Solar Cell

Фотоэлектрический солнечный элемент.

Тип: AcausalElectricPowerSystems.Sources.SolarCell

Путь в библиотеке:

/Physical Modeling/Electrical/Sources/Solar Cell

Описание

Блок Solar Cell блок представляет собой источник тока от солнечного элемента.

Модель солнечного элемента включает в себя следующие компоненты:

Ток, индуцируемый солнечным элементом;
Температурная зависимость;
Тепловой порт.

Ток, индуцируемый солнечным элементом

Блок моделирует одиночный солнечный элемент в виде сопротивления , которое последовательно соединено с параллельной комбинацией следующих элементов:

Источник тока ;
Два экспоненциальных диода D1 и D2;
Параллельный резистор .

На рисунке показана эквивалентная электрическая схема:

solar cell 1

Выходной ток определяется как:

где

— ток, индуцируемый солнечным элементом:

где
- — освещенность солнечного элемента (интенсивность падающего излучения) в Вт/м²;
- — измеренный ток, генерируемый солнечным излучением при освещенности ;
— ток насыщения первого диода;
— ток насыщения второго диода;
— тепловое напряжение, равное , где
- — постоянная Больцмана;
- — значение параметра Device simulation temperature;
- — элементарный заряд электрона;
— коэффициент идеальности (или коэффициент эмиссии) первого диода;
— коэффициент идеальности (или коэффициент эмиссии) второго диода;
— напряжение на электрических выводах солнечного элемента.

Коэффициент идеальности варьируется для аморфных солнечных элементов, а для поликристаллических элементов обычно равен 2.

Блок позволяет выбирать между двумя моделями:

Модель с 8 параметрами, в которой представленное выше уравнение описывает выходной ток.
Модель с 5 параметрами, в которой к представленному выше уравнению применяются следующие упрощающие допущения:
- Ток насыщения второго диода равен нулю.
- Полное сопротивление параллельного резистора бесконечно.

Если выбрана модель с 5 параметрами, то можно параметризовать блок в терминах параметров представленной выше эквивалентной схемы или в терминах тока короткого замыкания и напряжения холостого хода, которые блок использует для получения этих параметров.

Во всех моделях можно настроить сопротивление блока и параметры тока в зависимости от температуры.

Вы можете смоделировать любое количество последовательно соединенных солнечных элементов, используя один блок Solar Cell, установив для параметра Number of series-connected cells per string значение больше 1. Внутренний блок по-прежнему моделирует только уравнения для одного солнечного элемента, но увеличивает выходное напряжение в зависимости от количества элементов. Такой способ моделирования более эффективен, чем индивидуальное моделирование уравнений для каждого элемента.

Температурная зависимость

Некоторые параметры солнечного элемента зависят от температуры. Температура солнечного элемента определяется значением параметра Device simulation temperature.

Блок обеспечивает следующее соотношение между током, индуцируемым солнечным элементом, и температурой солнечного элемента :

где

— значение параметра First order temperature coefficient for Iph, TIPH1;
— значение параметра Measurement temperature.

Блок обеспечивает следующее соотношение между током насыщения первого диода и температурой солнечного элемента :

где

— значение параметра Temperature exponent for Is, TXIS1;
— ширина запрещенной зоны, значение параметра Energy gap, EG.

Блок обеспечивает следующее соотношение между током насыщения второго диода и температурой солнечного элемента :

где — значение параметра Temperature exponent for Is2, TXIS2.

Блок обеспечивает следующее соотношение между последовательным сопротивлением и температурой солнечного элемента :

где — значение параметра Temperature exponent for Rs, TRS1.

Блок обеспечивает следующее соотношение между параллельным сопротивлением и температурой солнечного элемента :

где — значение параметра Temperature exponent for Rp, TRP1.

Тепловой порт

Для моделирования влияния выделяемого тепла и температуры устройства можно использовать тепловой порт:

Если флажок Enable thermal port не установлен, то блок не содержит теплового порта и не моделирует выделение тепла в устройстве.
Если флажок Enable thermal port установлен, то блок содержит тепловой порт, позволяющий моделировать выделение тепла за счет теплопотерь. Для обеспечения численной эффективности тепловое состояние не влияет на электрическое поведение блока.

