建模和分析光伏太阳能电池板在恒电气负载

文摘

本文模拟典型的光伏面板/模块的电气性能(京瓷200 gt)恒电气负载(2Ω,4Ω,6Ω,和8Ω)热带地区的气候条件下。城市的具体案例Jigjiga (9.35°N, 42.8°E),位于埃塞俄比亚东部地区被认为是。确定光伏模块的电气特性的基础上,详细的数值算法,设计了基于测试数值技术综述文章。每小时的整体评估光伏模块的电气性能的变化是通过图形化技术,决定了光伏模块的操作点为每个负载电压和电流平面上,和太阳能电池板的性能比较每个负载。4Ω电负载导致光伏面板的日常能量输出最高每天1月份的11天(12天)考虑的,但在最后一天,这导致性能降低对其他两个电负荷(即。6Ω和8Ω电动加载)。

1。介绍

可再生能源系统有一个很大的优势在生态、经济、和政治事务的世界(1]。据估计,可再生能源将占世界电力市场的3/5,2/5的市场份额为燃料的中间世纪。此外,转向可再生能源经济将导致重大环境和其他优势在经济方面不量化。

据预测,到2050年,二氧化碳(有限公司₂)世界排放将减少75%的1985年的水平,这将导致有效的利用能源和可再生能源的广泛使用的使用(2]。

太阳能可再生能源系统比传统的更环保的能源发电。使用太阳能的优点系统分为两大类:生态和社会经济问题。从生态方面,太阳能技术的使用各种积极影响,其中包括减少温室气体排放(如有限公司₂, )和有毒气体的排放₂土壤颗粒)、预防污染、减少传输成本和改善水资源的质量(3- - - - - -8]。太阳能技术的优点包括能源的独立性,创造就业机会(4,5),加速电气化在偏远地区的农村社区,和多样化和安全稳定的能源供应4,5,9]。

光伏系统有时被称为太阳能电池发现广泛的应用程序,因为它们是简单,紧凑,有高功率重量比(10]。光伏电池的表现更像是一个比一个电压源电流源。这意味着在当前光伏电池的输出随太阳日晒的增加,输出电压将保持不变不管太阳日晒的变化(11),而这些信息是有价值的在上浆光伏面板为特定的应用程序。

光伏电池的输出特性主要取决于太阳日晒。太阳辐照度变化和细胞操作温度非线性会影响电流电压以及光伏模块的电压特性(12]。除了两个参数(即。,solar irradiance and cell operating temperature), the performance of a PV module depends on its operating point on I-V plane. Forcing a PV module to operate near Maximum power point (MPP) results in a higher efficiency. Hence, in order to extract maximum power output from a PV module it can be controlled by maximum power point tracking (MPPT) controller [13]。MPPT控制跟踪最大可能的功率从光伏面板(14]。因此,翻译使用MPPT控制器优化光伏模块的性能的一种方式。

几个研究重点优化光伏系统翻译的帮助下MPPT电路进行。谢夫et al。15]研究翻译,太阳能电池阵列尺寸的优化与MPPT抽水应用程序的控制器。辛格et al。16),Lujara et al。17],Ghoneim [18翻译]研究的意义MPPT控制器优化光伏抽水系统上。Veeresh S G et al。19翻译]建模优化光伏面板的MPPT控制器与最大电导法。然而,有一个研究差距对于优化光伏面板的翻译没有MPPT控制器。本文的研究工作是为了填补这个空白。本文侧重于优化光伏面板的电阻匹配技术的帮助。

直接耦合的光伏系统的电气负载会影响光伏模块的性能。也许,电阻匹配技术是光伏模块的优化性能的一种方式。在本研究工作中,光伏模块的电力负荷对效率的影响进行了研究。本研究的目的是为最优使用光伏系统的阻力或阻抗匹配技术。众所周知,一些光伏系统可以直接耦合到光伏面板;在这些情况下一旦负载的阻抗(比如一个电动马达),证明本文的方法可以用来选择一个PV模块在特定的天气条件下特定负载。在这个研究中,一个特定的光伏面板/模块京瓷200 gt的Jigjiga天气条件下模拟各种电力负荷和电力负荷与面板调查表现良好。

