基于matlabsimulink光伏电池的建模与仿真【字数：9248】
在当今传统能源紧缺，各种新型能源层出不穷的时代里，太阳能已然成为其中不可或缺的一部分。而光伏电池作为太阳能光电转换的载体，对其的研究自然也是重中之重，但是科学研究有的时候受制于各种各样的外部条件，从而达不到预期的效果。因此，本文选择使用电脑建模仿真的方法，以此摆脱外界干扰因素或是模拟外界干扰因素进行实验。与此同时，电脑建模仿真得出的U-I输出特性曲线也显得更加简洁明了。在用于教育方面时，对于初学者来说也更加通俗易懂。网络上对于科学研究所用的建模软件基本都指向了Matlab软件，所以本文选择Matlab/Simulink对光伏电池进行数学建模。该课题的目的是基于Matlab/Simulink与光伏电池等效电路的电流方程对光伏电池进行数学建模。借助此数学模型，设置各项参数，仿真得出不同类型光伏电池在不同环境条件下的U-I输出特性曲线。
目录
1．绪论 1
1.1光伏电池的研究背景 1
1.2光伏电池研究现状 2
1.3本文主要研究内容 4
2．光伏电池等效电路的建模 6
2.1建模软件Matlab/Simulink 6
2.1.1 Matlab/Simulink简要介绍 6
2.1.2 Simulink基本建模方法 7
2.2光伏电池等效电路以及电流方程 11
2.3光伏电池的建模 13
2.4本章小结 14
3．不同类型光伏电池的仿真 15
3.1光照强度相同，环境温度不同 15
3.2环境温度相同，光照强度不同 19
3.3仿真结果分析 23
3.4本章小结 23
4．结语 24
参考文献 25
致谢 26
1．绪论
1.1光伏电池的研究背景
21世纪，能源问题逐渐频繁的出现在大众的眼前，无论是能源短缺，抑或是使用能源所造成的环境污染，都迫切的需要得到解决。然而现如今世界各国多数仍是以煤炭石油等不可再生能源为主的传统能源作为日常主要使用的能源，并且随着几百年甚至几千年的开采与使用，地球上的常规化石能源逐渐稀少，煤炭与石油也变得越来越昂贵，而且常规化石能 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
源对环境的危害也被人越来越重视。温室效应和全球水平面上升已经是老生常谈，虽然这两点对于我们的日常生活来说暂时也有一些距离，以至于没有太多的紧迫感，但是就我们能接触到的雾霾而言，也是过度使用化石能源所带来的危害之一。雾霾是近几年来经常出现的一个合成词，即雾与霾同时出现便成了雾霾。雾霾天气一旦出现，随即代表着空气中将会出现大量有害的可吸入颗粒物（主要是PM2.5、PM10等），对人体会造成极大的危害，更有甚者可能会导致生命危险。因此，加快全球能源结构转型的进程，即从不可再生能源到可再生能源（从传统能源到新型绿色能源）已经成为全球共识。于是，在这种背景下新型的绿色能源得到越来越多的关注。一般来说，新型绿色能源包括氢能，风能、水能、太阳能、地热能、生物质能等等可再生能源[]。其中，氢能通常是指氢在物理与化学变化过程中释放的能量，具有清洁高效、可储能、可运输、应用场景丰富等特点[]。风能尽管分布广泛、储量很大，但它的能流密度低，并且稳定性差。风能的利用是通过风力机将风的动能转化成机械能、电能和热能等[]。水能，分为广义狭义之说，广义的水能包括河流水能、波浪能、洋流能、潮汐能等能量资源，狭义的水能资源指河流的水能资源，也是人们目前最易开发和利用的比较成熟的[]。地热能实际上就是地球内部的熔岩的高温借助地壳岩石传导到地表的热量，通过其他形式表现出来。地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能，然后再将机械能转变为电能的能量转变过程或称为地热发电[]。能够被人们开发利用的地热资源主要是地热所带来的蒸汽和热水，因此，利用地热进行发电也分为地热蒸汽发电与地热水发电。生物质能大部分是自然界中有生命的植物通过光合作用以生物质作为媒介储存太阳能，然后被人们用其他方式拿来提供能量。生物质能具有可再生性、清洁低碳、可替代化石燃料、资源丰富，分布广泛等等优点。太阳能，大多数时候是指太阳光照射到地表所带来的热辐射能。相对于常规能源，太阳能具有以下几点明显的优点：①处处皆有。太阳能可就地开发利用，且无须耗费额外的人工来开采和运输②清洁无害③巨大。太阳能每年照射到地表的太阳辐射能总量非常大，相当于几百万亿吨标煤④长久。太阳的寿命远比地球长远，从某种意义上来说，太阳能取之不竭，用之不尽。