一种两端式层叠太阳电池I-V曲线快速获取方法

摘要

本发明提供了一种两端式层叠太阳电池I‑V曲线快速获取方法，以解决其电路模型参数拟合算法中误差准确计算的难题。首先计算给定等效终端电压集合对应各子电池终端电压、电流集合，然后选取特定子电池电流集合作为电流采样点，基于插值法计算各子电池在电流采点下的插值电压集合，最后对同一电流采样点下子电池插值电压求和获得终端电压集合，作电流采样点与终端电压集合曲线即为两端式层叠电池I‑V曲线。本发明方法简单，原理可靠，计算精度高，能够实现两端式层叠电池I‑V曲线的快速获取。其结果可作为电路模型参数拟合算法中误差判断依据，从而实现基于实验I‑V曲线的两端式层叠太阳电池等效电路模型参数的准确提取。

说明书

技术领域

本发明涉及一种两端式层叠太阳电池I-V曲线快速获取方法，。

背景技术

基于光照条件下太阳电池的I-V曲线来拟合其等效电路模型参数、进而分析其微观特性，是太阳电池性能分析的常用手段。

通常电池电路模型参数的拟合要配合优化算法来实现，该算法详见文献【1】，这其中的关键为基于拟合表达式的误差(即特定参数下I-V曲线与实验I-V曲线误差)快速准确计算。对于两端式层叠太阳电池，其由若干子电池串联而成，因此满足如下拟合表达式：

其中V_out与I_out为层叠电池终端电压电流，V_i为子电池终端电压。可知上式为一隐式表达式。因此针对特定电路参数，当给定I_out时，在解析层面只可通过迭代求解计算给出V_out。若此过程迭代次数为m，则会导致拥有n次循环的优化算法计算量增至n^m，使得计算效率指数降低，从而致使参数拟合出现困难。为此基于电路参数的层叠电池I-V曲线快速获取是实现层叠电池电路参数准确提取的关键。

文献【1】王志明,唐冬梅,魏光普.用IRAGA与ACA融合算法拟合太阳电池I-V曲线[J].太阳能学报,2013(06).

发明内容

本发明旨在提供了一种基于等效电路模型参数的两端式层叠太阳电池I-V曲线快速获取方法，该方法可用于电路模型参数拟合算法中拟合误差的准确判断，以解决现有分析方法无法实现两端式层叠太阳电池等效电路模型参数的快速准确提取。

本发明的基本原理构思是：

首先计算给定等效终端电压集合对应各子电池终端电压、电流集合，然后选取特定子电池电流集合作为电流采样点，基于插值法计算各子电池在对应电流采点下插值电压集合，最后对同一电流采样点下子电池插值电压求和获得终端电压集合，作电流采样点与终端电压集合曲线即为两端式层叠电池I-V曲线。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供的两端式层叠太阳电池I-V曲线快速获取方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)建立n结两端式层叠太阳电池中第i个子电池五参数等效电路模型；

所述五参数等效电路模型中的参数包括光生电流I_ph，中性区暗态饱和电流I₀₁，耗尽区暗态饱和电流I₀₂，等效并联电阻R_sh，等效串联电阻R_s；

所述五参数等效电路模型满足如下电流电压关系式：

V＝V_s-I·R_s，

其中，I为终端电流，q为电子电荷常数，V_s为等效终端电压，k_B为玻尔兹曼常数，T为环境温度，V为终端电压；

2)选取等效终端电压集合{V_s|s∈[1,m],V_s<V_s+1}；所述等效终端电压集合满足的条件如下：

其中，V_OC，i为第i个子电池开路电压；m为采样点个数；

3)将步骤2)中等效终端电压集合{V_s}带入步骤1)中电流计算表达式，计算得各子电池对应终端电流集合{I_s,i|i∈[1,n]}；

4)将步骤2)中等效终端电压集合{V_s}，与步骤3)中计算所得第i个子电池终端电流集合{I_s,i}带入步骤1)中电压计算表达式，计算得第i个子电池终端电压集合{V_s,i}；

5)以第k个子电池终端电流集合{I_s,k}为采样电流点，利用插值法计算第i个子电池在采样电流点的终端电压集合{V_s,i’}；所述第k个子电池满足I_1,k＝min{I_1,i|i∈[1,n]}；k∈[1,n]且k≠i；