2。研究区域

埃塞俄比亚联邦民主共和国(FDRE)是一个非沿海国家在非洲东部,包围朝鲜,厄立特里亚,苏丹西部,南部的肯尼亚、索马里和吉布提和东;它位于地理坐标从北方3°24′14°53北部和32°42′′东至48°东(参见图12′1)。它覆盖了1120000平方公里地区9个州(20.]。

Jigjiga的天气条件下进行了研究区域位于9.35°42.8°经度和纬度坐标。

3所示。光伏设备的建模特征

本节的目的是确定光伏面板/模块的详细电特性从制造商的规范,以及电压电流电压平面平面上,因此光伏面板的输出可以预测在特定的电气负载的情况下。

3.1。理想的光伏电池

图2显示理论光伏电池的等效电路,而图3显示了实际的光伏设备的等效电路包括串联和并联电阻。和半导体理论的基本方程,用数学方法描述了- - - - - -理想的光伏电池的特征 在哪里是当前生成的入射光(太阳辐照正比),是肖克利二极管方程,反向饱和或二极管的漏电流,是电子电荷(1.60217646×10吗⁻¹⁹C),玻耳兹曼常数(1.3806503×10⁻²³J / K),(开尔文)的温度- - - - - -结,二极管是理想常数。

3.2。建模的光伏模块

所有光伏电池板制造商提供基本的电气参数对他们的产品在最大功率点的电压( ),名义开路电压( ),额定短路电流( ),当前最大功率点( ),短路电流温度系数( ),开路电压温度系数( ),和最大输出功率( )。这些参数测量与参考标准测试条件(stc)的太阳能辐射温度和细胞。基本电气参数不足以调查性能的光伏面板。因此,它是至关重要的,找出详细的电气特征模型性能的光伏面板。

基本方程(1小学PV电池的不确定- - - - - -一个实际的光伏模块的特点。实用模块是由几个连接光伏电池和特征的观察终端的光伏模块需要包含其他参数的基本方程(21]。 在哪里和光伏(PV)和饱和电流,分别的模块和 模块的热电压( )细胞连接在系列的数量。

二极管的饱和电流及其对温度的依赖表示为(21] 在哪里是半导体的带隙能量(= 1.12 eV的多晶硅25°C),是名义上的饱和电流,二极管的价值理想常数通常是1≤≤1.5和silicon-poly材料之间它大约是1.322]: 与的热电压系列连接细胞在名义上的温度 。

光伏电池产生电流的线性依赖于太阳照射,也根据以下方程[受到温度的影响22]: 在哪里(安培)产生电流在额定条件(通常是25°C和1000 W / m²), (和实际和名义上的温度(开尔文),分别),(瓦特/平方米)是设备上的辐照表面,和是名义上的辐照。

名义产生电流可以表达以下的精确方程(22]。 因此,方程(3)可以表示与已知值由制造商的数据表(和 ),常数(q , ),和外部影响因素的辐射和温度(T、G),但内部影响参数(和 )仍然是未知的。

马塞洛•g . et al。(21)提出了一个有趣的方法来调整和基于这一事实只有一对 这可以确保 在( , )电流-电压曲线的点;即。,the maximum power computed by the I–V model of equation (3)( )等于最大实验功率数据表( )在MPP (MPP在哪一个最大功率点,这意味着,太阳能电池板的输出功率最大)。

计算最大电流输出的太阳能电池板在名义上的温度和太阳辐射(25°C和1000 W / m²)都可以使用(表示3), 在哪里在MPP电压(最大功率点)和热电压的模块在标准电话吗在MPP电流。

方程(8)安排在这样一种方式来表达分流电阻与其他变量如下: 从(9)表达不仅用等参数 , ,和 ,而且在名义(即最大功率点。和 )和 ;因此产生的图由于两值(即,和 )肯定会通过名义最大功率点。的帮助下提出了方法马塞洛•g . et al。(21),一个细节的电气特性数值算法,该算法能确定光伏面板设计,如图所示4。

4所示。操作温度和光伏模块的效率

根据方程的部分3(见(3)(7));太阳辐照强度(G)和细胞操作温度(T)是非线性影响的两个重要参数电流电压以及光伏模块的电压特性。为了模型的光伏模块的电特性及其功率输出,首先应确定细胞操作温度(T)的光伏模块。

