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太陽能電池模型建模

第22卷　第4期

2001年10月

太　陽　能　學(xué)　報(bào)

ACTAENERGIAESOLARISSINICA

Vol.22,No.4

Oct.,2001

文章編號(hào):0254-0096(2001)04-0409-04

硅太陽電池工程用數(shù)學(xué)模型

(合肥工業(yè)大學(xué)能源研究所,合肥230009)

蘇建徽,余世杰,趙　為,吳敏達(dá),沈玉梁,何慧若

摘　要:為實(shí)現(xiàn)光伏電站、光伏戶用系統(tǒng)、光伏水泵系統(tǒng)、“風(fēng)-光-柴-蓄”等各種涉及太陽能光伏利用復(fù)合能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、數(shù)字仿真和動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn),以電子學(xué)理論為基礎(chǔ),討論了滿足工程應(yīng)用精度且便于運(yùn)算的太陽電池?cái)?shù)學(xué)模型。該模型的特點(diǎn)是僅采用生產(chǎn)廠家為用戶提供的太陽電池組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)下測(cè)出的Isc、Voc、Im、Vm作為參數(shù),通過引入相應(yīng)系數(shù)來考慮環(huán)境影響,并給出系數(shù)的典型值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模型的誤差一般都在6%以下,可以滿足對(duì)絕大多數(shù)工程項(xiàng)目進(jìn)行物理模擬的精度要求。關(guān)鍵詞:太陽電池;數(shù)學(xué)模型;工程應(yīng)用中圖分類號(hào):TK514　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

0　引　言

太陽電池是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)制成

的。所謂光伏效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料吸收光能后產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。

單體太陽電池是光電轉(zhuǎn)換的最小單元,一般不能單獨(dú)作為工程電源使用。將單體太陽電池進(jìn)行串并聯(lián)并封裝后就成為太陽電池組件。太陽電池組件的I—V特性強(qiáng)烈地隨日射強(qiáng)度S和較強(qiáng)烈地隨電池溫度T而變化,即I=f(V,S,T)。太陽電池組件生產(chǎn)廠家通常僅為用戶提供產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)下測(cè)出的Isc、Voc、Im、Vm、Pm值,如何根據(jù)這些僅有的工廠測(cè)試數(shù)據(jù)在工程精度下復(fù)現(xiàn)組件及由相應(yīng)組件構(gòu)成之陣列在不同日射、不同溫度下的I—V特性,對(duì)光伏系統(tǒng)技術(shù)人員來說顯得特別需要,它是眾多光伏系統(tǒng)研究及工程設(shè)計(jì)人員共同關(guān)心的課題。

根據(jù)電子學(xué)理論,太陽電池的等效電路如圖1[1],[2]

所示。

由于器件的瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間與絕大多數(shù)光伏系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)相比微不足道,因此結(jié)電容Cj在分析中可以忽略。設(shè)定圖中所示的電壓、電流正方向,可以得出太陽電池的I—V方程為　I=IL-I0

exp

V+IRSq(V+IRS-1RShAKT

(1)

圖1　太陽電池等效電路

Fig.1　Anequivalentcircuitofsiliconsolarcell

式中IL———光電流,A;I0———反向飽和電流,A;q———電子電荷(1.6×10C);K———玻耳茲曼常

-23

數(shù)(1.38×10J K);T———絕對(duì)溫度,K;A———二極管因子;Rs———串聯(lián)電阻,Ψ;Rsh———并聯(lián)電阻,Ψ。

式(1)是基于物理原理的最基本的解析表達(dá)式,已被廣泛應(yīng)用于太陽電池的理論分析中,但由于表達(dá)式中的5個(gè)參數(shù),包括IL、I0、Rs、Rsh和A,它們不僅與電池溫度和日射強(qiáng)度有關(guān),而且確定十分困難,因此不便于工程應(yīng)用,也不是太陽電池供應(yīng)商向用戶提供的技術(shù)參數(shù)。

19

1　太陽電池工程用數(shù)學(xué)模型

工程用模型強(qiáng)調(diào)的是實(shí)用性與精確性的結(jié)合�？紤]到借助光伏陣列模擬器或其它仿真軟件針對(duì)光伏電站、光伏戶用系統(tǒng)、光伏水泵系統(tǒng)、“風(fēng)-光-柴-蓄”等各種涉及太陽能光伏利用的復(fù)合能源系統(tǒng)在

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