本文選題：太陽電池　切入點：非線性電路　出處：《中國科學技術(shù)大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：電路分為線性電路和非線性電路,太陽電池等效電路是典型的非線性電路。單二極管五參數(shù)模型的太陽電池等效電路適用于晶體硅(單晶,多晶,非晶)太陽電池,Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池以及有機太陽電池。太陽電池電路分析中,基爾霍夫電流定律建立了太陽電池電流方程,基爾霍夫電壓定律建立了太陽電池電壓方程。線性電路分析中,最大功率傳輸定理表述為,當負載阻值等于網(wǎng)絡(luò)的戴維南等效電阻或諾頓等效電阻時,負載上輸出最大功率。本文緒論中構(gòu)造了包含電壓控制電流源的電路,推導出用級數(shù)形式表述的適用的最大功率傳輸定理,該定理即適用于線性電路也適用于非線性電路。最大功率傳輸定理,應(yīng)用在求解太陽電池最大功率點的負載阻值的案例中,得到了驗證。 太陽電池電流方程建立了流過負載的電流和負載兩端電壓的關(guān)系,在單原點坐標系中繪制I-V特性曲線,無法描述等效電路中的各電流項和電壓項,所以本文第二章設(shè)計了研究太陽電池適配的雙原點坐標系。在雙原點坐標系中,反映了電流定律和電壓定律,實現(xiàn)了物理模型、數(shù)學公式與函數(shù)圖像的一一對應(yīng)。雙原點坐標系有兩點揭示：物理上光生功率等于二極管內(nèi)耗功率、串并聯(lián)內(nèi)阻內(nèi)耗功率和負載輸出功率之和,函數(shù)圖像中光生功率面積等于總內(nèi)耗功率和輸出功率面積之和：隨光照的變化,內(nèi)耗占比和輸出占比隨之變化,高倍聚光時,二極管內(nèi)耗急劇增加,電池的輸出占比要遠小于電池自身的內(nèi)耗占比,所以太陽電池并不適用于高倍聚光。 太陽電池應(yīng)用理論研究中,還需要考慮I-V特性下的功率,就包含以下四個層面：太陽電池I-V特性曲線能否實現(xiàn)從非線性到線性的轉(zhuǎn)化?電池功率在負載和串并聯(lián)內(nèi)阻上是如何分配的?最大功率工作點如何求解及如何跟蹤?為了獲得大的電壓或電流需要構(gòu)成串并聯(lián)陣列,要采用何種數(shù)學方法研究串并聯(lián)陣列? I-V特性曲線始終表現(xiàn)為嚴格單減的呈凸的曲線,當增大光生電流或串聯(lián)內(nèi)阻時,I-V特性曲線呈現(xiàn)由“曲”趨“直”現(xiàn)象,太陽電池就從非線性轉(zhuǎn)化為線性。本文第三章提出了一個基于二極管電壓和開路電壓比值的無量綱的曲直準則數(shù),當準則數(shù)的取值范圍減小時,就會出現(xiàn)I-V特性曲線由“曲”趨“直”現(xiàn)象,該現(xiàn)象存在的必要條件是存在串聯(lián)內(nèi)阻,并且通過外加串聯(lián)內(nèi)阻的實驗中觀察到了該現(xiàn)象。當I-V特性曲線趨“直”時,太陽電池填充因子趨于最小值0.25。 要在負載上得到最大功率,并且減小串并聯(lián)內(nèi)阻上的內(nèi)耗功率,必須分析電阻元件上各部分的功率分配。第四章?lián)碎_展了關(guān)于輸出功率(得)和內(nèi)耗功率(失)的“得失功率”研究。結(jié)果表明,只有當串并聯(lián)內(nèi)阻的比值小于“1/8”時,才存在得失功率區(qū)間；當最大功率點負載阻值RmL=Rs√1+Rsh/Rs時,既能保證負載的最大功率,又能保證負載輸出功率與串并聯(lián)內(nèi)阻上的內(nèi)耗功率比值的最佳功率分配比(√1+Rsh/Rs-1)/2。 研究太陽電池的最大功率有兩個層面：求解最大功率工作點,即給定五參數(shù)的數(shù)值求解最大功率點的負載、電壓和電流；最大功率跟蹤,即確定最大功率方程,做出光照變化時的最大功率曲線。第五章給出了求解最大功率點負載阻值的迭代關(guān)系式,計算模擬表明串聯(lián)內(nèi)阻越小、并聯(lián)內(nèi)阻越大、二極管反向飽和電流越小和二極管理想因子越大,電池的輸出功率越大。理論研究指出,隨著光照強度的增大,實際太陽電池最大功率點下的負載、電流和輸出功率均隨之增大,而電壓在通常情況下則呈現(xiàn)先增大后減小再增大的現(xiàn)象。太陽電池研究中,最大功率方程與電流方程同等重要,是最大功率跟蹤的數(shù)學基礎(chǔ)。最大功率曲線通常情況下存在兩個電壓極值點,這兩個點是恒壓跟蹤點。 本文的第六章和第七章中,討論了太陽電池的最大功率跟蹤,在極低光照和極高光照時建議采用恒阻跟蹤,中等光照情況下,建議采用線性跟蹤,這需要斜率跟蹤器技術(shù),斜率范圍為(-Rs,0)。在最大功率曲線的兩個電壓極值點附近,建議采用恒壓跟蹤,理論研究指出最小的恒定跟蹤電壓為4nVth(1+Rs/Rsh)。計算模擬指出,對于硅基太陽電池,從非聚光到聚光倍數(shù)達到十幾或二十幾個太陽時,就能觀察到最大功率點負載電壓先增加后減小的現(xiàn)象。 為了在負載上獲得大的電壓和電流,需要將單體電池進行串并聯(lián)以形成光伏陣列。Lambert W函數(shù)不僅能夠給出電壓關(guān)于電流和電流關(guān)于電壓的顯示解,并且得到了串聯(lián)陣列和負載構(gòu)成電路的電壓方程以及并聯(lián)陣列和負載構(gòu)成電路的電流方程,本文第八章給出了詳細的說明。
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【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4

【參考文獻】

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本文編號：1607375