标准必须考虑传热力学计算细胞的能量平衡模块导致电池温度的预测。在稳态条件下,只有对流和辐射机制通常认为,因为它们是普遍的传导机制,仅仅传输热量的表面安装框架(特别是在机架安装独立的数组)。显式和隐式相关性的调查提出了文学标准连接电池温度和天气变量和材料和系统的属性(23]。

大量的经验相关性存在在许多文献的应用程序似乎是最好的和最简单的。因此,一个方程显式的选择,取决于容易可测量的参数,有广泛的适用性。变化的环境温度和辐照度细胞温度(°C)可以相当准确地估计与线性近似(24]: 在哪里光伏模块的电池操作温度决定了太阳能电池板的性能随太阳辐射强度和名义操作细胞特定的光伏模块的温度是一个参考温度来计算细胞操作温度( )它是由制造商的规范。名义细胞温度( )被定义为细胞的温度条件的名义陆地环境(《)[24]:太阳能辐照度= 800 W / m²,环境温度= 20°C,平均风速1 m / s。因此,方程(10)可以表示如下: 太阳能电池组件功率转换效率可以给出 在哪里和电流和电压输出对应于太阳能光伏模块的强度吗和细胞的温度,和是太阳能电池板模块区域(KC200GT太阳能模块的尺寸可以发现在制造商的规范)。

5。方法

方法在本文中实现一个图形化技术,用于发现光伏面板的操作点。

当电阻负载连接到一个PV模块,该模块的操作点(电流和电压输出)决定了光伏模块的电流-电压特性曲线的交点(建模部分3)和负载的电流-电压特性曲线(这是确定从著名的简单电气相关,即。,V = IR)。(即根据电气相关。,V=IR), the slope of the load curve (which is straight line) is expressed as 1/R on I-V plane. The operating point will depend on the value of R (see Figure5视觉理解)[12]。

图5描述,对于较小的电阻负载,随着辐射强度增加操作点将不断向每个曲线的最大功率点(MPP)指出通过点,B和C;因此,效率将不断提高。相反,更高的电阻负载操作点不会移动不断向MPP,而是首先走向MPP然后远离MPP所指出的点D, E, f .因此光伏面板的效率将首先提高下降随着辐射强度不断增加。

6。结果与讨论

在本文我们建模特定PV模块(京瓷200 GT)在恒Jigjiga的电负载和天气条件。因此每年的温度和全球辐射(即。,pyranometer) data from Ethiopian National Metrology Agency is provided which is measured in 15 minutes’ difference.

6.1。计算机程序的输出结果选择光伏模块

光伏模块选择作为建模参考示例,因为它是适合传统的光电应用,KC200GT。

该模型使用厂家数据表进行了测试。数据6和7显示不同的模拟京瓷的家庭太阳能模块使用提供的信息制造商京瓷,KC200GT的产品。

电流-电压曲线(如图6)描述电流和电压特性的仿真结果的光伏模块与操作单元温度25°C和有效改变(即辐照度水平。200 w / m²400 w / m²600 w / m²800 w / m²,1000 w / m²)。图显示,增加光伏面板的短路电流与辐射强度的增加。同样,p - v曲线(图7)和电压特性在不同有效辐照度水平和25°C细胞温度。它显示的最大输出功率的增加光伏面板与辐射强度的增加。可以验证,电流-电压曲线在图6和p - v曲线的图7非常类似于电流-电压和p - v曲线绘制的马塞洛•g . et al。(21]。

图8显示仿真结果光伏模块的电流-电压曲线KC200GT(即不同温度下操作。25°C, 50°C, 75°C)的辐射水平在1000 w / m²。图描绘了微不足道的短路电流上升而重要的开路电压下降的光伏面板增加细胞的温度。图9显示温度的不利影响提供的最大功率光伏模块在一个恒定的辐照度水平的1000 w / m²。

6.2。每小时变化的全球辐射对一个倾斜的面板

平板光伏系统(如KC200GT)不使用聚焦装置,所有三个components-beam,扩散,和reflected-can导致能量收集;因此我们必须使用的全球辐射分析模块温度以及发电(25]。

(即总辐射强度。,global radiation) is measured with pyranometer, which measures radiation intensity on horizontal surface. However, facing a collector toward the equator (for our case, Jigjiga is at the Northern Hemisphere; this means facing it south) and tilting it up at an angle equal to the local latitude is a good rule-of-thumb for annual performance [25];因此这将是令人信服的倾斜最佳角(即我们的系统。,at an angle equal to the local latitude) and to perform the analysis based on the tilting angle. Figure10显示每小时变化的全球或总辐射最佳倾斜面板。

