曲線因子),一般A=1~2:

  2.2 雙指數(shù)模型

  在單指數(shù)模型中,在不同的電壓范圍內(nèi),決定IVD 的因素也不同。當(dāng)電壓較高時(shí),IVD 主要由電中性區(qū)的注入電流決定;當(dāng)電壓較低時(shí),IVD 主要由空間電荷區(qū)的復(fù)合電流決定。為了提高模型精度,可以綜合考慮這兩種情況,在等效電路中用兩個參數(shù)不同的二極管來產(chǎn)生這兩個電流,如圖3 所示。

太陽能電池雙指數(shù)模型

  兩個二極管產(chǎn)生的暗電流IVD1,IVD2 可分別表示成一個指數(shù)式的形式,這就是雙指數(shù)太陽能電池理論模型,其表達(dá)式為:

公式

  式中:I01,A1———電中性區(qū)的飽和電流及完整性因子;I02,A2———空間電荷區(qū)的飽和電流及完整性因子

  該模型不僅考慮了Rs 和Rsh 對太陽能電池性能的影響,而且用指數(shù)的形式概括地表示了不同機(jī)制下產(chǎn)生的IVD,并將不同電壓范圍內(nèi)的IVD 決定因素也考慮在內(nèi),因而具有更高的精度。

  2.3 工程應(yīng)用的模型

  上述單指數(shù)和雙指數(shù)模型是基于物理原理的最基本的解析表達(dá)式,已被廣泛應(yīng)用于太陽能電池的理論分析中。但由于表達(dá)式中的參數(shù),包括Iph,I0(或I01,I02),Rs,Rsh 和A(或A1,A2)與電池溫度和日射強(qiáng)度都有關(guān),確定起來十分困難,因此不便于工程應(yīng)用,在太陽能電池供應(yīng)商向用戶提供的技術(shù)參數(shù)中也不包括這些參數(shù)。

  工程用模型強(qiáng)調(diào)的是實(shí)用性與精確性的結(jié)合。

  實(shí)際應(yīng)用中,在設(shè)計(jì)各種系統(tǒng)時(shí),考慮到數(shù)字仿真和模擬時(shí)的動態(tài)反應(yīng)速度及計(jì)算工作量,必須盡可能在工程精度允許的條件下簡化模型。

  工程用太陽電池的模型通常要求僅采用供應(yīng)商提供的幾個重要技術(shù)參數(shù),如短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大功率點(diǎn)電流Im、最大功率點(diǎn)電壓Um、最大功率點(diǎn)功率Pm,就能在一定的精度下復(fù)現(xiàn)陣列的特性,并便于計(jì)算機(jī)分析。

  鑒于單指數(shù)模型已足以精確描述太陽能電池的伏安特性,下面將在單指數(shù)模型的基礎(chǔ)上,通過忽略(U+IRs)/Rsh 項(xiàng)和設(shè)定Iph=Isc,得到工程實(shí)用的太陽能電池模型。忽略(U+IRs)/Rsh 項(xiàng),是因?yàn)樵谕ǔG闆r下Rsh 較大,有幾百到幾千歐,該項(xiàng)遠(yuǎn)小于光電流;設(shè)定Iph=Isc,是因?yàn)樵谕ǔG闆r下Rs 遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮琛?/P>

  此外,定義:

  ①開路狀態(tài)下,I=0,U=Uoc;

 ?、谧畲蠊β庶c(diǎn)時(shí),U=Um,I=Im。

  據(jù)此,太陽能電池的I-V 方程可簡化為:

公式

  在最大功率點(diǎn)時(shí),U=Um,I=Im,可得:

公式

  由于在常溫條件下exp[Um/(C2Uoc)])1,因此可忽略式中的“- 1”項(xiàng),解出:

公式

  注意到開路狀態(tài)下,當(dāng)I=0 時(shí),U=Uoc,于是有:

公式

  可見,該模型只需輸入太陽電池通常的技術(shù)參數(shù)Isc,Uoc,Im,Um,即可求出C1 和C2。從Isc,Uoc,Im,Um的變化中可體現(xiàn)出光照強(qiáng)度和電池溫度的變化。工程應(yīng)用中可通過實(shí)測曲線來設(shè)置這4 個參數(shù),亦可通過近似的函數(shù)來描述這組參數(shù)的變化。通常可近似認(rèn)為Isc,Uoc 分別隨溫度和光照強(qiáng)度呈線性變化。



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