一种高精度硅太阳能电池的工程模型及计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度硅太阳能电池的工程模型及计算方法，包括以下步骤：S1通过基本等效参数模型得到基本I?V输出函数S2考虑辐照度与温度对等效参数的影响，尤其是对串联等效电阻的影响，从而对基本I?V输出函数进行修正，并且合理简化修正后的结果；S3最后通过对实验数据拟合得到修正简化后的I?V输出函数中难以通过理论计算得到的参数，从而得到太阳能电池的工程模型。本发明方法考虑了温度，以及辐照度对太阳能电池等效参数的影响，并且重点考虑了对串联等效电阻的影响，进而进一步修正了太阳能电池输出的工程数学模型。本发明对太阳能电池输出的精确表达式做了合理简化，并保证了精确性。
【专利说明】
一种高精度硅太阳能电池的工程模型及计算方法
技术领域
[0001] 本发明属于硅太阳能电池技术领域，具体涉及一种高精度硅太阳能电池的工程模 型。
【背景技术】
[0002] 光伏系统作为洁净能源有着良好的应用和发展前景，太阳能电池作为光伏系统的 核心越来越受到人们的关注。而太阳能电池的输出特性往往制约着光伏发电，对太阳能电 池输出特性的分析研究有利于提高光伏发电系统地性能，实现对太阳能电池阵列故障点的 分析辨别。为了分析太阳能电池的输出特性，人们就建立了相应等效参数模型进行分析。有 对输出特性进行简化等效处理的，《光伏电池工程用数学模型研究》(傅望周林郭珂等.光伏 电池工程用数学模型研究电工技术学报，2011(10) :211-216)就提出了用平抛曲线来替代 太阳能电池输出特性曲线的方法。虽然该方法有利于运算速度，但这种等效模型简化过多， 精度受到限制。此外大多采用等效参数模型，该模型是基于电子学理论。太阳能电池可以用 参数等效模型来描述，包括有受辐照度控制的电流源，并联反向二极管，并联电阻以及串联 电阻。《任意光强和温度下的硅太阳电池非线性工程简化数学模型》(廖志凌，阮新波.任意 光强和温度下的硅太阳电池非线性工程简化数学模型.太阳能学报，2009，04:430-5.)该文 献中就是基于等效参数理论，根据厂家给出参数。电池生产厂家提供的标准测试条件下(光 照强度l〇〇〇W/m 2,太阳能电池温度25°C)的太阳能电池 I-V特性曲线中的四个参数，短路电 流Isc，开路电压V。。、最大功率点电流Im和最大功率点电压V m，以及根据大量实验数据拟合得 到其四个补偿系数。从而得到太阳能电池在任意辐照度与温度下的输出特性。但是在这种 方法中忽略串联电阻变化对输出特性曲线的影响，从而影响了精度。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，本发明公开了一种高精度硅太阳能电池的工程模型及计算方法。
[0004] 本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：一种高精度硅太阳能电池的工 程模型，所述工程模型为：
[0005]
[0000] 其中：I表不输出电流，V表不输出电压，G表不福照度，Gref表不参考福照度，T表不 电池温度，Tref表示参考电池温度，α是温度系数，为正数;β是辐照度系数，为一负数，α与β的 值通过实验数据拟合得到，Isc为太阳能电池短路电流，W为温度补偿系数，为简化合并后 的系数，h = RS/RHS，VT为温度当量电压。
[0007] 进一步，所述工程模型为：
[0008]
[0009] 本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，一种高精度硅太阳能电池的工 程模型的计算方法，包括以下步骤：
[0010] S1通过基本等效参数模型得到基本I-V输出函数；
[0011] S2考虑辐照度与温度对串联等效电阻的影响，从而对基本I-V输出函数进行修正， 并且合理简化修正后的结果；
[0012] S3最后通过对实验数据拟合得到修正简化后的I-V输出函数中难以通过理论计算 得到的参数，从而得到太阳能电池的工程模型。
[0013]进一步，所述步骤S1中基本I-V输出函数为：
[0014]
(1)
[0015] 其中I表示输出电流，V表示输出电压，IL为光生电流，I。为等效二极管反向饱和电 流，VT为温度当量电压，Rs表示串联等效电阻，Rhs表示并联等效电阻。
[0016] 进一步，辐照度、温度与串联等效电阻的关系为：
[0017] Rs = a * Τ+β · G (4)
[0 018 ]其中，Τ与G分别为当前太阳能电池的温度与辐照度;a为温度系数，为正数;β为辐 照度系数，为一负数，a与邱制直通过实测数据拟合得到。
[0019] 进一步，修正并合理简化后的I-V输出函数表达式为：
[0020]
[0021 ] 其中，其中I表示输出电流，V表示输出电压，G表示辐照度，Gre3f表示参考辐照度，T 表示电池温度，Tref表示参考电池温度，a是温度系数，为正数;β是辐照度系数，为一负数，a 与β的值通过实验数据拟合得到，Isc为太阳能电池短路电流，W为温度补偿系数，为简化 合并后的系数AiiRs/RHs^T为温度当量电压。
