基于计算机模拟技术的太阳能光伏发电系统数学模型的建立方法

随着环境污染、能源危机等不断加剧，太阳能发电已日趋受到各国重视。本文利用计算机模拟技术对太阳能光伏发电系统仿真，提出太阳能光伏发电系统数学模型的建立方法。

1.太阳能光伏发电相关概述

1.1 太阳能光伏发电定义阐释

太阳能光伏发电指的是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。

这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就构成光伏发电系统。太阳能是一种绿色无污染的清洁性能源，解决了火力发电的空气污染物排放问题。

1.2 太阳能光伏发电的发展

早在十九世纪四十年代，就出现了利用太阳能进行发电的方式。光伏电池也在二十世纪五十年代就出现，并在七十年代太阳能发电技术得到了广泛推行。在日本、美国等各发达国家，太阳能发电技术得到了应用推行，并在各国政策支持下进一步发展。目前中国也十分重视新能源领域，尤其是太阳能光伏发电的相关产业有些已经达到了国际先进水平。

1.3 太阳能光伏发电的特点

太阳能是可再生资源，从地理学角度来说，太阳能资源具有覆盖范围广泛的特点，并且能量巨大，相当于130万吨的煤进行燃烧所产生的能力。并且太阳目前正值活动旺盛时期，太阳能辐射时间据研究可持续十亿年之久。并且太阳能的利用方式简单，不需要进行采掘，直接收集辐射即可获取。太阳能在利用生产过程中不会产生多余污染，是一种绿色环保的新型能源。同时太阳能安全温和，不会导致工业事故发生。根据中国地理情况研究，在中西部地区接受阳光辐射量大，可利用太阳能进行光伏发电产业发展。

2.计算机模拟技术与太阳能光伏发电

2.1 计算机模拟技术

计算机模拟是在科学研究中常采用的一种技术，特别是在科学试验环节，利用计算机模拟非常有效。所谓计算机模拟就是用计算机来模仿真实的事物，用一个模型来模拟真实的系统，对系统的内部结构、外界影响、功能、行为等进行实验，通过实验使系统达到优良的性能，从而获得良好的经济效益和社会效益。

计算机模拟方面的研究始于六十年代，早期的研究主要用于国防和军事领域(如航空航天、武器研制、核试验等)，以及自动控制等方面。随着计算机应用的普及，应用范围也在扩大，现在已遍及自然科学和社会科学的各个领域。

2.2 计算机模拟技术与太阳能光伏发电

利用计算机模拟技术，对影响太阳能光伏发电的各个因素进行数学建模，可以得到实时的太阳辐射强度和累积辐射量、任一特性曲线所对应的最佳电压、最佳电流和系统可得到的最大输出功率、任一时刻系统的发电效率和全天累积发电效率。

由以上数据可以得出太阳能实时辐射强度趋势图和全天辐射强度曲线、任一辐射强度对应的I-U、P-U特性曲线、光伏电池的发电功率趋势图和全天发电功率曲线、全天最佳电压和最佳电流曲线;发电效率趋势图和全天发电效率变化曲线。建模后可以对太阳能光伏发电系统进行评估和系统优化。

3.太阳能光伏发电系统的建模

3.1 太阳能光伏发电系统数学模型建立

太阳能辐射的被利用程度受到多种外界因素的干扰，包括大气层性质、大气层透明程度、太阳入射角度大小、土壤反射率以及太阳能辐射维度高低等，从各种外界因素对数学函数关系的影响方面进行考虑，在进行相关数学模型建设时应综合多种因素进行函数表达式的确立，以保证计算机模拟太阳能光伏发电系统的数学模型建立相对科学合理，能进行接下来的计算过程。

辐射到地球表面的太阳能分为两部分，一部分为直接被大地所接收的直接辐射强度，另一部分则是发生了分散的散射幅度强度。将影响辐射的外界干扰因素和太阳能辐射种类结合考虑，可进行计算机模拟太阳能光伏发电的数学模型建立。主要用LabVIEW软件对数学模型进行分析。

这里给出参考数学式：

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

其中，Ihd表示的是太阳能在水平面上发生散射的强度量，Ipb则为太阳能直接辐射在倾斜坡面上的能量，β为太阳光与辐射平面的夹角。

通过数学模型的建立，太阳能光伏发电的研究便有了函数表达，对研究过程起到了简洁化、直观化的处理，并使计算机模拟太阳能光伏发电有了程序基础。建立正确精准的数学模型，是开始计算机模拟实验的前提条件，能有效地帮助研究人员对研究内容更直观、详尽地进行分析。

3.2 光伏电池板的数学模型

光伏电池的等值电路模型一般有3种。第1种是不考虑光伏电池内部任何电阻的简单模型，该模型在光伏电池理论研究以及复杂光伏发电系统中应用较多;第2种模型是只考虑光伏电池并联电阻影响的模型，该模型精度稍高，但在实际应用中并不常见;第3种模型是较为精确的一种模型，其既考虑并联电阻，又考虑串联电阻的影响。

3.3 其他相关因素数学模型建立

太阳能电池板是在研究过程中所需要的重要元件，因此应结合研究用太阳能电板特性，建立太阳能电板的功率数学模型，使研究过程更加科学。

同时应建立蓄电池的数学模型，以及直流-交流逆变器的函数表达式。建立好相关数学模型，并将之与之前所建立光伏电池数学模型、太阳能辐射数学模型进行联立，得到较为统筹的数学模型，并将之录入计算机中，建立起相对应的计算机模拟太阳能光伏发电函数库，由相关技术人员进行整合编写，从而开展计算机模拟太阳能光伏发电研究。

3.4 模拟太阳能光伏发电系统

多个太阳能光伏电池板进行联合组装，构成太阳能电池板集合，便可加大对太阳能的辐射接收面积，从而获取更多太阳辐射能。接受到的太阳能会经过能量转化为电能，产生直流电并流经接线盒从而到达控制器，另一部分则流入直流-交流逆变器，并在其作用下转化为交流电。产生的交流电经过一定的升压降压处理，便提供给用电端进行使用。产生过剩额部分电流则会在蓄电池内进行能量存储，以便下次使用。

3.5 计算机模拟太阳能光伏发电的结论

通过对太阳能光伏发电系统的数学建模，借助LabVIEW软件平台，可以动态地模拟真实太阳能光伏发电系统的发电过程，直观地了解了太阳能电池的输出特性随太阳辐射强度变化的应变关系。随着辐射强度的增加，I-U及P -U特性曲线上移，电流受光照强度影响很大，而电压受其影响较小。建立了太阳能光伏发电系统的最大功率跟踪模型，从而可确定任一太阳辐射强度下系统运行最佳电压Um和最佳电流Im，以达到最大输出功率的目的。

4.结语

随着国家对新能源发展的日趋重视，太阳能光伏发电已经成为仅次于风力发电的新能源发电力量，并且太阳能发电适宜推广、应用。利用计算机软件对太阳能光伏发电系统进行仿真建模分析，对太阳能光伏发电系统的设计、优化具有重要的意义。它使我们能够对系统有充分的认识，作出合理的判断，选择最佳的方案，以最少的代价获取最大的经济效益。