当然，没有什么能源是完美无缺的，太阳能也有许多缺点其中包括：①分散性强。尽管每年照射到地球表面的总量很大，但是均匀分布在地球广阔的表面上，就会相对导致能流密度很低。②稳定性差。太阳能往往会受到昼夜、雨雪多云天气、季节、海拔、纬度等因素的影响，辐射量差异巨大，不够稳定。③效率低，成本高。目前太阳能的利用效率普遍偏低且部分种类的光伏电池的核心材料成本较高。现阶段人们所能实现的且能被普及的太阳能利用主要包括：光热转换、光化学转换和光电转换三种。光热转换是指借助一个媒介通过反射、吸收或其他方式把照射在这个媒介上的太阳辐射能聚集起来，转换成高温度高热量收集使用的过程，常见的应用有太阳能热水器等。光化学转换也就是光化学制氢，是通过将太阳辐射能转化为氢的化学能人为的储存起来。光电转换即光伏发电，即利用半导体的光电效应将光能直接转变为电能的技术[]。光伏发电系统包括光伏电池、控制器、逆变器、负载等等几个重要组成部分。其中最基础也是最主要的就是光伏电池部分（也叫太阳能电池），而光伏电池根据所使用半导体材料的不同，也有很多种类。常见的光伏电池有：硅(单晶、多晶、非晶)电池、无机化合物电池（如砷化镓电池、铜铟镓硒电池等）、染料敏化电池、无机有机杂化太阳电池(如钙钛矿电池)、其他如石墨烯、量子点太阳电池等[]。鉴于光伏电池可组合成光伏阵列的特性，光伏发电利用的规模可大可小（小至家用光伏灯，大到投资几百亿的大型光伏电站），太阳能已成为现如今运用最为广泛的新型绿色能源之一，只要光伏电池的光电转换效率能够逐步上升，那么光伏发电的前景将是非常的美好。
1.2光伏电池研究现状
近几年来，光伏行业蓬勃发展，各种新型光伏电池如雨后春笋般一个一个的冒出来，传统的成熟的光伏电池的光电转换效率也在稳步提升。可以用于制成光伏电池的半导体材料种类繁多，传统的有单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓以及铜铟镓硒等，最新的则有染料敏化、钙钛矿、石墨烯和量子点等。因为各个种类光伏电池的研究起步时间不同，所以各类不同的光伏电池的研究进展各不相同。其中，单晶硅光伏电池是以高纯的单晶硅棒为原料的光伏电池，通常都拥有比较好的材料性能，但是成本较高且生产工艺复杂，电耗能大。现在较好的单晶硅光伏电池效率可达26.7±0.5%。多晶硅光伏电池的生产工艺较为简单，且生产耗能也比较少，但与此同时光电转换效率较单晶硅光伏电池而言也低一些，目前实验室中多晶硅光伏电池较高的光电转换效率为22.3±0.4%。而非晶硅光伏电池具有制造成本低、能源回收周期短、售价低，但是转换效率却是不太乐观，目前最高的转换效率也只有10.2±0.3%[]。
目录
1．绪论 1
1.1光伏电池的研究背景 1
1.2光伏电池研究现状 2
1.3本文主要研究内容 4
2．光伏电池等效电路的建模 6
2.1建模软件Matlab/Simulink 6
2.1.1 Matlab/Simulink简要介绍 6
2.1.2 Simulink基本建模方法 7
2.2光伏电池等效电路以及电流方程 11
2.3光伏电池的建模 13
2.4本章小结 14
3．不同类型光伏电池的仿真 15
3.1光照强度相同，环境温度不同 15
3.2环境温度相同，光照强度不同 19
3.3仿真结果分析 23
3.4本章小结 23
4．结语 24
参考文献 25
致谢 26
1．绪论
1.1光伏电池的研究背景
21世纪，能源问题逐渐频繁的出现在大众的眼前，无论是能源短缺，抑或是使用能源所造成的环境污染，都迫切的需要得到解决。然而现如今世界各国多数仍是以煤炭石油等不可再生能源为主的传统能源作为日常主要使用的能源，并且随着几百年甚至几千年的开采与使用，地球上的常规化石能源逐渐稀少，煤炭与石油也变得越来越昂贵，而且常规化石能 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