6.3。每小时变化光伏模块的操作温度

方程(11)可以从NOCT光伏模块的模型操作温度和环境变量(即。、环境温度和辐射强度)。图11显示操作温度的变化考虑天(即光伏模块。1月1日,4月1日,7月1日和10月1日)。

6.4。每小时变化电光伏模块的性能

本文是关于造型(也就是一个典型的光伏模块。,Kyocera 200GT), at constant electric load and under a weather condition of Jigjiga. Figures12,13,14,15描述每小时变化电压、电流,输出功率和转换效率的光伏模块选择下个月的第一次约会2Ω电气负载。

2Ω电负载随着辐射增加,所有的电特性(即。,voltage, current, and power output as well as efficiency) will increase continuously and decrease when radiation intensity decreases. Because as radiation increases the operating point jumps from smaller I-V curve to higher I-V. Also, as it is mentioned in Section5对于较小的电动加载操作点会不断走向最大功率点;因此,效率将不断提高(见图5)。

6.5。电负载对太阳能电池板的性能的影响

数据16和17描述KC 200 gt光伏模块的电气性能的变化对不同电负载(即。2Ω,4Ω,6Ω,8Ω电阻)和下一月的天气条件 。

根据图16、4Ω电气负载引起的一个理想的效率。它导致了更高的运营效率的光伏模块的时间期间太阳辐射强度是最高的。这种说法可以进一步检查图17(显示每小时光伏模块的输出功率的变化对不同电气负载)。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。然后6Ω电负载有更好的输出功率在旁边的时间间隔4Ω电气负载。

此外,图16显示了6Ω的u形效率曲线和8Ω电动加载时间间隔的辐射强度最高的地方。这个结果断言节中提到的概念5更高的电阻负载的光伏面板的效率下降,操作点超越最大功率点。

判断光伏模块的更好的性能的基础上电负荷,功率输出不给我们一个清晰的画面。如果电动负载给更好的输出功率在某个时间间隔,它并不意味着它表现得更好。因此有一个清晰的画面,我们要比较每个电力的光伏模块的能量输出负载。下面的公式可以帮助分析每日能量输出的光伏模块。曲线下面积计算图17: 在哪里每日能量输出光伏面板的电动负载下,计算输出功率,是时间间隔的计算。

图18描述日常能量输出的光伏模块的第一个12天月1月2Ω以下,4Ω,6Ω,8Ω电动加载。根据图4Ω电负载导致的最高能量输出在所有其他电动加载的第一个10天月。1月 ,有相同数量的能量输出的6Ω电气负载,但1月结束了6Ω和8Ω电气负载。2Ω电负载最低能量输出比其他所有电动加载所有提到的日子。2Ω电负载最低能量输出比其他所有电动加载所有提到的日子。

从这个结果可以得出结论,所有环境条件不会支持一个电气负载,但我们可以比较光伏模块的年度绩效来判断电负载将优化光伏面板的操作。

7所示。结论和建议

大多数以前的研究论文只关心造型太阳能光伏系统的电气特征光伏系统使用single-diode电气模型和环境参数的影响,研究辐射强度和电池温度对光伏系统的性能。直接耦合的光伏系统的电负载也对光伏系统的性能产生影响。也许,电阻匹配技术是光伏系统的优化性能的一种方式。在这项研究中,在环境参数、电气负载的影响性能的光伏系统研究在真正的环境参数。

基于品迭代技术(这是以前的研究论文)推荐的,执行一个光伏面板的造型。电气性能的每小时变化一个典型的光伏面板下模拟真实的天气条件。太阳能电池板的性能比较在不同电力负荷。4Ω电负载导致光伏面板的最佳经营业绩每天11天的1月份的12天(测量被月),但在最后一天,这导致性能降低对其他两个电负荷(即。6Ω和8Ω电动加载)。因此得出结论:每个天气条件不支持一个负载。

数据可用性

气象数据用于支持本研究的结果中包括补充信息文件(年代)。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版

确认

作者要感谢Jigjiga大学支持这项研究。

补充材料

描述的补充材料补充材料附在这个研究是一个Excel文件年度太阳辐射和温度埃塞俄比亚国家气象机构提供的数据用于研究(补充材料)

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