Модель теплового порта, показанная на следующем рисунке, отражает только тепловую массу устройства. Тепловая масса напрямую подключена к тепловому порту компонента H. Внутренний блок Controlled Heat Flow Rate Source обеспечивает подачу теплового потока к порту и тепловой массе. Этот тепловой поток представляет собой внутреннее генерируемое тепло.

solar cell 2

Внутреннее генерируемое тепло в солнечном элементе рассчитывается в соответствии с эквивалентной схемой, приведенной в разделе Ток, индуцируемый солнечным элементом. Это сумма всех потерь на каждом из резисторов плюс потери на каждом из диодов.

Тепло, генерируемое внутри устройства из-за электрических потерь, является отдельным от солнечного излучения тепловым эффектом. Чтобы смоделировать тепловой нагрев за счет солнечного излучения, вы должны отдельно учесть его в своей модели и добавить тепловой поток к физическому узлу, подключенному к тепловому порту солнечного элемента.

Порты

Ненаправленные

# + — положительное напряжение
электричество

Details

Электрический порт, связанный с положительным напряжением солнечного элемента.

Имя для программного использования

p

# – — отрицательное напряжение
электричество

Details

Электрический порт, связанный с отрицательным напряжением солнечного элемента.

Имя для программного использования

n

# H — тепловой порт
тепло

Details

Тепловой ненаправленный порт.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите флажок Enable thermal port.

Имя для программного использования

thermal_port

Вход

# Ir — освещенность
скаляр

Details

Освещенность солнечного элемента.

Типы данных	`Float64`
Поддержка комплексных чисел	Нет

Параметры

Cell Characteristics

# Parameterize by — параметризация блока
By s/c current and o/c voltage, 5 parameter | By equivalent circuit parameters, 5 parameter | By equivalent circuit parameters, 8 parameter

Details

Выберите один из следующих методов параметризации блока:

By s/c current and o/c voltage, 5 parameter — укажите ток короткого замыкания и напряжение холостого хода, которые блок преобразует в эквивалентную схему солнечного элемента.
By equivalent circuit parameters, 5 parameter — укажите электрические параметры для модели эквивалентной схемы солнечного элемента, используя модель солнечного элемента с 5 параметрами, в которой используются следующие допущения:
- Ток насыщения второго диода равен нулю.
- Параллельный резистор имеет бесконечное сопротивление.
By equivalent circuit parameters, 8 parameter — укажите электрические параметры для модели эквивалентной схемы солнечного элемента, используя модель солнечного элемента с 8 параметрами.

Значения	`By s/c current and o/c voltage, 5 parameter` \| `By equivalent circuit parameters, 5 parameter` \| `By equivalent circuit parameters, 8 parameter`
Значение по умолчанию	`By s/c current and o/c voltage, 5 parameter`
Имя для программного использования	`model_type_and_parameterization`
Вычисляемый	Нет

# Short-circuit current, Isc — ток короткого замыкания
A | pA | nA | uA | mA | kA | MA

Details

Ток, возникающий при коротком замыкании солнечного элемента.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterize by значение By s/c current and o/c voltage, 5 parameter.

Единицы измерения	`A` \| `pA` \| `nA` \| `uA` \| `mA` \| `kA` \| `MA`
Значение по умолчанию	`7.34 A`
Имя для программного использования	`I_sc`
Вычисляемый	Да

# Open-circuit voltage, Voc — напряжение холостого хода
V | uV | mV | kV | MV

Details

Напряжение на солнечном элементе, когда он не подключен.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterize by значение By s/c current and o/c voltage, 5 parameter.

Единицы измерения	`V` \| `uV` \| `mV` \| `kV` \| `MV`
Значение по умолчанию	`0.6 V`
Имя для программного использования	`V_oc`
Вычисляемый	Да

# Irradiance used for measurements, Ir0 — освещенность, используемая для измерений
W/m^2

Details

Освещенность, при которой в солнечном элементе возникает ток, равный .

