基于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立方法

隨著環(huán)境污染、能源危機(jī)等不斷加劇，太陽能發(fā)電已日趨受到各國重視。本文利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真，提出太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立方法。

1.太陽能光伏發(fā)電相關(guān)概述

1.1 太陽能光伏發(fā)電定義闡釋

太陽能光伏發(fā)電指的是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。

這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就構(gòu)成光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽能是一種綠色無污染的清潔性能源，解決了火力發(fā)電的空氣污染物排放問題。

1.2 太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展

早在十九世紀(jì)四十年代，就出現(xiàn)了利用太陽能進(jìn)行發(fā)電的方式。光伏電池也在二十世紀(jì)五十年代就出現(xiàn)，并在七十年代太陽能發(fā)電技術(shù)得到了廣泛推行。在日本、美國等各發(fā)達(dá)國家，太陽能發(fā)電技術(shù)得到了應(yīng)用推行，并在各國政策支持下進(jìn)一步發(fā)展。目前中國也十分重視新能源領(lǐng)域，尤其是太陽能光伏發(fā)電的相關(guān)產(chǎn)業(yè)有些已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

1.3 太陽能光伏發(fā)電的特點(diǎn)

太陽能是可再生資源，從地理學(xué)角度來說，太陽能資源具有覆蓋范圍廣泛的特點(diǎn)，并且能量巨大，相當(dāng)于130萬噸的煤進(jìn)行燃燒所產(chǎn)生的能力。并且太陽目前正值活動(dòng)旺盛時(shí)期，太陽能輻射時(shí)間據(jù)研究可持續(xù)十億年之久。并且太陽能的利用方式簡單，不需要進(jìn)行采掘，直接收集輻射即可獲取。太陽能在利用生產(chǎn)過程中不會(huì)產(chǎn)生多余污染，是一種綠色環(huán)保的新型能源。同時(shí)太陽能安全溫和，不會(huì)導(dǎo)致工業(yè)事故發(fā)生。根據(jù)中國地理情況研究，在中西部地區(qū)接受陽光輻射量大，可利用太陽能進(jìn)行光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2.計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)與太陽能光伏發(fā)電

2.1 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)

計(jì)算機(jī)模擬是在科學(xué)研究中常采用的一種技術(shù)，特別是在科學(xué)試驗(yàn)環(huán)節(jié)，利用計(jì)算機(jī)模擬非常有效。所謂計(jì)算機(jī)模擬就是用計(jì)算機(jī)來模仿真實(shí)的事物，用一個(gè)模型來模擬真實(shí)的系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外界影響、功能、行為等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)使系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)良的性能，從而獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

計(jì)算機(jī)模擬方面的研究始于六十年代，早期的研究主要用于國防和軍事領(lǐng)域(如航空航天、武器研制、核試驗(yàn)等)，以及自動(dòng)控制等方面。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，應(yīng)用范圍也在擴(kuò)大，現(xiàn)在已遍及自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。

2.2 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)與太陽能光伏發(fā)電

利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)影響太陽能光伏發(fā)電的各個(gè)因素進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，可以得到實(shí)時(shí)的太陽輻射強(qiáng)度和累積輻射量、任一特性曲線所對(duì)應(yīng)的最佳電壓、最佳電流和系統(tǒng)可得到的最大輸出功率、任一時(shí)刻系統(tǒng)的發(fā)電效率和全天累積發(fā)電效率。

由以上數(shù)據(jù)可以得出太陽能實(shí)時(shí)輻射強(qiáng)度趨勢圖和全天輻射強(qiáng)度曲線、任一輻射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的I-U、P-U特性曲線、光伏電池的發(fā)電功率趨勢圖和全天發(fā)電功率曲線、全天最佳電壓和最佳電流曲線;發(fā)電效率趨勢圖和全天發(fā)電效率變化曲線。建模后可以對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和系統(tǒng)優(yōu)化。

3.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模

3.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立

太陽能輻射的被利用程度受到多種外界因素的干擾，包括大氣層性質(zhì)、大氣層透明程度、太陽入射角度大小、土壤反射率以及太陽能輻射維度高低等，從各種外界因素對(duì)數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系的影響方面進(jìn)行考慮，在進(jìn)行相關(guān)數(shù)學(xué)模型建設(shè)時(shí)應(yīng)綜合多種因素進(jìn)行函數(shù)表達(dá)式的確立，以保證計(jì)算機(jī)模擬太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立相對(duì)科學(xué)合理，能進(jìn)行接下來的計(jì)算過程。

