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一、太阳能发电的原理

当光照一定时，电池的光生电流不会随着负载变化而变化，因此太阳能电池可以等效为一个电流源且输出电流恒定。当电池两端接入负载后，会形成负载电压，该电压会反作用于太阳能电池P-N结上，会形成小电流，方向与光生电流的方向相反，故并联一个二极管。另外，由于太阳能电池板本省具有内阻，当光生电流流过电池板时会产生损耗，所以需要串联一个等效电阻，在实际的太阳能电池中，等效电阻通常都非常小，一般在1毫欧姆到3欧姆之间。此外，由于会受到工艺水平的影响，电池会有一定的不可控的工艺影响，从而形成一部分的光生电流会短路掉，故需要在电路中加上一个等效的并联电阻，通常情况下，其阻值比较大，达到1千欧姆以上。

由电路原理分析上图电路，可得：

I=I_s-I_d-I_p（1-1）

公式中:I-----流过负载的电流；

I_s----为太阳能电池产生的光生电流；

I_d---流过二极管的电流；

I_p---电池板的漏电流。

又有：

（1-2）

公式中：I_o---反向饱和电流（数量级为0.1mA级）；

q----电子电荷，为1.6*10^-19C；

K----波尔兹曼常数，为1.38*10^-23J/K；

T----绝对温度，等于（t+273）K；

A----P-N结理想因子；

R_s---太阳能电池串联电阻。

另有：

（1-3）

公式中R_p----太阳能电池的并联电阻。

将公式（1-2）、（1-3）带入式（1-1）中可得等式：

（1-4）

和

（1-5）

式（1-4）是基于物理原理的最基本解析表达式，广泛应用于太阳能电池的理论分析，但是由于式中未知参数很多，它们不仅和太阳光照强度、环境温度和电池温度有关，而且十分难以确定。不便于工程的研究，因此有必要建立太阳能电池的数学模型，便于仿真和理论研究。

二、太阳能电池的工程模型及simulink仿真

太阳能电池的输出特性可简单描述为I=f(V,S,T)，并有电池的短路电流I_sc，开路电压V_oc，最大功率初电流I_m，最大功率初电压V_m，最大功率P_m。为了建立与式（2-4）中相关参数的联系，现做如下处理：

1）在通常情况下（V+IRp）/Rp这项远小于光生电流，可以忽略；

2）在正常情况下R_s远小于二极管的正向导通电阻，因此设定I_s=I_sc，并有如下定义：

l 开路状态下，V=V_oc，I=0；

l 在最大功率点，V=V_m，I=I_m

在此条件下建立太阳能电池的工程模型，将上述分析带入式（1-4），可简化I-V方程为：

(2-1)

假设在最大功率点除即V=V_m，I=I_m，则有：

(2-2)

在常温条件下，exp[V_m/C₂V_oc]远大于1，因此可以忽略上式中的“-1”项，计算得到C₁为：

(2-3)

又因为在开路状态下有I=0且V=V_oc，并将（2-3）式带入（2-1）式可得：

(2-4)

式中exp（1/C₂）远大于1，因此可以忽略式中“-1”，得出C₂为：

(2-5)

综上所述，本次工程模型只需要知道太阳能电池的一般参数I_sc、V_oc、I_m、V_m，就可以带入（2-3）、（2-5）解出C₁、C₂，从而带入（1-1）式得出太阳能电池I-V特性曲线。

太阳能电池I-V特性与日照强度和电池温度也是有关系的。正常日照强度S的变化范围为0~1000W/m²，温度变化范围为10~70°。通常取Sref=1000W/m²，Tref=25°为参考值。当日照强度和温度有变化时，必须考虑温度和日照强度对I-V特性的影响，对参考日照强度和温度下I-V特性曲线上任意点（I，V）的移动可以得到新的特性曲线（I’—V’）。

假设特性曲线形状基本保持不变，则系数典型值为：

a=0.0025/℃   b=0.5   c=0.00288/℃

将计算得到的值带入式（2-1）中即可得出任意光照强度和任意电池温度下的太阳能电池的I-V特性曲线。

从特性曲线可以得到，太阳能电池是一个非线性的直流电源，功率随着电压的变化而变化，在大约80%U_oc处有最大功率输出。太阳能电池有五个非常重要的参数：

1) 短路电流I_sc，在光照和温度一定时输出的最大电流；

2) 开路电压U_oc,在光照和温度一定时输出的最大电压；

3) 最大功率点电流I_m，在光照和温度一定时输出最大功率点处的电流；

4) 最大功率点电压U_m，在光照和温度一定时输出最大功率点处的电压；

5) 最大功率点功率P_m，在光照和温度一定时太阳能电池输出的最大功率；

外界环境（温度、光照强度等）对太阳能电池的输出特性影响很大，导致其输出特性呈现非线性。其中温度和光照强度是影响太阳能电池功率输出的最主要因素。

太阳能电池的开路电压、短路电流、最大功率点都随着太阳能电池的温度和光照强度的变化而变化。其表现为温度越高太阳能电池的开路电压越低，短路电流越高，而输出的最大功率越低；光照强度越强太阳能电池的开路电压越高，短路电流也越高，且输出的最大功率也会升高。

三、 总结与展望

本文主要分析研究光伏逆变器的理论基础，从光伏发电的基础原理开始，深入分析了太阳能电池发电的基础特性，建立了太阳能电池的数学模型，并搭建了matlab的仿真模型，从仿真模型中可以得出太阳能电池的输出特性主要影响因素有光照和温度，并定性的分析了不同光照和温度对太阳能电池的影响，画出了I-V曲线和P-V曲线。从仿真结果来看，该模型很好的模拟出了太阳能电池的输出特性，为后续的研究提供有用的价值。

参考文献

[1]（美）汉斯S. 劳申巴赫. 太阳电池阵设计手册—光伏转换原理及其应用. 张金熹等译，北京：宇航出版社，1987

[2]赵福鑫，魏彦章. 太阳能电池及其应用.[M]. 北京：国防工业出版社，1985

[3]周德佳，赵争鸣，吴理博，袁立强，孙晓瑛. 基于仿真模型的太阳能光伏阵列特性的分析.[J].清华大学学报. 2007.47（7）：1109-1117