曲春英

（海南師范大學(xué)，海南 ?？?571158）

據(jù)國(guó)家能源局相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2023年，我國(guó)光伏電池產(chǎn)量達(dá)到541.16 GW，同比增長(zhǎng)54%，在工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域當(dāng)中占據(jù)了關(guān)鍵性地位。作為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中的關(guān)鍵性組件，光伏電池運(yùn)行過程當(dāng)中的影響要素較為復(fù)雜，有關(guān)研究者以及技術(shù)團(tuán)隊(duì)需要從實(shí)際出發(fā)針對(duì)不同環(huán)境條件下光伏電池的輸出表現(xiàn)情況進(jìn)行綜合分析，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)組織開展相關(guān)研究，同時(shí)為光伏電池的功率輸出與運(yùn)行提供更加合理的解決方案。

1 光伏電池的主要工作原理

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，光伏電池的工作原理也在逐步升級(jí)變化。現(xiàn)階段市場(chǎng)環(huán)境下常見的光伏電池主要分為單晶硅電池以及多晶硅電池兩種主要類別，基于半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)，能夠使材料內(nèi)部電荷數(shù)量產(chǎn)生變化，使材料不同部位之間產(chǎn)生電勢(shì)差，進(jìn)而形成電流輸出，實(shí)現(xiàn)發(fā)電目標(biāo)。

為了更加清晰地針對(duì)光伏電池的工作原理進(jìn)行梳理與分析，基于特殊模型進(jìn)行分析與解釋。在硅原子外部共有14個(gè)電子圍繞，而其內(nèi)部10個(gè)電子則會(huì)被原子核束縛，因此在外部環(huán)境因素刺激與影響下，外層四個(gè)電子可能會(huì)轉(zhuǎn)化成為自由電子，其原有的位置則會(huì)成為空穴，并與電子的極性相反。當(dāng)N硅與P硅相結(jié)合時(shí)，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，而N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在這一過程當(dāng)中，N區(qū)帶正電，P區(qū)帶負(fù)電，半導(dǎo)體材料內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)，材料兩端產(chǎn)生電壓，當(dāng)光子能量超出半導(dǎo)體禁帶寬度時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生電流。為了進(jìn)一步展現(xiàn)出半導(dǎo)體光伏材料的電學(xué)性能，充分降低材料內(nèi)部電阻，使其能夠在工業(yè)發(fā)電領(lǐng)域得到更加廣泛地應(yīng)用，將上述材料制成板狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用導(dǎo)線對(duì)負(fù)載進(jìn)行外接，形成光伏電池。

在針對(duì)光伏電池輸出特性以及最大功率進(jìn)行試驗(yàn)研究的同時(shí)，應(yīng)分別遵循《光伏組件耐久性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》（IEC61215-2：2021）、《光伏組件安全認(rèn)證》（IEC61730-1：2016）、《光伏組件性能測(cè)試和能效評(píng)定》（IEC61853-1-2018）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件。

2 模型構(gòu)建與分析

2.1 等效物理模型構(gòu)建

基于上文可知，光伏電池的運(yùn)行原理乃至工作模式主要基于半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)，當(dāng)外部光照強(qiáng)度不變時(shí)，材料所產(chǎn)生的光生電流同樣也較為穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生大幅度的波動(dòng)與變化。因此，在等效物理模型構(gòu)建的同時(shí)，可將光伏電池作為理想狀態(tài)下輸出恒定的電源，并能夠基于負(fù)載提供相應(yīng)電能支持。在這一過程當(dāng)中產(chǎn)生端電壓與電流，電流與光生電流方向相反。除此之外，受到材料、工藝以及環(huán)境特性等相關(guān)因素的影響，在光伏電池運(yùn)行和工作過程當(dāng)中，還可能會(huì)產(chǎn)生一定程度上的電阻，導(dǎo)致電流在光伏電池材料當(dāng)中的流動(dòng)產(chǎn)生一定阻礙。具體電阻類別包括純電阻、旁漏電阻等。因此，光伏電池的運(yùn)行原理以及工作模式可基于以下公式進(jìn)行表述：

式中，I代表光伏電池運(yùn)行工作過程當(dāng)中所產(chǎn)生的電流，U代表光伏電池運(yùn)行過程當(dāng)中所產(chǎn)生的電壓，Ish代表流經(jīng)電阻的電流量，Rsh代表旁漏電阻數(shù)值，Rs代表不同材料之間連接過程當(dāng)中所產(chǎn)生的串聯(lián)電阻，Iph表示理想狀態(tài)下恒定不變的光生電流數(shù)值，Id表示端電壓引發(fā)的電流。