Единицы измерения	`W/m^2`
Значение по умолчанию	`1000.0 W/m^2`
Имя для программного использования	`irradiance0`
Вычисляемый	Да

# Quality factor, N — коэффициент эмиссии первого диода

Details

Коэффициент эмиссии первого диода.

Значение по умолчанию	`1.5`
Имя для программного использования	`N_diode1`
Вычисляемый	Да

# Series resistance, Rs — последовательное сопротивление
Ohm | mOhm | kOhm | MOhm | GOhm

Details

Внутреннее последовательное сопротивление.

Единицы измерения	`Ohm` \| `mOhm` \| `kOhm` \| `MOhm` \| `GOhm`
Значение по умолчанию	`0.0 Ohm`
Имя для программного использования	`R_s`
Вычисляемый	Да

# Diode saturation current, Is — ток насыщения первого диода
A | pA | nA | uA | mA | kA | MA

Details

Асимптотический обратный ток первого диода для увеличения обратного смещения при отсутствии какого-либо падающего излучения.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterize by значение By equivalent circuit parameters, 5 parameter или By equivalent circuit parameters, 8 parameter.

Единицы измерения	`A` \| `pA` \| `nA` \| `uA` \| `mA` \| `kA` \| `MA`
Значение по умолчанию	`1.0e-6 A`
Имя для программного использования	`I_diode1_sat`
Вычисляемый	Да

# Solar-generated current for measurements, Iph0 — ток, генерируемый солнечным излучением, для измерений
A | pA | nA | uA | mA | kA | MA

Details

Ток, индуцируемый солнечным излучением, когда освещенность элемента равна .

Зависимости

Единицы измерения	`A` \| `pA` \| `nA` \| `uA` \| `mA` \| `kA` \| `MA`
Значение по умолчанию	`7.34 A`
Имя для программного использования	`I_ph0`
Вычисляемый	Да

# Diode saturation current, Is2 — ток насыщения второго диода
A | pA | nA | uA | mA | kA | MA

Details

Асимптотический обратный ток второго диода для увеличения обратного смещения при отсутствии какого-либо падающего излучения.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterize by значение By equivalent circuit parameters, 8 parameter.

Единицы измерения	`A` \| `pA` \| `nA` \| `uA` \| `mA` \| `kA` \| `MA`
Значение по умолчанию	`0.0 A`
Имя для программного использования	`I_diode2_sat`
Вычисляемый	Да

# Quality factor, N2 — коэффициент эмиссии второго диода

Details

Коэффициент эмиссии второго диода.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterize by значение By equivalent circuit parameters, 8 parameter.

Значение по умолчанию	`2.0`
Имя для программного использования	`N_diode2`
Вычисляемый	Да

# Parallel resistance, Rp — параллельное сопротивление
Ohm | mOhm | kOhm | MOhm | GOhm

Details

Внутреннее параллельное сопротивление.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterize by значение By equivalent circuit parameters, 8 parameter.

Единицы измерения	`Ohm` \| `mOhm` \| `kOhm` \| `MOhm` \| `GOhm`
Значение по умолчанию	`Inf Ohm`
Имя для программного использования	`R_p`
Вычисляемый	Да

Panel Configuration

# Number of series-connected cells per string — количество последовательно соединенных солнечных элементов в каждой цепочке

Details

Количество последовательно соединенных солнечных элементов в каждой цепочке, моделируемой блоком. Значение должно быть больше 0.

Значение по умолчанию	`1.0`
Имя для программного использования	`series_cell_count`
Вычисляемый	Да

# Number of parallel-connected strings — количество параллельно соединенных цепочек

Details

Количество цепочек солнечных элементов, соединенных параллельно. Значение должно быть больше 0.

Значение по умолчанию	`1.0`
Имя для программного использования	`parallel_cell_count`
Вычисляемый	Да

Temperature Dependence

# Enable thermal port — включение теплового порта

Details

Чтобы включить моделирование тепловых эффектов, установите флажок для этого параметра.

Значение по умолчанию	`false (выключено)`
Имя для программного использования	`has_thermal_port`
Вычисляемый	Нет

Details

Порядок линейного увеличения тока, генерируемого солнечным элементом, при повышении температуры. Значение должно быть больше или равно 0.