6)将步骤5)中计算所得同一电流采样点下的n个子电池终端电压求和，得到n结两端式层叠电池终端电压集合{V_s’}；

7)根据I_s,k和V_s’绘制两端式层叠电池在给定等效电路模型参数下的I-V曲线。

进一步地，上述步骤5)中插值法包括Lagrange插值或Newton插值或Hermite插值或三次样条插值。

本发明的有益效果：

本发明方法简单，原理可靠，计算精度高，能够实现两端式层叠电池I-V曲线的快速获取。其结果可作为其电路模型参数拟合算法中误差判断依据，从而实现基于实验I-V曲线的两端式层叠太阳电池等效电路模型参数的准确提取。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为三结两端式层叠太阳电池I-V曲线计算结果与仿真结果对比；

图3为子电池五参数等效电路模型；

图4为两端式层叠太阳电池等效电路模型；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1，本发明所提供的一种两端式层叠太阳电池I-V曲线快速获取方法具体包括以下步骤：

步骤1)建立三结两端式层叠太阳电池第i个子电池五参数等效电路模型，如图3所示：

模型参数包括光生电流I_ph，中性区暗态饱和电流I₀₁，耗尽区暗态饱和电流I₀₂，等效并联电阻R_sh，等效串联电阻R_s；所述模型满足如下电流电压关系式：

V＝V_s-I·R_s(2)

其中I为终端电流；q为电子电荷常数；V_s为等效终端电压；k_B为玻尔兹曼常数；T为环境温度；V为终端电压；

步骤2)选取等效终端电压集合{V_s|s∈[1,m],V_s<V_s+1}；所述等效终端电压集合满足的条件如下：

其中，V_OC，i为第i个子电池开路电压；m为采样点个数；

步骤3)针对给定的子电池等效电路模型参数(见表1)，将步骤2)中等效终端电压集合{V_s}带入步骤1)中电流计算表达式(2)，计算得各子电池对应终端电流集合{I_s,i|i∈[1,3]}；

步骤4)将步骤2)中等效终端电压集合{V_s}，与步骤3)中计算所得子电池终端电流集合{I_s,i}带入步骤1)中电压计算表达式(2)，计算得各子电池终端电压集合{V_s,i}；

步骤5)以第1个子电池终端电流集合{I_s,1}为采样电流点，利用线性插值法计算第2、3个子电池在采样电流点的终端电压集合{V_s,2’}、{V_s,3’}；

具体过程如下。若要计算第2个子电池在I_s,1处的插值电压V_s,2’，首先在步骤3)中计算所得第2个子电池终端电流{I_s,2}集合中搜索电流点I_s,2,使其满足I_s,2≤I_s,1≤I_s+1,2，据此计算电流点I_s,2与I_s+1,2的一次Lagrange插值基函数为：

进而可由如下插值多项式计算第2个子电池在电流I_s,1处的插值电压V_s,2’：

V_s,2'(I_s,1)＝l_s(I_s,2)·V_s,2+l_s+1(I_s+1,2)·V_s+1,2，

其中V_s,2与V_s+1,2分别为步骤4)中计算出的第2个子电池在电流点I_s,2与I_s+1,2处的电压。

步骤6)将步骤5)中计算所得同一电流采样点下的3个子电池终端电压求和，得到三结两端式层叠电池终端电压{V_s’}

步骤7)根据I_s,k和V_s’绘制两端式层叠电池在给定等效电路模型参数下的I-V曲线。

本实施例中，采用本发明的方法获取了三结太阳电池I-V曲线，并与等效电路模型模拟结果进行了对比，结果参见图2，可知两者基本一致。

表1

本发明的理论依据：

1、单结太阳电池等效电路模型如图3所示，终端输出电压V为等效终端输出电压V_s与串联电阻R_s上压降V_Rs之和，对应有电池终端电压电流关系式：

V＝V_s-I·R_s

两端式叠层太阳电池的等效电路模型见图4，对应有终端输出电流电压与各子电池电流电压间关系为：

I_out＝I_i

其中I_out与V_out分别为两端式叠层太阳电池的终端输出电流和电压，I_i与V_i分别为第i个子电池的终端电流和电压。

2、线性插值又称一次Lagrange插值。设节点x₀<x₁，f(x₀),f(x₁)为已知，则线性插值多项式L₁的两个一次Lagrange插值基函数为

相应的一次Lagrange插值多项式为

L₁(x)＝f(x₀)l₀(x)+f(x₁)l₁(x)

若f∈C²[x₀,x₁]，则有余项公式