通過光伏電池運(yùn)行過程等效物理模型的構(gòu)建，能夠在一定程度上較為直觀地將電池的工作原理以及能源轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行展現(xiàn)，從而為相關(guān)研究的開展提供相應(yīng)支持。

2.2 工程用數(shù)學(xué)模型

在實(shí)際工程運(yùn)行過程當(dāng)中，為進(jìn)一步考慮到成本、環(huán)境以及系統(tǒng)可靠性等相關(guān)要素的影響，在模型建構(gòu)的過程當(dāng)中，還應(yīng)當(dāng)遵循可行性原則，將開路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)電流以及最大功率點(diǎn)電壓等四項(xiàng)基本參數(shù)納入模型當(dāng)中，確保最終分析結(jié)果與光伏電池實(shí)際運(yùn)行情況之間的一致性，使其能夠更好地為光伏電池的設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理提供相應(yīng)參考。

在光伏電池實(shí)際運(yùn)作過程當(dāng)中，光生電流量往往顯著高于流經(jīng)電阻電流量，因此實(shí)際工程用模型內(nèi)部可適當(dāng)忽略電阻值所造成的影響。此外，在分析實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，將光生電流量與短路電流量設(shè)定為同值，確保最大功率點(diǎn)電流、電壓符合實(shí)際狀況。最終可得電壓、電流數(shù)值模型為：

式中，Isc為短路電流值，Uoc為開路電壓值，Im為最大功率點(diǎn)處電流值，Um為最大功率點(diǎn)處電壓值?；谏鲜娇傻?，在掌握理想狀態(tài)下光照強(qiáng)度以及電流電壓情況下，即能夠通過相關(guān)公式與模型針對(duì)最大功率點(diǎn)部位的電流與電壓數(shù)值進(jìn)行推算，使研究者以及技術(shù)團(tuán)隊(duì)能夠掌握光伏電池工作運(yùn)行過程當(dāng)中電壓與電流之間的函數(shù)關(guān)聯(lián)，為后續(xù)分析和研究提供相應(yīng)支持。

2.3 實(shí)驗(yàn)與特性分析

從上文能夠得知，基于太陽(yáng)能光伏電池實(shí)際運(yùn)行原理以及運(yùn)行狀況，分別基于理想狀態(tài)下以及工程實(shí)際情況分別給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型以及推算過程，使仿真實(shí)驗(yàn)研究工作的開展能夠獲取到充分的信息資料，為相關(guān)研究工作的開展提供了更加堅(jiān)實(shí)的支持。

首先，為保障仿真實(shí)驗(yàn)研究工作的順利開展，需要針對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及研究環(huán)境進(jìn)行選定。在本次研究過程當(dāng)中，為兼顧最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠以及實(shí)驗(yàn)分析流程的便捷高效，選用Matlab平臺(tái)當(dāng)中Simulink工具提供相應(yīng)支持，結(jié)合平臺(tái)相關(guān)工具功能，能夠?qū)⒑侠淼碾姵剡\(yùn)行參數(shù)導(dǎo)入到上文所搭建的相關(guān)模型當(dāng)中，并開始進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，給出相應(yīng)仿真結(jié)果并總結(jié)相關(guān)規(guī)律。

其次，需要針對(duì)仿真對(duì)象進(jìn)行分析，在針對(duì)太陽(yáng)能光伏電池進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析的過程當(dāng)中，所選擇的實(shí)驗(yàn)對(duì)象以及仿真對(duì)象應(yīng)兼顧代表性與可行性，本次實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中選用CSUN200-72M光伏電池的運(yùn)行情況開展仿真實(shí)驗(yàn)，基于該型電池運(yùn)行情況以及性能指標(biāo)，將模型最大功率點(diǎn)電壓值設(shè)定為37.6 V，最大功率點(diǎn)電流值設(shè)定為5.32 A，開路電壓值設(shè)定為45.3 V，短路電流值設(shè)定為5.72 A，整個(gè)電池系統(tǒng)最大功率設(shè)定為200 W。

