一种基于显化方程提取太阳电池参数方法

摘要

一种基于显化方程提取太阳电池参数方法，首先依据短路电流点、开路电压点以及Lambertw函数，化简太阳电池5参数电流输出方程为仅含理想因子、并联电阻和串联电阻3个参数的电流输出Lambertw显化方程，并获得光生电流和反向饱和电流解析表达式；利用太阳电池光生电流远大于反向饱和电流等3个边界条件，简化5参数电流输出方程的一阶微分求导方程；其次结合太阳电池在短路点斜率以及最大功率点处的实验数据，求解理想因子、并联电阻和串联电阻值；最后将上述3个参数值代入光生电流和反向饱和电流解析表达式，得到光生电流和反向饱和电流值。本发明的技术效果是：通过光照下太阳电池单条伏安特性曲线，可较高精度的提取太阳电池5个电性参数。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳电池参数的提取技术领域，具体涉及一种基于显化方程提取太阳电池光生电流、反向饱和电流、理想因子、并联电阻和串联电阻5个电性参数方法，该方法可用于能源技术领域。

背景技术

太阳电池参数（指光生电流、反向饱和电流、理想因子、并联电阻和串联电阻）是影响太阳电池功率特性的重要因素，如何简单而又精确地确定这些参数是太阳电池研究过程中的一个重要环节。为了解决这个问题，人们提出来各种太阳电池参数提取方法[（刘锋等#光,2010.21(8):1181），（王玉玲 等，物理学报,2012.61(24):248402），（肖文波 等，光电子#激光,2012.23(9):1681），（Chunfu Zhang et al.， Journal of applied physics,2011.110：064504）]。所有方法追求的目标是高精度的提取太阳电池参数。

所以，在此，我们提出一种基于显化方程提取太阳电池参数方法，该方法是首先依据短路电流点、开路电压点以及Lambertw函数，化简太阳电池5参数电流输出方程为仅含理想因子、并联电阻和串联电阻3个参数的电流输出Lambertw显化方程，并获得光生电流和反向饱和电流解析表达式；然后，利用太阳电池光生电流远大于反向饱和电流、太阳电池并联电阻远大于串联电阻以及太阳电池光生电流近似等于短路电流3个边界条件，简化太阳电池5参数电流输出方程的一阶微分求导方程；其次，结合结合太阳电池在短路情况下斜率以及最大功率点处电流与电压的实验数据，建立求解太阳电池理想因子、并联电阻和串联电阻3个电性参数的封闭代数方程组，从而求解出理想因子、并联电阻和串联电阻值；最后，将上述3个电性参数值代入光生电流和反向饱和电流解析表达式，得到光生电流和反向饱和电流值。将上述5个电性参数值代入太阳电池5参数电流输出方程，全局拟合光照下的伏安特性曲线，获得电流均方根误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于显化方程提取太阳电池参数方法，它依靠光照下太阳电池单条伏安特性曲线，实现较高精度的提取太阳电池参数。

本发明是通过以下技术方案实现的，其特征在于方法步骤为：

（1）依据短路电流点、开路电压点以及Lambertw函数，化简太阳电池5参数电流输出方程为仅含理想因子、并联电阻和串联电阻3个参数的电流输出Lambertw显化方程，并获得光生电流和反向饱和电流解析表达式；

（2）利用太阳电池光生电流远大于反向饱和电流、太阳电池并联电阻远大于串联电阻以及太阳电池光生电流近似等于短路电流3个边界条件，简化太阳电池5参数电流输出方程的一阶微分求导方程；

（3）结合太阳电池在短路情况下斜率以及最大功率点处电流与电压的实验数据，建立求解太阳电池理想因子、并联电阻和串联电阻3个电性参数的封闭代数方程组，从而求解出理想因子、并联电阻和串联电阻值；

（4）将上述3个电性参数值代入光生电流和反向饱和电流解析表达式，得到光生电流和反向饱和电流值；

（5）将上述5个电性参数值代入太阳电池5参数电流输出方程，全局拟合光照下的伏安特性曲线，获得电流均方根误差。

所述步骤（1）中，建立3参数太阳电池电流输出显化方程过程中，利用了短路电流点、开路电压点以及Lambertw函数。

所述步骤（2）中，太阳电池5参数电流输出方程的一阶微分求导方程化简，是利用太阳电池光生电流远大于反向饱和电流、太阳电池并联电阻远大于串联电阻以及太阳电池光生电流近似等于短路电流3个边界条件。