輻射到地球表面的太陽能分為兩部分，一部分為直接被大地所接收的直接輻射強(qiáng)度，另一部分則是發(fā)生了分散的散射幅度強(qiáng)度。將影響輻射的外界干擾因素和太陽能輻射種類結(jié)合考慮，可進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬太陽能光伏發(fā)電的數(shù)學(xué)模型建立。主要用LabVIEW軟件對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析。

這里給出參考數(shù)學(xué)式：

Ipd=Ipb+Ihd(1+cosβ)/2+(Ihb+Ihd)p (1+cosβ)

其中，Ihd表示的是太陽能在水平面上發(fā)生散射的強(qiáng)度量，Ipb則為太陽能直接輻射在傾斜坡面上的能量，β為太陽光與輻射平面的夾角。

通過數(shù)學(xué)模型的建立，太陽能光伏發(fā)電的研究便有了函數(shù)表達(dá)，對(duì)研究過程起到了簡潔化、直觀化的處理，并使計(jì)算機(jī)模擬太陽能光伏發(fā)電有了程序基礎(chǔ)。建立正確精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，是開始計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的前提條件，能有效地幫助研究人員對(duì)研究內(nèi)容更直觀、詳盡地進(jìn)行分析。

3.2 光伏電池板的數(shù)學(xué)模型

光伏電池的等值電路模型一般有3種。第1種是不考慮光伏電池內(nèi)部任何電阻的簡單模型，該模型在光伏電池理論研究以及復(fù)雜光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用較多;第2種模型是只考慮光伏電池并聯(lián)電阻影響的模型，該模型精度稍高，但在實(shí)際應(yīng)用中并不常見;第3種模型是較為精確的一種模型，其既考慮并聯(lián)電阻，又考慮串聯(lián)電阻的影響。

3.3 其他相關(guān)因素?cái)?shù)學(xué)模型建立

太陽能電池板是在研究過程中所需要的重要元件，因此應(yīng)結(jié)合研究用太陽能電板特性，建立太陽能電板的功率數(shù)學(xué)模型，使研究過程更加科學(xué)。

同時(shí)應(yīng)建立蓄電池的數(shù)學(xué)模型，以及直流-交流逆變器的函數(shù)表達(dá)式。建立好相關(guān)數(shù)學(xué)模型，并將之與之前所建立光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型、太陽能輻射數(shù)學(xué)模型進(jìn)行聯(lián)立，得到較為統(tǒng)籌的數(shù)學(xué)模型，并將之錄入計(jì)算機(jī)中，建立起相對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬太陽能光伏發(fā)電函數(shù)庫，由相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行整合編寫，從而開展計(jì)算機(jī)模擬太陽能光伏發(fā)電研究。

3.4 模擬太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

多個(gè)太陽能光伏電池板進(jìn)行聯(lián)合組裝，構(gòu)成太陽能電池板集合，便可加大對(duì)太陽能的輻射接收面積，從而獲取更多太陽輻射能。接受到的太陽能會(huì)經(jīng)過能量轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生直流電并流經(jīng)接線盒從而到達(dá)控制器，另一部分則流入直流-交流逆變器，并在其作用下轉(zhuǎn)化為交流電。產(chǎn)生的交流電經(jīng)過一定的升壓降壓處理，便提供給用電端進(jìn)行使用。產(chǎn)生過剩額部分電流則會(huì)在蓄電池內(nèi)進(jìn)行能量存儲(chǔ)，以便下次使用。

3.5 計(jì)算機(jī)模擬太陽能光伏發(fā)電的結(jié)論

通過對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，借助LabVIEW軟件平臺(tái)，可以動(dòng)態(tài)地模擬真實(shí)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電過程，直觀地了解了太陽能電池的輸出特性隨太陽輻射強(qiáng)度變化的應(yīng)變關(guān)系。隨著輻射強(qiáng)度的增加，I-U及P -U特性曲線上移，電流受光照強(qiáng)度影響很大，而電壓受其影響較小。建立了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤模型，從而可確定任一太陽輻射強(qiáng)度下系統(tǒng)運(yùn)行最佳電壓Um和最佳電流Im，以達(dá)到最大輸出功率的目的。

4.結(jié)語

隨著國家對(duì)新能源發(fā)展的日趨重視，太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)成為僅次于風(fēng)力發(fā)電的新能源發(fā)電力量，并且太陽能發(fā)電適宜推廣、應(yīng)用。利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模分析，對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化具有重要的意義。它使我們能夠?qū)ο到y(tǒng)有充分的認(rèn)識(shí)，作出合理的判斷，選擇最佳的方案，以最少的代價(jià)獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。