最后，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)研究最終結(jié)果給出相應(yīng)特性總結(jié)與分析。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行條件下，光伏電池的電流與電壓曲線呈現(xiàn)出先平緩發(fā)展后突然下降的趨勢(shì)，在光照條件、溫度條件標(biāo)準(zhǔn)化，電壓值在0～30 V的條件下，光伏電池電流值長(zhǎng)期保持在5.7 A左右的水平，而在電壓值為30～45 V區(qū)間時(shí)，光伏電池電流值急劇下降，從5.7 A劇烈下降至0，因此標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下光伏電池的I/U并不存在線性關(guān)系。另外，從電池P/U關(guān)系仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，其函數(shù)曲線呈現(xiàn)出先生后將的特性，其中，當(dāng)光伏電池電壓從0 V提升至35 V時(shí)，電池的輸出功率從0大幅度攀升至200 W，而當(dāng)電壓達(dá)到37 V時(shí)，電池輸出功率開始下降，最終在電壓達(dá)到45 V時(shí)功率為0。在此基礎(chǔ)上，由于太陽(yáng)能光伏電池日常運(yùn)行工作過程當(dāng)中外界環(huán)境因素可能會(huì)帶來較為顯著的影響，因此溫度與光照強(qiáng)度的變化對(duì)于參數(shù)關(guān)聯(lián)曲線也會(huì)產(chǎn)生一定影響，其中，當(dāng)光照強(qiáng)度相同時(shí)，不同溫度下電流電壓曲線當(dāng)中的極值以及下降閾值均發(fā)生了相應(yīng)變化。

建模與計(jì)算過程當(dāng)中，應(yīng)嚴(yán)格遵循《光伏發(fā)電系統(tǒng)模型及參數(shù)測(cè)試規(guī)程》（GB/T 32892-2016）、《光伏發(fā)電系統(tǒng)建模導(dǎo)則》（GB/T 32826-2016）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件。

3 最大功率點(diǎn)跟蹤仿真

研究團(tuán)隊(duì)以及技術(shù)人員還需要針對(duì)電池最大功率點(diǎn)的運(yùn)行和工作狀態(tài)進(jìn)行跟蹤研究，并為相關(guān)方案的建設(shè)提供參考和依據(jù)。

3.1 MPPT控制策略

作為光伏電池技術(shù)研究領(lǐng)域當(dāng)中的重要組成部分，基于最大功率點(diǎn)進(jìn)行的跟蹤仿真工作同樣也具備關(guān)鍵性作用。常見的跟蹤仿真技術(shù)手段涵蓋了擾動(dòng)觀測(cè)、電導(dǎo)增量等幾種不同方式，具體流程如下。

3.1.1 擾動(dòng)觀測(cè)

在太陽(yáng)能光伏電池的工作和運(yùn)行過程當(dāng)中，其內(nèi)部電壓與功率的關(guān)系往往呈一定規(guī)律變化特點(diǎn)，及時(shí)掌握電池電壓功率的函數(shù)變化曲線，對(duì)于明確最大功率點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行工況，同時(shí)做好光伏電池的運(yùn)行管理與調(diào)節(jié)具有關(guān)鍵性作用。

在本次研究過程當(dāng)中，結(jié)合案例太陽(yáng)能光伏電池的電壓功率波動(dòng)特性，選取了四個(gè)跟蹤觀測(cè)點(diǎn)位，并針對(duì)觀測(cè)過程當(dāng)中光伏電池的電壓狀態(tài)以及輸出功率變化情況進(jìn)行記錄，結(jié)果顯示，在最大功率點(diǎn)前，隨著光伏電池電壓值的不斷增大，電池的輸出功率同樣也呈提升趨勢(shì)，功率與電壓之間成正比關(guān)系，到達(dá)最大功率點(diǎn)后，隨著電壓值的不斷增加，電池的輸出功率值開始下降，因此在太陽(yáng)能光伏電池運(yùn)行管理與協(xié)調(diào)過程中，需要結(jié)合電池形態(tài)掌握其最大功率點(diǎn)性能指標(biāo)以及性能參數(shù)，同時(shí)做好現(xiàn)場(chǎng)電池運(yùn)行監(jiān)控工作，在輸出功率到達(dá)最大功率點(diǎn)之前，應(yīng)持續(xù)增加電池電壓，使其能夠逐步達(dá)到最佳工作狀態(tài)，而當(dāng)電壓超出閾值導(dǎo)致功率下降時(shí)，則應(yīng)當(dāng)按照光伏電池運(yùn)行特性適當(dāng)減少電壓，確保其輸出功率達(dá)標(biāo)。

由于這一觀察與實(shí)驗(yàn)方法的流程較為簡(jiǎn)便，最終效果較好，因此在太陽(yáng)能光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤研究相關(guān)領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用較為廣泛，但這一策略與方法依然存在一定不足與局限性，受到該方法模式的影響，導(dǎo)致其跟蹤過程當(dāng)中可能會(huì)出現(xiàn)一定的電能浪費(fèi)，對(duì)光伏電池的應(yīng)用和運(yùn)行效益造成一定影響。