所述步骤（3）中，结合太阳电池在短路情况下斜率和最大功率点电流与电压的实验数据，建立求解太阳电池理想因子、并联电阻和串联电阻3个电性参数的封闭代数方程组，求解出理想因子、并联电阻和串联电阻值。

所述步骤（4）中，将得到的理想因子、并联电阻和串联电阻值代入到光生电流和反向饱和电流解析表达式，得到光生电流和反向饱和电流值。

本发明的太阳电池电流输出方程为：

                                                  （1）。

依据短路电流点、开路电压以及Lambertw函数，可得3参数电流输出Lambertw显化方程、反向饱和电流以及光生电流表达式为：

（2）

              （3）

                （4）。

根据太阳电池光生电流远大于反向饱和电流、太阳电池并联电阻远大于串联电阻以及太阳电池光生电流近似等于短路电流3个边界条件，在短路情况下太阳电池5参数电流输出方程的一阶微分求导方程为：

                                      （5）。

根据太阳电池光生电流远大于反向饱和电流、太阳电池并联电阻远大于串联电阻以及太阳电池光生电流近似等于短路电流3个边界条件，最大功率点极值处太阳电池5参数电流输出方程的一阶微分求导方程为：

                （6）。

最大功率点极值处3参数电流输出Lambertw显化方程：

  （7）。

以上公式中,I为电池输出电流,I_ph为光生电流, I₀为反向饱和电流, V为电池输出电压, R_s为串联电阻, n为理想因子，V_th为热电压常数，R_sh为并联电阻. 为太阳电池短路电流，为太阳电池开路电压; 为短路情况下（输出电压为零时）太阳电池电压对电流的一阶微分求导值(即短路情况下斜率);  为太阳电池最大功率点处的电压，为太阳电池最大功率点处的电流。

由以上（5）、（6）、（7）3个封闭方程组，我们根据测量的太阳电池光照下伏安特性曲线及其数值微分特征，可得到短路情况下太阳电池电压对电流的一阶微分求导值、太阳电池短路电流、太阳电池开路电压、太阳电池最大功率点处的电压、太阳电池最大功率点处的电流,解析出太阳电池理想因子、并联电阻和串联电阻3个电性参数值。将得出的结果代入公式(3)和(4)中，求出太阳电池光生电流和反向饱和电流值。把提取出的太阳电池5个参数代入太阳电池5参数电流输出方程，全局拟合光照下的太阳电池伏安特性曲线，获得电流均方根误差。

本发明的方法与传统的太阳电池参数提取方法比较有以下特点：1、利用依据短路电流点、开路电压以及Lambertw函数，将太阳电池5参数电流输出方程简化为3参数电流输出Lambertw显化方程；2、利用太阳电池光生电流远大于反向饱和电流，太阳电池并联电阻远大于串联电阻以及太阳电池光生电流近似等于短路电流3个边界条件，将太阳电池5参数电流输出方程的一阶微分求导方程(即斜率)化简；；3、该方法具有精度较高的特点。

本发明提供了一种较高精度的同时提取电池5个参数的方法，为目前太阳电池参数提取提供了一条有效的途径。

附图说明

图1是测量和拟合多体太阳电池伏安特性图。

具体实施方式

本发明是一种仅依靠光照下太阳电池单条伏安特性曲线提取电池参数的方法。

作为一个实例，我们利用该方法测量和拟合太阳电池光照下单条伏安特性。测试和拟合结果如图1所示；图1是本发明测量和拟合太阳电池光照下伏安特性图。具体操作是，首先利用通常的加电压测电流的方法测量太阳电池光照下伏安特性曲线，并获得数值微分特征；其次，利本发明内容提取太阳电池参数；最后，采用太阳电池5参数电流输出方程拟合太阳电池光照下伏安特性曲线。从图1测量和拟合结果，可以看出吻合很好。提取出的太阳电池光生电流为1.0321安培，反向饱和电流为1.9335×10^-6安培，理想因子为46.5424，并联电阻为554.8327欧姆，串联电阻为1.3424欧姆。电流均方根误差为0.0073安培。从均方根误差可以看出误差很小，也就是提取的5个参数精度较高。

以上实例说明我们提出的太阳电池参数提取方法是正确的。该方法将会在目前太阳电池参数提取技术的研究当中得到一定的推广。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。