CN106059494A - 一种基于光伏电池负载两端电压计算辐照度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光伏电池负载两端电压计算辐照度的方法，首先通过太阳电池输出特性，结合负载两端电压与电流关系及近似认为光生电流等于短路电流，得到负载两端电压与短路电流的关系，利用太阳电池的性能参数确定公式中的性能参数；进一步利用暴露在太阳及环境温度下的开路电压计算获得硅晶电池片的温度，结合辐照度、负载两端电压，得到负载两端电压与辐照度的关系，本发明可通过负载两端电压计算获得精准的辐照度，从而准确预测发电量。

Description

一种基于光伏电池负载两端电压计算辐照度的方法

技术领域

本发明涉及一种基于光伏电池负载两端电压计算辐照度的方法，属于光伏系统技术领域。

背景技术

随着不可再生能源的日益枯竭，水能、风能、太阳能等可再生能源备受关注。随光伏系统的发展，系统效率的测量作为计算太阳电池性能的重要因素被广泛研究，辐照度计算精度是其影响因素之一。现有辐照度计算模型认为光伏电池的工作电流与辐照度呈线性关系，均利用忽略内部串联电阻的光伏电池输出性能关系推导短路电流后计算辐照度。事实上工作电流与辐照度在高辐照时并非呈线性关系，同时忽略串联电阻使模型在低辐照时计算误差大。现有模型在高、低辐照情况下较大的误差，导致组件效率评估失误，从而预测发电量出现误差；同时现有计算模型是以输出电流为计算基础，其采集难度大、精度不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于光伏电池负载两端电压计算辐照度的方法，解决辐照度线性模型计算误差较大问题，从而精准预测发电量。

为解决上述技术问题，本发明提供基于光伏电池负载两端电压计算辐照度的方法，包括以下步骤：

1)在光伏电池两端接一负载电阻R_L，光伏电池输出特性满足：

$I=I_{ph}-I_0\[e^{\frac{q(U+{\mathrm{IR}}_s)}{AkT}}-1\]-\frac{U+{\mathrm{IR}}_s}{R_{sh}}---\left(5\right)$

其中，I表示流经负载电阻的电流，I_ph为光生电流，I₀为新指数前因子，q为单个光子电荷数，U表示负载电阻两端电压，R_sh表示旁路电阻、R_s表示串联电阻，A为P-N结理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为电池片表面温度；

2)负载电阻两端电压U，流经负载电阻的电流I和负载电阻R_L之间满足：

U＝I×R_L (6)

则，式(5)转换为负载两端电压U与光生电流I_ph的关系：

$I_{ph}=\frac{U}{R_L}+\frac{U(R_s+R_L)}{R_{sh}\·R_L}+I_0\[e^{\frac{qU(R_L+R_s)}{AkT\·R_L}}-1\]---\left(7\right)$

3)当负载电阻R_L短路时，U＝0，I＝I_sc，则式(5)转变为：

$I_{ph}=I_{sc}+I_0(e^{\frac{{\mathrm{qI}}_{sc}{R}_s}{{\mathrm{AkT}}_{sc}}}-1)+\frac{I_{sc}{R}_s}{R_{sh}}---\left(8\right)$

其中，T_sc表示负载R_L短路时电池板表面温度；I_sc表示短路电流；

假设I_ph＝I_sc，式(8)变为：

$I_0(e^{\frac{{\mathrm{qI}}_{sc}{R}_s}{{\mathrm{AkT}}_{sc}}}-1)=-\frac{I_{sc}{R}_s}{R_{sh}}---\left(10\right)$

选择范围内的负载电阻，得到标准条件下光伏电池的性能参数R_s、R_sh、I_sc、T_sc，代入式(10)中计算获得新指数前因子I₀；

4)同样假设I_ph＝I_sc，根据不同辐照度下光伏电池的IV特性曲线分析可知，短路电流I_sc与入射光辐照度H成正相关性，相应的光生电流I_ph也与入射光辐照度H成正相关性，因此，令I_ph＝k_HH，则式(7)变为：