3.1.2 電導(dǎo)增量

從太陽(yáng)能光伏電池輸出功率特性及其P/U曲線關(guān)系來看，其呈現(xiàn)出先升后降的特點(diǎn)，因此在整個(gè)電壓功率發(fā)展過程當(dāng)中，僅具備單一的關(guān)聯(lián)峰值，因此該點(diǎn)即為太陽(yáng)能光伏電池最大功率點(diǎn)，考慮到電能物理特性等相關(guān)因素的影響，為了更好地獲取到最大功率點(diǎn)部位電壓情況，使太陽(yáng)能光伏電池能夠始終處于理想的運(yùn)行與工作狀態(tài)下，提升電池的應(yīng)用效益，減少其應(yīng)用成本，技術(shù)人員以及研究團(tuán)隊(duì)可基于電導(dǎo)增量的方式針對(duì)電壓功率之間的關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行進(jìn)一步分析，明確掌握電導(dǎo)變化量以及瞬時(shí)電導(dǎo)值大小情況，并以此針對(duì)最大功率點(diǎn)的電壓電流情況做出分析與判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能光伏電池運(yùn)行工況的及時(shí)識(shí)別、跟蹤與分析。

在針對(duì)電導(dǎo)增量法進(jìn)行應(yīng)用的過程當(dāng)中，研究人員應(yīng)當(dāng)選取合適的工作點(diǎn)，并明確工作點(diǎn)位當(dāng)中的電壓與電流情況，同時(shí)進(jìn)行微分計(jì)算，從而明確不同工況狀態(tài)下光伏電池的功率輸出特點(diǎn)，為電池工作方案的規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供支持。作為一種穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性較好的跟蹤研究方法，采用電導(dǎo)增量法針對(duì)太陽(yáng)能光伏電池的電壓、功率等指標(biāo)參數(shù)特性展開分析與研究，能夠更加直觀地明確光伏電池的運(yùn)行狀態(tài)以及輸出特性，并且能夠及時(shí)掌握外部環(huán)境變化如光照條件以及溫度情況對(duì)于電池功率輸出產(chǎn)生的相關(guān)影響，使光伏電池的協(xié)調(diào)控制更加規(guī)范合理。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，采用電導(dǎo)增量法針對(duì)光伏電池的運(yùn)行工況進(jìn)行研究，能夠針對(duì)0.01 s以內(nèi)電池的電壓、功率狀態(tài)變化情況進(jìn)行判斷與分析，及時(shí)掌握溫度情況以及光照條件變化對(duì)于功率極值及其曲線所造成的影響，但受到步長(zhǎng)因素的影響，導(dǎo)致光伏電池的功率跟蹤結(jié)果可能會(huì)發(fā)生一定變化，對(duì)其精度可能會(huì)產(chǎn)生一定影響。

仿真分析過程當(dāng)中，需要遵循《村鎮(zhèn)光伏發(fā)電站集群控制系統(tǒng)仿真測(cè)試技術(shù)要求》（GB/T 40616-2021）等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上文給出了兩種針對(duì)太陽(yáng)能光伏電池進(jìn)行的最大功率點(diǎn)跟蹤研究方法，在研究結(jié)果精度以及跟蹤流程便捷性等方面呈現(xiàn)出一定的差異。因此為了更好地針對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤研究方式進(jìn)行選擇，保障最終研究結(jié)果與太陽(yáng)能光伏電池輸出情況的一致性，技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及研究人員還應(yīng)當(dāng)基于仿真實(shí)驗(yàn)的方式提供更加準(zhǔn)確的依據(jù)和數(shù)值，使技術(shù)方法的選擇以及光伏電池運(yùn)行方案的調(diào)控更加合理。

文章基于擾動(dòng)觀測(cè)的方式開展仿真研究，將研究周期定為T，將步長(zhǎng)定為δd，分別結(jié)合太陽(yáng)能光伏電池的實(shí)際情況進(jìn)行了三次取值，同時(shí)針對(duì)不同點(diǎn)位電壓與功率之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果顯示，在采用擾動(dòng)觀測(cè)的方法進(jìn)行光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤研究的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到步長(zhǎng)要素對(duì)于采樣周期以及跟蹤速度所產(chǎn)生的影響，從而進(jìn)一步提升跟蹤研究方案的合理性。

4 結(jié)論

綜上所述，在太陽(yáng)能光伏電池的研究與應(yīng)用過程當(dāng)中，明確電池的輸出特性，掌握其最大功率點(diǎn)的運(yùn)行情況對(duì)于降低電池使用成本，提升電池應(yīng)用效益具有重要意義。相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及研究者應(yīng)當(dāng)從實(shí)際出發(fā)，基于國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展試驗(yàn)研究與仿真分析，進(jìn)而及時(shí)掌握光伏電池的研究策略以及研究方案，為電池系統(tǒng)的應(yīng)用提供支持。