一种精确模拟光伏电池片电性能的方法

摘要

本发明提出了一种精确模拟光伏电池片电性能的方法，根据太阳电池双二极管模型，列出其输出特性的等效方程，运用泰勒公式进行降幂求解，使电池片工作电流和工作电压之间的关系变成显性函数，然后根据厂家给定的在标准条件下测试电池片的电性能参数便可描绘出电池片对应的I‑V曲线，且可以通过控制光照强度和电池片温度得出不同工作条件下的电性能情况。本发明相对于单二极管四参数法具有较高的准确性，特别是在低辐照下较单二极管模型准确；最大工作点基本上与厂家提供的参数重合，偏差度在2%以内。

主权项

一种精确模拟光伏电池片电性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据双二极管等效模型电路图得到光伏电池片电性能的等效方程如下：I＝I_ph‑I_D1‑I_D2‑I_sh   (1)其中：$I_{D1}=I_{01}[\exp \left(\frac{V+{\mathrm{IR}}_s}{A_1{V}_T}\right)-1]---\left(2\right)$$I_{D2}=I_{02}[\exp \left(\frac{V+{\mathrm{IR}}_s}{A_2{V}_T}\right)-1]---\left(3\right)$其中：I为电池片的工作电流；I_ph为电池片的光生电流；I_D1为等效二极管D1的暗电流；I_D2为等效二极管D2的暗电流；I_sh为等效并联电阻的漏电流；I₀₁为等效二极管D1由于电子、空穴的扩散引起的反向饱和电流；I₀₂为等效二极管D2由于电子、空穴在空间电荷区的再复合引起的反向饱和电流；A₁为等效二极管D1的结构因子；A₂为等效二极管D2的结构因子；V为电池片的工作电压；R_s为等效串联电阻；为电池片的热电压，k为玻尔兹曼常数，T为电池片温度，q为电荷常数；I₀为等效二极管的反向饱和电流，对于等效二极管D1，I₀即为I₀₁，对于等效二极管D2，I₀即为I₀₂，I_o,ref为参考温度25℃下，结构因子为A时的反向饱和电流；T_c,ref为电池片参考温度；T_c为电池片现在的工作温度；E_g为半导体硅的禁带宽度；将公式(2)、(3)带入式(1)，并整理得到：$I=I_{ph}-I_{01}\left\{\exp \right[\frac{(V+{\mathrm{IR}}_s)}{A_1{V}_T}]-1\}-I_{02}\left\{\exp \right[\frac{(V+{\mathrm{IR}}_s)}{A_2{V}_T}]-1\}-\frac{V+{\mathrm{IR}}_s}{R_{sh}}---\left(5\right)$其中：R_sh为电池片的等效旁路电阻；2)将式(5)写成如下形式：$I=I_{ph}-I_{01}(e^{\frac{V}{A_1{V}_T}}*e^{\frac{{\mathrm{IR}}_s}{A_1{V}_T}}-1)-I_{02}(e^{\frac{V}{A_2{V}_T}}*e^{\frac{{\mathrm{IR}}_s}{A_2{V}_T}}-1)-\frac{V+{\mathrm{IR}}_s}{R_{sh}}---\left(9\right)$将式(9)中的项和项进行泰勒展开，并取线性部分，得到：$\begin{array}{c}I=I_{ph}-I_{01}\left[e^{\frac{V}{A_1{V}_T}}*\left(1+\frac{{\mathrm{IR}}_s}{A_1{V}_T}\right)-1\right]-I_{02}\left[e^{\frac{V}{A_2{V}_T}}*\left(1+\frac{{\mathrm{IR}}_s}{A_2{V}_T}\right)-1\right]-\frac{V+{\mathrm{IR}}_s}{R_{sh}}\\ =I_{ph}-I_{01}*e^{\frac{V}{A_1{V}_T}}*\frac{{\mathrm{IR}}_s}{A_1{V}_T}-I_{02}*e^{\frac{V}{A_2{V}_T}}*\frac{{\mathrm{IR}}_s}{A_2{V}_T}-I_{01}\left(e^{\frac{V}{A_1{V}_T}}-1\right)-I_{02}\left(e^{\frac{V}{A_2{V}_T}}-1\right)-\frac{V}{R_{sh}}-\frac{{\mathrm{IR}}_s}{R_{sh}}\end{array}---\left(10\right)$移向整理后得：$I=\frac{I_{ph}-\frac{V}{R_{sh}}-I_{01}\left(e^{\frac{V}{A_1{V}_T}}-1\right)-I_{02}(e^{\frac{V}{A_2{V}_T}}-1)}{1+\frac{I_{01}{R}_s}{A_1{V}_T}*e^{\frac{V}{A_1{V}_T}}+\frac{I_{02}{R}_s}{A_2{V}_T}*e^{\frac{V}{A_2{V}_T}}+\frac{R_s}{R_{sh}}}---\left(11\right)$其中：I_ph，R_sh，R_s均由电池片厂家提供；I₀₁，I₀₂直接根据式(4)求出；取A₁＝1，A₂＝1.2；V_T与电池片温度有关；此时式(11)中只有工作电压和工作电流是未知量，便得出工作电流I和工作电压V之间的显性关系；3)运用Matlab建模，设定工作电压从0开始直到开路电压V_oc为止，设定步长，便得出一系列的工作电流值，绘制曲线，得到电池片的I‑V曲线。