Единицы измерения	`1/K` \| `1/degR` \| `1/deltaK` \| `1/deltadegC` \| `1/deltadegF` \| `1/deltadegR`
Значение по умолчанию	`0.0 1/K`
Имя для программного использования	`K0`
Вычисляемый	Да

# Energy gap, EG — ширина запрещенной зоны
J | mJ | kJ | MJ | mW*hr | W*hr | kW*hr | MW*hr | eV | cal | kcal | Btu_IT

Details

Энергия активации солнечного элемента. Значение должно быть больше или равно 0.1.

Единицы измерения	`J` \| `mJ` \| `kJ` \| `MJ` \| `mWhr` \| `Whr` \| `kWhr` \| `MWhr` \| `eV` \| `cal` \| `kcal` \| `Btu_IT`
Значение по умолчанию	`1.11 eV`
Имя для программного использования	`E_g`
Вычисляемый	Да

# Temperature exponent for Is, TXIS1 — температурный показатель для I_s

Details

Порядок экспоненциального увеличения тока на первом диода при повышении температуры. Значение должно быть больше 0.

Значение по умолчанию	`3.0`
Имя для программного использования	`K1`
Вычисляемый	Да

# Temperature exponent for Rs, TRS1 — температурный показатель для R_s

Details

Порядок экспоненциального увеличения последовательного сопротивления при повышении температуры. Значение должно быть больше или равно 0.

Значение по умолчанию	`0.0`
Имя для программного использования	`K3`
Вычисляемый	Да

Details

Температура, при которой были измерены параметры солнечного элемента. Значение должно быть больше 0.

Единицы измерения	`K` \| `degC` \| `degF` \| `degR` \| `deltaK` \| `deltadegC` \| `deltadegF` \| `deltadegR`
Значение по умолчанию	`25.0 degC`
Имя для программного использования	`T_measurement`
Вычисляемый	Да

Details

Температура, при которой моделируется солнечный элемент. Значение должно быть больше 0.

Единицы измерения	`K` \| `degC` \| `degF` \| `degR` \| `deltaK` \| `deltadegC` \| `deltadegF` \| `deltadegR`
Значение по умолчанию	`25.0 degC`
Имя для программного использования	`T_device_fixed`
Вычисляемый	Да

# Temperature exponent for Is2, TXIS2 — температурный показатель для I_s2

Details

Порядок экспоненциального увеличения тока на втором диоде при повышении температуры. Значение должно быть больше или равно 0.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterize by значение By equivalent circuit parameters, 8 parameter.

Значение по умолчанию	`3.0`
Имя для программного использования	`K2`
Вычисляемый	Да

# Temperature exponent for Rp, TRP1 — температурный показатель для R_p

Details

Порядок экспоненциального увеличения параллельного сопротивления при повышении температуры. Значение должно быть больше или равно 0.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterize by значение By equivalent circuit parameters, 8 parameter.

Значение по умолчанию	`0.0`
Имя для программного использования	`K4`
Вычисляемый	Да

Thermal Port

# Thermal mass per cell — тепловая масса на ячейку
J/K | kJ/K

Details

Тепловая энергия, необходимая для повышения температуры одного солнечного элемента на один градус. При последовательном моделировании более чем одной ячейки укажите тепловую массу для одной ячейки. Это значение умножается на количество элементов, чтобы определить общую тепловую массу.

Единицы измерения	`J/K` \| `kJ/K`
Значение по умолчанию	`100.0 J/K`
Имя для программного использования	`thermal_mass`
Вычисляемый	Да

Details

Температура солнечного элемента в начале моделирования.

Единицы измерения	`K` \| `degC` \| `degF` \| `degR` \| `deltaK` \| `deltadegC` \| `deltadegF` \| `deltadegR`
Значение по умолчанию	`25.0 degC`
Имя для программного использования	`T_start`
Вычисляемый	Да

Литература

J.A. Gow J.A., C.D. Manning, Development of a Photovoltaic Array Model for Use in Power-Electronics Simulation Studies. IEEE Proceedings of Electric Power Applications, Vol. 146, No. 2, 1999, pp. 193–200.