[0022] 由于采用了以上技术方案，本发明具以下有益技术效果：
[0023] 1、本发明方法考虑了温度，以及辐照度对太阳能电池等效参数的影响，并且重点 考虑了对串联等效电阻的影响，进而进一步修正了太阳能电池输出的工程数学模型。
[0024] 2、本发明对太阳能电池输出的精确表达式做了合理简化，并保证了精确性。
【附图说明】
[0025]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述，其中：
[0026]图1为太阳能电池等效参数模型；
[0027] 图2为不同串联等效电阻下的I-V输出曲线图；
[0028] 图3为常数项D取不同值的I-V输出曲线图；
[0029]图4为有无第三项的对比图；
[0030] 图5为不同K2下的I-V曲线图；
[0031]图6为I、V实测数据与根据工程模型得到I-V曲线对比图；
[0032]图7为P-V输出曲线。
【具体实施方式】
[0033] 以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述;应当理解，优选实施例 仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0034] 本发明方法思路是:通过基本等效参数模型得到基本I-V输出函数。再考虑辐照度 与温度对等效参数(主要是串联等效电阻）的影响，对基本I-V输出函数进行修正，并且合理 简化修正后的结果，最后通过对实测实验数据拟合得到修正简化后的I-V输出函数中难以 通过理论计算得到的参数，从而得到太阳能电池的工程模型。其具体方法如下：
[0035] ( - )通过基本等效参数模型得到基本I-V输出函数为：
[0036]
(1)
[0037] 其中I表示输出电流，V表示输出电压，IL为光生电流，I。为等效二极管反向饱和电 流，Vt为温度当量电压，Rs表不串联等效电阻，Rhs表不并联等效电阻。其精确的表达式为：
[0038]
(2)
[0039]显然该表达式参数较多，并且难以确定，比较繁琐。本发明方法中是直接把指数项 与Ioref合并为一个变量β?代替，BP
[0040]
(3) \ 2 VI /
[0041]扮的值通过实验数据拟合得到，通过这样替代，表达式得到明显简化，又不失准确 度。由于⑵中是一个很小的正数，数量级在l(T1()(ec是材料能带宽度，娃材料取l.leV)， 而
恒成立，所以（2)式中的指数项的指数是一个接近于0的数，所以指数可认 为是常数l，Ic^f是标准条件下的等效二极管反向饱和电流，不易直接得出，所以可以通过 实验数据拟合得到，综上(2)用
ft代替完全合理而且不影响精度。
[0042] (二)考虑辐照度与温度对等效参数(主要是串联等效电阻）的影响，对基本I-V输 出函数进行修正，并且合理简化修正后的结果。
[0043] 通过分析辐照度与温度对等效参数（串联等效电阻)的影响，
[0044] 辐照度、温度与串联等效电阻的关系为：
[0045] Rs = a · Τ+β · G (4)
[0046] 其中，Τ与G分别为当前列阵的温度与辐照度;a为温度系数，为正数;β为辐照度系 数，为一负数，a与邱制直通过实测数据拟合得到。
[0047] 根据（1)可以看到RS位于I-V指数项，不难想到串联等效电阻对输出I-V曲线是十 分敏感的。用函数关系
[0048] U = U(Rs,I) (5)
[0049] 表示I-V输出特性关系，用γ表示敏感系数，为
[0050]
(6)
[0051]借助matlab绘图进行敏感性分析，采用持续改变串联等效电阻的值，绘出不同的 ?-v曲线与串联等效电阻，与标准测试条件下的串联等效电阻值进行比较。比较结果如图2。 图中0.75，1，1.25，1.5，1.75，2表示的是标幺值，以标准测试条件下的串联等效电阻值为基 准值1。显然可以看出Rs对I-V输出曲线的影响是显著的。根据串联等效电阻等效的是半导 体电阻，以及电极金属电阻等，因此合理假设其串联等效电阻与温度成一个近似线性相关 的函数
[0052] Rs=(l+a(T-Tref)) · Rsref (7)
[0053] 串联等效电阻的阻值大小与辐照度成近似线性相关的函数
[0054] Rs=(l+0(G-Gref)) · Rsref (8)
[0055] 其中Trrf表示参考电池温度，Grrf表示参考辐照度，所以结合(7)和(8)两项，得到
[0056] Rs=(l+0(G-Gref)+a(T-Tref)) · Rsref (9)
[0057] 其中RSrrf是参考串联等效电阻为常数，所以(9)可以改写为
[0058] Rs = D+e · G+a . T (10)
[0059] 其中T与G为当前温度与辐照度，D=(l_f3 · Gref-a · Tref).RSref，理论上D是一个较 小的数据，数量级10以内，把(9)式带入到（1)中，通过借助matlab分析如图3,有无 D值差别 不大。而且由于D引起的误差相当于引起该指数项系数的误差，可以通过扮根据实验数据拟 合值得以修正。所以可以直接令：