$k_{H}H=U\frac{R_s+R_L+R_{sh}}{R_{sh}\·R_L}+I_0\[e^{\frac{q(R_L+R_s)}{AkT\·R_L}\·U}-1\]---\left(11\right)$

式中，k_H为负载两端电压与入射光辐照度之间的关系系数，k_H是以负载两端电压为自变量的公式；

5)利用暴露在太阳光下和处于环境温度下的光伏电池的开路电压的差值，计算获得电池片表面温度：

T表示电池片表面温度，T_环境表示环境温度，U_oc表示环境温度下光伏电池开路电压，U_oc-T表示暴露在太阳下的光伏电池开路电压；

6)选取不同的时间点，记录该时间点的辐照度H、负载电阻两端电压U、环境温度下光伏电池开路电压U_oc、暴露在太阳下的光伏电池开路电压U_oc-T、环境温度T_环境，将采集到的数据代入式(11)计算出k_H，利用线性回归方法计算出k_H与U之间的关系，从而推导出光伏电池负载电阻两端电压U与辐照度H间的关系。

本发明所达到的有益效果：

本发明弥补现有辐照度线性计算模型在高、低辐照情况下较大的误差，通过负载两端电压精准的计算出辐照度，预测组件的发电效率，从而准确预测发电量。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2为太阳电池内部等效电路图；

图3为不同辐照度下光伏电池的IV特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明方法首先通过太阳电池输出特性，结合负载两端电压与电流关系及近似认为光生电流等于短路电流，得到负载两端电压与短路电流的关系，利用太阳电池的性能参数确定公式中的性能参数。进一步利用暴露在太阳及环境温度下的开路电压计算获得硅晶电池片的温度，结合辐照度、负载两端电压，得到负载两端电压与辐照度的关系，具体计算流程如下：

1.光伏电池计算

在光伏电池两端接一负载电阻R_L，当光伏电池接收到太阳光的照射时即认为其处于工作状态，其等效电路如图2所示。光伏电池接收到太阳光后形成光生电流I_ph，其中大部分流经负载电阻R_L，在负载电阻两端形成端电压U，该电压反过来正向偏置于光伏电池的P-N结二极管，在二极管两端形成与光生电流方向相反的暗电流I_D，其为复合电流、隧道电流及注入电流三者之和，在一般情况下忽略隧道电流。理想化的光伏电池相当于一个电流为I_ph的恒流源与内部二极管并联，但实际使用过程中光伏电池自身还存在旁路电阻R_sh、串联电阻R_s。

假设电阻两端电压为U，流经电阻的电流为I，则加载在旁路电阻R_sh两端电压为U+IR_s，因此流经旁路电阻R_sh的电流为：

I_sh＝(U+IR_s)/R_sh (1)

结合光生电流：

I_ph＝I_D+I_sh+I (2)

可得：

$I(1+\frac{R_s}{R_{sh}})=I_{ph}-\frac{U}{R_{sh}}-I_D---\left(3\right)$

为了利用等效电路计算光伏电池的输出性能，将暗电流简化为指数形式：

$I_D=I_0\[e^{\frac{q(U+{\mathrm{IR}}_s)}{AkT}}-1\]---\left(4\right)$

式中，q为单个光子电荷数，q＝1.6×10^-19，I₀为新指数前因子，A为P-N结理想因子(一般取1)，k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J/K，T为电池板表面温度(K)。综合式(3)、(4)可得光伏电池输出特性：

$I=I_{ph}-I_0\[e^{\frac{q(U+{\mathrm{IR}}_s)}{AkT}}-1\]-\frac{U+{\mathrm{IR}}_s}{R_{sh}}---\left(5\right)$

