太阳能电池阵模拟器的设计

2019-01-12 15:13 太阳能电池

 

  太阳能(Solar Energy),凡是是指太阳光的辐射能量,正在新颖凡是用作发电。自地球变成生物就首要以太阳供给的热和光生活,而自前人类也懂得以阳光晒干物件,并行为留存食品的形式,如造盐和晒咸鱼等。但正在化石燃料裁汰下,才蓄谋把太阳能进一步生长。太阳能的使用有被动式使用(光热转换)和光电转换两种式样。太阳能发电一种新兴的可再生能源。目前,正在航天电源范围内,绝大大批卫星电源均操纵太阳能电池行为其动力中央。卫星电源的本能直接影响到卫星的本能和做事寿命,对卫星的寻常运转和操纵也有宏大的影响。所以,为了升高电源体系的本能和牢靠性,对卫星电源体系实行仿真和测试评估拥有很是要紧的道理。

  卫星的空间做事前提阴恶且庞大,温度限度大,日照前提转移急迅,且太阳能电池方阵处于高能粒子辐射下,正在地面上无法采用实践的太阳能电池方阵来再现卫星正在空间轨道中的做事状况,所以需求采用太阳能电池模仿器(Solar Array Simulator,简称SAS)来模仿太阳能电池阵正在空间的做事境况。SAS是卫星电源模仿器的要紧构成一面,其首要义务是确凿地从命太阳能电池方阵正在各类庞大空间前提下的实践输出个性弧线,正在卫星的地面测试阶段代庖太阳能电池方阵为卫星上的各分体系供电。

  凭据太阳能电池道理和图1 所示的实践丈量结果设立了多种模子,用于太阳能电池的测试和行使筹议。原形阐明,这些模子拥有足够的工程精度。

  Iph 取决于太阳能电池各做事区的半导体资料性子和电池几何布局参数以及入射光强、表观反射率、前后表观复合速率、资料汲取系数等。因为器件的瞬时响合光阴比拟于绝大大批光伏体系的光阴常数显得微亏欠道,所以理会中可忽视结电容。设定图中所示的电压、电流为正对象,由固体物理表面和全电道欧姆定律即可推出目前常用的单指数体式的太阳能电池模子:

  正在单指数模子中,正在分歧的电压限度内,定夺IVD 的要素也分歧。当电压较高时,IVD 首要由电中性区的注入电流定夺;当电压较低时,IVD 首要由空间电荷区的复合电流定夺。为了升高模子精度,能够归纳琢磨这两种处境,正在等效电道顶用两个参数分歧的二极管来爆发这两个电流,如图3 所示。

  上述单指数和双指数模子是基于物理道理的最根本的解析表达式,已被寻常行使于太阳能电池的表面理会中。但因为表达式中的参数,包含Iph,I0(或I01,I02),Rs,Rsh 和A(或A1,A2)与电池温度和日射强度都相闭,确定起来很是困穷,所以未便于工程行使,正在太阳能电池供应商向用户供给的身手参数中也不包含这些参数。

  鉴于单指数模子已足以准确描写太阳能电池的伏安个性,下面将正在单指数模子的根本上,通过忽视(U+IRs)/Rsh 项和设定Iph=Isc,获得工程适用的太阳能电池模子。忽视(U+IRs)/Rsh 项,是由于正在日常处境下Rsh 较大,有几百到几千欧,该项远幼于光电流;设定Iph=Isc,是由于正在日常处境下Rs 远幼于二极管正引导通电阻。

  因为正在常温前提下exp[Um/(C2Uoc)])1,所以可忽视式中的“- 1”项,解出:

  可见,该模子只需输入太阳电池日常的身手参数Isc,Uoc,Im,Um,即可求出C1 和C2。从Isc,Uoc,Im,Um的转移中可表现出光照强度和电池温度的转移。工程行使中可通过实测弧线 个参数,亦可通过近似的函数来描写这组参数的转移。日常可近似以为Isc,Uoc 阔别随温度和光照强度呈线

  3.1 总体布局太阳阵模仿器性质上是一个电源,其输出端的I-U 个性弧线可能模仿太阳电池的I-U 弧线个性。模仿器带有与估计机接口,可凭据估计机给定的太阳电池阵特性参数实行设定。

  为了较确凿地模仿实践电源体系,并使仿真体系具备测试功效,太阳阵模仿器要以太阳能电池电道为根本单元,以多个模块并联的体式组成。关于卫星电源体系,凡是每个卫星具有两个太阳翼,每个太阳翼有多个同种或分歧种太阳能电池阵列并联组成,同时因为输出调整的需求,每个歧道模块还分为上、下两段。所以,模仿器的策画应以每个分段为模块,通过多个模块的串并联告竣对卫星电源阵的模仿。图4示出太阳电池模仿器的体系框图。

  琢磨到实践做事境况也许比力阴恶,且温度和日照前提均转移较速,所以采用模仿器件来告竣弧线的天生电道,以加快相应速率。通过高精度D/A将接纳到的数字参数给定转换为模仿值给定。

  凭据太阳能电池的数学模子,太阳能电池的输出I-U 弧线是正在一个恒定电压下减去一个二极管的I-U 个性弧线所示的太阳电池输出I-U 弧线模仿电道实行模仿。

  由图可见,输入包含开道电压和短道电流的给定,由这两个参数就能确定太阳能电池的做事状况。

  太阳能电池的非线性个性首要由模仿器件来告竣,分歧的弧线对应着分歧个性的二极管和其他电阻电容参数的选拔。

  凭据太阳能电池的工程模子,短道电流近似等于太阳能电池的光电流,首要由光照前提所定夺,而开道电压则近似为电池温度的一个线性函数。所以,光照前提和电池温度就能够简便地通过这两个参数的成立获得反应。

  能够看出,当反应电压幼于给定的Uoc 的参考值,放大器A1 输出为负,二极管因为反偏截止,A2的输出就只可由Isc 定夺,所有电道输出电流就为短道电流。当反应电压增大,能使A1 的输出为正,二极管正偏导通,A2 的输入则随二极管电流的增大而增大,输出则随之减幼。因为二极管的电压电流是指数闭联,使用这一闭联实行策画,使电流的减幼量行为输出电压的函数,并通过选拔相宜个性的二极管,就能很好地模仿太阳电池阵的I-U 弧线 功率输出一面

  采用图7所示的功率放大电道,对前面爆发的输出个性实行放大,电道采用了电流负反应的体式,通过简便的调整来跟踪模仿器的输出电流。电道策画上采用了P 沟道的MOSFET,策画成输入越大,输出电流越幼的体式,如许所有电道的输出电流将随二极管压降的增大而减幼。当所需的输出功率较大时,能够采用一组该电道实行并联,因为MOSFET的负温度系数个性,告竣了输出时的天然均流。同时正在负载上并联了电容Co,以模仿太阳能电池的节电容。为了保障每个MOSFET 歧道不因短道而产生阻滞,需正在每个MOSFET 歧道上安设肯定容量的保障丝,以确保所有模仿器的安宁。太阳电池阵模仿器的每个主阵歧道模块具有歧道输出、抽头点输出和功率地3 个对表功率接口端子。