[0060] Rs = a * Τ+β · G (11)
[0061] 该式同时考虑了温度与辐照度对串联等效电阻的影响，提高了输出特性表达式的 精确性，同时也显著简化了表达式。
[0062] (三)在本发明中保留了公式（1)中的第三项
，但是做了简化处理，同时借 助matlab分析发现第三项具有良好的修正作用，第三项对I-V曲线的斜率有比较明显的影 响如图4所示。令1/1^3 = 1(2，1^/1^ = 1(1，通过分析又发现曲线对1(1的值更为敏感，1(2的大小几 乎不影响I-V输出曲线。因为RHS取值一般很大，所以令1( 2分别等于0,0.01，0.05三种情况，发 现所绘出的曲线基本重合如图5所示，并且K2所引起的误差，可以通过修正心的值来消除，所 以心这里当0处理，而心的值则通过数据的拟合得到。
[0063]本发明方法针对硅太阳能电池得到的最终I -V输出函数表达式为：
[0064]
(12)
[0065] 其中需要拟合的只有<^，€[1，01，1(1，其它参数为已知参数。其中￥ 1 =卜（1'1(/^)』 为输出电压V值所对应的串联电池组件个数，Τ表示电池温度，Κ表示波尔兹曼常数，q表示电 子电荷。根据实验数据，借助matlab最小二乘法拟合得到最终的任意条件下太阳能电池输 出工程模型，针对型号为TSM-175DA01的单晶硅太阳电池组件，得到的工程模型如下：
[0066]
[0067] 其中α,β,Α,βιΚι分别为0.0037( Ω/Γ)，0·00021( Ω · mVffhO.OHrC-Oj.eX 10^)，0.0015。太阳能电池阵列输出的1，￥实测数据与根据工程模型得到1，曲线如图6。 显然根据工程模型得到的数据与实测数据很吻合
[0068] 又根据太阳能电池的工程模型，可以得到太阳能电池阵列的P-V输出曲线如图7所 示，其相关参数如表格1。而实测数据如表格2。
[0069] 表1太阳能电池工程模型不同辐照度及温度条件下的输出参数
[0070]
[0071] 表2实测太阳能电池阵列的相关参数
[0072]
[0073] 对比表1与表2中最大功率处的电压与电流十分接近，并且最大功率值也基本相 等。
[0074] 实测最大功率为178.1W，与用工程模型在辐照度G=1000W/m2时的最大功率值 178.9W非常吻合。从而也验证了本发明方法的精确性。
[0075] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人 员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的 这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些 改动和变型在内。
【主权项】
1. 一种高精度娃太阳能电池的工程模型，其特征在于:所述工程模型为：其中：1表示输出电流，V表示输出电压，G表示福照度，Gref表示参考福照度，T表示电池 溫度，Tref表示参考电池溫度，α是溫度系数，为正数;β是福照度系数，为一负数，α与β的值通 过实验数据拟合得到，Isc为太阳能电池短路电流，αι为溫度补偿系数，βι为简化合并后的系 数，Κι =化/姑s，Vt为溫度当量电压。2. 根据权利要求1所述的高精度娃太阳能电池的工程模型，其特征在于:所述工程模型 为：3. -种高精度娃太阳能电池的工程模型计算方法，其特征在于:包括W下步骤： S1通过基本等效参数模型得到基本I-V输出函数； S2考虑福照度与溫度对串联等效电阻的影响，从而对基本I-V输出函数进行修正，并且 简化修正后的结果； S3最后通过对实验数据拟合得到修正简化后的I-V输出函数中难W通过理论计算得到 的参数，从而得到太阳能电池的工程模型。4. 根据权利要求3所述的高精度娃太阳能电池的工程模型计算方法，其特征在于:所述 步骤S1中基本I-V输出函数为：(1) 其中I表示输出电流，V表示输出电压，为光生电流，I。为等效二极管反向饱和电流，Vt 为溫度当量电压，Rs表示串联等效电阻，Rhs表示并联等效电阻。5. 根据权利要求4所述的高精度娃太阳能电池的工程模型计算方法，其特征在于:福照 度、溫度与串联等效电阻的关系为： Rs =曰· Τ+β · G (4) 其中，Τ与G分别为当前太阳能电池的溫度与福照度;α为溫度系数，为正数;β为福照度 系数，为一负数，α与β的值通过实验数据拟合得到。6. 根据权利要求5所述的高精度娃太阳能电池的工程模型计算方法，其特征在于:修正 并简化后的I-V输出函数表达式为：其中：G表示福照度，Gref表示参考福照度，Τ表示电池溫度，Tref表示参考电池溫度，α是 溫度系数，为正数;β是福照度系数，为一负数，α与β的值通过实验数据拟合得到，Isc为太阳 能电池短路电流，α功溫度补偿系数，β功简化合并后的系数，Ki = Rs/姑S。
【文档编号】G06F19/00GK105975803SQ201610605852
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月27日
【发明人】郭珂, 伍敏, 黄恩芳, 戴博伟
【申请人】重庆大学