2.辐照强度数学模型建立

由于短路电流与辐照度在一定程度上呈线性关系，因此现有方法基本是测得电流后通过公式计算出辐照度，但电路中的电流值难以获取，且市面上的AD转换器均是将电压信号转换为辐照信号，因此本方法是基于外接电阻求得电压与辐照间的关系。具体如下：

假设在光伏电池正负极间连接一负载电阻R_L：

U＝I×R_L (6)

则式(5)可转变为负载两端电压U与光生电流I_ph的关系：

$I_{ph}=\frac{U}{R_L}+\frac{U(R_s+R_L)}{R_{sh}\·R_L}+I_0\[e^{\frac{qU(R_L+R_s)}{AkT\·R_L}}-1\]---\left(7\right)$

由式(5)可知，当负载R_L短路时，即式中U＝0，I＝I_sc，则式(5)转变为：

$I_{ph}=I_{sc}+I_0(e^{\frac{{\mathrm{qI}}_{sc}{R}_s}{{\mathrm{AkT}}_{sc}}}-1)+\frac{I_{sc}{R}_s}{R_{sh}}---\left(8\right)$

T_sc表示负载R_L短路时电池板表面温度；I_sc表示短路电流；

当负载R_L趋于无穷时，则U＝U_oc，I＝0，则式(5)变为：

$I_{ph}=I_0(e^{\frac{{\mathrm{qU}}_{oc}}{{\mathrm{AkT}}_{oc}}}-1)+\frac{U_{oc}}{R_{sh}}---\left(9\right)$

T_oc表示负载R_L趋于无穷时电池板表面温度；U_oc表示开路电压；

这里考虑到电路中串联的电阻应保证光伏电池在功率最大点左端附近工作，若光伏电池工作在最大功率点的右端，该段电压微小的变化会导致电流大幅度的下降，存在安全故障隐患。而若光伏电池工作在最大功率点的左端，电流近似与电压不相关，因此这里认定光伏电池的光生电流I_ph＝I_sc，则式(8)转变为：

$I_0(e^{\frac{{\mathrm{qI}}_{sc}{R}_s}{{\mathrm{AkT}}_{sc}}}-1)=-\frac{I_{sc}{R}_s}{R_{sh}}---\left(10\right)$

从图3中可以得出，当入射光的辐照度增减，相应的短路电流也相应的增减，因此可得短路电流I_sc与入射光辐照度H成正相关性，相应的光生电流I_ph也与入射光辐照度H成正相关性，令I_ph＝k_HH，则负载电阻两端电压U与入射光辐照度H之间的关系为：

$k_{H}H=U\frac{R_s+R_L+R_{sh}}{R_{sh}\·R_L}+I_0\[e^{\frac{q(R_L+R_s)}{AkT\·R_L}\·U}-1\]---\left(11\right)$

式中，k_H为负载两端电压与入射光辐照度之间的关系系数，T为硅晶电池板表面温度(K)。

3.辐照度关系系数确定

(1)性能参数确定

当负载电阻值R_L满足：时，便可保障所测辐照精度在10W/m²内，因此选择该范围内的合适阻值的外接负载电阻，得到标准条件下光伏电池的性能参数R_s、R_sh、I_sc、T_sc，代入式(10)中计算获得新指数前因子I₀。

