計算機模擬技術在太陽能光伏發(fā)電中的應用

隨著環(huán)境污染、能源危機等不斷加劇，太陽能發(fā)電已日趨受到各國重視。本文利用計算機模擬技術對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真，提出太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)數學模型的建立方法。

1.太陽能光伏發(fā)電相關概述

1.1 太陽能光伏發(fā)電定義闡釋

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

這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經過串聯后進行封裝保護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

早在十九世紀四十年代，就出現了利用太陽能進行發(fā)電的方式。光伏電池也在二十世紀五十年代就出現，并在七十年代太陽能發(fā)電技術得到了廣泛推行。在日本、美國等各發(fā)達國家，太陽能發(fā)電技術得到了應用推行，并在各國政策支持下進一步發(fā)展。目前中國也十分重視新能源領域，尤其是太陽能光伏發(fā)電的相關產業(yè)有些已經達到了國際先進水平。

1.3 太陽能光伏發(fā)電的特點

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

2.計算機模擬技術與太陽能光伏發(fā)電

2.1 計算機模擬技術

計算機模擬是在科學研究中常采用的一種技術，特別是在科學試驗環(huán)節(jié)，利用計算機模擬非常有效。所謂計算機模擬就是用計算機來模仿真實的事物，用一個模型來模擬真實的系統(tǒng)，對系統(tǒng)的內部結構、外界影響、功能、行為等進行實驗，通過實驗使系統(tǒng)達到優(yōu)良的性能，從而獲得良好的經濟效益和社會效益。

計算機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域(如航空航天、武器研制、核試驗等)，以及自動控制等方面。隨著計算機應用的普及，應用范圍也在擴大，現在已遍及自然科學和社會科學的各個領域。

2.2 計算機模擬技術與太陽能光伏發(fā)電

利用計算機模擬技術，對影響太陽能光伏發(fā)電的各個因素進行數學建模，可以得到實時的太陽輻射強度和累積輻射量、任一特性曲線所對應的最佳電壓、最佳電流和系統(tǒng)可得到的最大輸出功率、任一時刻系統(tǒng)的發(fā)電效率和全天累積發(fā)電效率。

由以上數據可以得出太陽能實時輻射強度趨勢圖和全天輻射強度曲線、任一輻射強度對應的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。建模后可以對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進行評估和系統(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)數學模型建立

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、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，從各種外界因素對數學函數關系的影響方面進行考慮，在進行相關數學模型建設時應綜合多種因素進行函數表達式的確立，以保證計算機模擬太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的數學模型建立相對科學合理，能進行接下來的計算過程。

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度，另一部分則是發(fā)生了分散的散射幅度強度。將影響輻射的外界干擾因素和太陽能輻射種類結合考慮，可進行計算機模擬太陽能光伏發(fā)電的數學模型建立。主要用LabVIEW軟件對數學模型進行分析。

這里給出參考數學式：

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。

通過數學模型的建立，太陽能光伏發(fā)電的研究便有了函數表達，對研究過程起到了簡潔化、直觀化的處理，并使計算機模擬太陽能光伏發(fā)電有了程序基礎。建立正確精準的數學模型，是開始計算機模擬實驗的前提條件，能有效地幫助研究人員對研究內容更直觀、詳盡地進行分析。

3.2 光伏電池板的數學模型

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雜光伏發(fā)電系統(tǒng)中應用較多;第2種模型是只考慮光伏電池并聯電阻影響的模型，該模型精度稍高，但在實際應用中并不常見;第3種模型是較為精確的一種模型，其既考慮并聯電阻，又考慮串聯電阻的影響。

3.3 其他相關因素數學模型建立

太陽能電池板是在研究過程中所需要的重要元件，因此應結合研究用太陽能電板特性，建立太陽能電板的功率數學模型，使研究過程更加科學。

同時應建立蓄電池的數學模型，以及直流-交流逆變器的函數表達式。建立好相關數學模型，并將之與之前所建立光伏電池數學模型、太陽能輻射數學模型進行聯立，得到較為統(tǒng)籌的數學模型，并將之錄入計算機中，建立起相對應的計算機模擬太陽能光伏發(fā)電函數庫，由相關技術人員進行整合編寫，從而開展計算機模擬太陽能光伏發(fā)電研究。

3.4 模擬太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

多個太陽能光伏電池板進行聯合組裝，構成太陽能電池板集合，便可加大對太陽能的輻射接收面積，從而獲取更多太陽輻射能。接受到的太陽能會經過能量轉化為電能，產生直流電并流經接線盒從而到達控制器，另一部分則流入直流-交流逆變器，并在其作用下轉化為交流電。產生的交流電經過一定的升壓降壓處理，便提供給用電端進行使用。產生過剩額部分電流則會在蓄電池內進行能量存儲，以便下次使用。

3.5 計算機模擬太陽能光伏發(fā)電的結論

通過對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的數學建模，借助LabVIEW軟件平臺，可以動態(tài)地模擬真實太陽能光伏發(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度變化的應變關系。隨著輻射強度的增加，I-U及P -U特性曲線上移，電流受光照強度影響很大，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度下系統(tǒng)運行最佳電壓Um和最佳電流Im，以達到最大輸出功率的目的。

4.結語

隨著國家對新能源發(fā)展的日趨重視，太陽能光伏發(fā)電已經成為僅次于風力發(fā)電的新能源發(fā)電力量，并且太陽能發(fā)電適宜推廣、應用。利用計算機軟件對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進行仿真建模分析，對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計、優(yōu)化具有重要的意義。它使我們能夠對系統(tǒng)有充分的認識，作出合理的判斷，選擇最佳的方案，以最少的代價獲取最大的經濟效益。