源对环境的危害也被人越来越重视。温室效应和全球水平面上升已经是老生常谈，虽然这两点对于我们的日常生活来说暂时也有一些距离，以至于没有太多的紧迫感，但是就我们能接触到的雾霾而言，也是过度使用化石能源所带来的危害之一。雾霾是近几年来经常出现的一个合成词，即雾与霾同时出现便成了雾霾。雾霾天气一旦出现，随即代表着空气中将会出现大量有害的可吸入颗粒物（主要是PM2.5、PM10等），对人体会造成极大的危害，更有甚者可能会导致生命危险。因此，加快全球能源结构转型的进程，即从不可再生能源到可再生能源（从传统能源到新型绿色能源）已经成为全球共识。于是，在这种背景下新型的绿色能源得到越来越多的关注。一般来说，新型绿色能源包括氢能，风能、水能、太阳能、地热能、生物质能等等可再生能源[]。其中，氢能通常是指氢在物理与化学变化过程中释放的能量，具有清洁高效、可储能、可运输、应用场景丰富等特点[]。风能尽管分布广泛、储量很大，但它的能流密度低，并且稳定性差。风能的利用是通过风力机将风的动能转化成机械能、电能和热能等[]。水能，分为广义狭义之说，广义的水能包括河流水能、波浪能、洋流能、潮汐能等能量资源，狭义的水能资源指河流的水能资源，也是人们目前最易开发和利用的比较成熟的[]。地热能实际上就是地球内部的熔岩的高温借助地壳岩石传导到地表的热量，通过其他形式表现出来。地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能，然后再将机械能转变为电能的能量转变过程或称为地热发电[]。能够被人们开发利用的地热资源主要是地热所带来的蒸汽和热水，因此，利用地热进行发电也分为地热蒸汽发电与地热水发电。生物质能大部分是自然界中有生命的植物通过光合作用以生物质作为媒介储存太阳能，然后被人们用其他方式拿来提供能量。生物质能具有可再生性、清洁低碳、可替代化石燃料、资源丰富，分布广泛等等优点。太阳能，大多数时候是指太阳光照射到地表所带来的热辐射能。相对于常规能源，太阳能具有以下几点明显的优点：①处处皆有。太阳能可就地开发利用，且无须耗费额外的人工来开采和运输②清洁无害③巨大。太阳能每年照射到地表的太阳辐射能总量非常大，相当于几百万亿吨标煤④长久。太阳的寿命远比地球长远，从某种意义上来说，太阳能取之不竭，用之不尽。当然，没有什么能源是完美无缺的，太阳能也有许多缺点其中包括：①分散性强。尽管每年照射到地球表面的总量很大，但是均匀分布在地球广阔的表面上，就会相对导致能流密度很低。②稳定性差。太阳能往往会受到昼夜、雨雪多云天气、季节、海拔、纬度等因素的影响，辐射量差异巨大，不够稳定。③效率低，成本高。目前太阳能的利用效率普遍偏低且部分种类的光伏电池的核心材料成本较高。现阶段人们所能实现的且能被普及的太阳能利用主要包括：光热转换、光化学转换和光电转换三种。光热转换是指借助一个媒介通过反射、吸收或其他方式把照射在这个媒介上的太阳辐射能聚集起来，转换成高温度高热量收集使用的过程，常见的应用有太阳能热水器等。光化学转换也就是光化学制氢，是通过将太阳辐射能转化为氢的化学能人为的储存起来。光电转换即光伏发电，即利用半导体的光电效应将光能直接转变为电能的技术[]。光伏发电系统包括光伏电池、控制器、逆变器、负载等等几个重要组成部分。其中最基础也是最主要的就是光伏电池部分（也叫太阳能电池），而光伏电池根据所使用半导体材料的不同，也有很多种类。常见的光伏电池有：硅(单晶、多晶、非晶)电池、无机化合物电池（如砷化镓电池、铜铟镓硒电池等）、染料敏化电池、无机有机杂化太阳电池(如钙钛矿电池)、其他如石墨烯、量子点太阳电池等[]。鉴于光伏电池可组合成光伏阵列的特性，光伏发电利用的规模可大可小（小至家用光伏灯，大到投资几百亿的大型光伏电站），太阳能已成为现如今运用最为广泛的新型绿色能源之一，只要光伏电池的光电转换效率能够逐步上升，那么光伏发电的前景将是非常的美好。
1.2光伏电池研究现状
近几年来，光伏行业蓬勃发展，各种新型光伏电池如雨后春笋般一个一个的冒出来，传统的成熟的光伏电池的光电转换效率也在稳步提升。可以用于制成光伏电池的半导体材料种类繁多，传统的有单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓以及铜铟镓硒等，最新的则有染料敏化、钙钛矿、石墨烯和量子点等。因为各个种类光伏电池的研究起步时间不同，所以各类不同的光伏电池的研究进展各不相同。其中，单晶硅光伏电池是以高纯的单晶硅棒为原料的光伏电池，通常都拥有比较好的材料性能，但是成本较高且生产工艺复杂，电耗能大。现在较好的单晶硅光伏电池效率可达26.7±0.5%。多晶硅光伏电池的生产工艺较为简单，且生产耗能也比较少，但与此同时光电转换效率较单晶硅光伏电池而言也低一些，目前实验室中多晶硅光伏电池较高的光电转换效率为22.3±0.4%。而非晶硅光伏电池具有制造成本低、能源回收周期短、售价低，但是转换效率却是不太乐观，目前最高的转换效率也只有10.2±0.3%[]。
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