(2)硅晶电池温度确定

一般地，电池片温度与开路电压呈负相关性，如下：

$\frac{U_{oc}-U_{oc-T}}{U_{oc}}=-0.4\%\mathrm{\Δ}T---\left(13\right)$

U_oc-T表示暴露在太阳下的光伏电池开路电压，ΔT表示电池片温度与环境温度之差，ΔT＝T-T_环境。

本发明利用暴露在太阳光下和处于环境温度下的光伏电池的开路电压的差值，计算获得电池片温度：

T表示电池片温度，T_环境表示环境温度。

(3)电压-辐照系数确定

利用辐照计测试辐照度，万用表测试光伏电池负载两端电压值、暴露在太阳下及环境温度下的光伏电池开路电压值。本发明选取不同的时间点，记录该时间点的辐照度H、外接负载两端电压U、环境温度下光伏电池开路电压U_oc、暴露在太阳下的光伏电池开路电压U_oc-T、环境温度T_环境，保证不同辐照度下对应的数据都能采集到。将采集到的数据代入式(11)计算出k_H，这里的系数k_H是以负载两端电压为自变量的公式，因此利用线性回归等方法计算出k_H与U之间的关系，从而推导出光伏电池负载两端电压与辐照度间的关系。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于光伏电池负载两端电压计算辐照度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在光伏电池两端接一负载电阻R_L，光伏电池输出特性满足：

$I=I_{ph}-I_0\[e^{\frac{q(U+{\mathrm{IR}}_s)}{AkT}}-1\]-\frac{U+{\mathrm{IR}}_s}{R_{sh}}---\left(5\right)$

其中，I表示流经负载电阻的电流，I_ph为光生电流，I₀为新指数前因子，q为单个光子电荷数，U表示负载电阻两端电压，R_sh表示旁路电阻、R_s表示串联电阻，A为P-N结理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为电池片表面温度；

2)负载电阻两端电压U，流经负载电阻的电流I和负载电阻R_L之间满足：

U＝I×R_L (6)

则，式(5)转换为负载两端电压U与光生电流I_ph的关系：

$I_{ph}=\frac{U}{R_L}+\frac{U(R_s+R_L)}{R_{sh}\·R_L}+I_0\[e^{\frac{qU(R_L+R_s)}{AkT\·R_L}}-1\]---\left(7\right)$

3)当负载电阻R_L短路时，U＝0，I＝I_sc，则式(5)转变为：

$I_{ph}=I_{sc}+I_0(e^{\frac{{\mathrm{qI}}_{sc}{R}_s}{{\mathrm{AkT}}_{sc}}}-1)+\frac{I_{sc}{R}_s}{R_{sh}}---\left(8\right)$

其中，T_sc表示负载R_L短路时电池板表面温度；I_sc表示短路电流；

假设I_ph＝I_sc，式(8)变为：

$I_0(e^{\frac{{\mathrm{qI}}_{sc}{R}_s}{{\mathrm{AkT}}_{sc}}}-1)=-\frac{I_{sc}{R}_s}{R_{sh}}---\left(10\right)$

选择范围内的负载电阻，得到标准条件下光伏电池的性能参数R_s、R_sh、I_sc、T_sc，代入式(10)中计算获得新指数前因子I₀；

4)同样假设I_ph＝I_sc，根据不同辐照度下光伏电池的IV特性曲线分析可知，短路电流I_sc与入射光辐照度H成正相关性，相应的光生电流I_ph也与入射光辐照度H成正相关性，因此，令I_ph＝k_HH，则式(7)变为：

$k_{H}H=U\frac{R_s+R_L+R_{sh}}{R_{sh}\·R_L}+I_0\[e^{\frac{q(R_L+R_s)}{AkT\·R_L}\·U}-1\]---\left(11\right)$

式中，k_H为负载两端电压与入射光辐照度之间的关系系数；k_H是以负载两端电压为自变量的公式；

5)利用暴露在太阳光下和处于环境温度下的光伏电池的开路电压的差值，计算获得电池片表面温度：

T表示电池片表面温度，T_环境表示环境温度，U_oc表示环境温度下光伏电池开路电压，U_oc-T表示暴露在太阳下的光伏电池开路电压；

6)选取不同的时间点，记录该时间点的辐照度H、负载电阻两端电压U、环境温度下光伏电池开路电压U_oc、暴露在太阳下的光伏电池开路电压U_oc-T、环境温度T_环境，将采集到的数据代入式(11)计算出k_H，利用线性回归方法计算出k_H与U之间的关系，从而推导出光伏电池负载电阻两端电压U与辐照度H间的关系。