基于两种不同温度下电池电性参量预测光伏发电的方法

摘要

本发明奖公开了一种基于两种不同温度下电池电性参量预测光伏发电的方法，首先根据光生电流约为短路电流以及并联电阻无穷大假设条件，采用泰勒公式化简光伏电池单指数二极管方程为幂律方程；然后，根据二极管反向饱和电流与光强无关假设条件，建立短路电流、开路电压以及最大功率点处电流和电压与光强和温度的关系；其次，利用2种不同温度下的短路电流等8个电气参量值，求解出短路电流温度系数等；最后，将幂律方程与短路电流等与光强和温度的关系相结合，预测任意温度和光强下光伏发电。本发明的技术效果是：通过两种不同温度下电池电性参量的测量数据，可以较精确预测出在任意光强和温度下的光伏发电特性。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏发电预测领域，具体涉及一种基于两种不同温度下电池电性参量预测光伏电池在任意光强和温度下的短路电流、开路电压、最大功率点处电流和电压以及I-V曲线的方法。该方法可用于能源技术领域。

背景技术

预测光伏发电特性在光伏系统优化设计和光伏电站的建设中具有非常重要意义，因此预测方法得到了广泛研究。但光伏电池的发电特性随外界光强和温度的影响十分复杂，导致目前仍然无法准确的预测出光伏电池输出性能。为了解决这个问题，人们提出了各种预测任意温度和光强光伏电池输出性能方法[（廖志玲 等，太阳能学报，2009.30（4）：0430），（彭乐乐 等，太阳能学报，2012.33（2）：0283），（Hui-Feng Tsai et al，Solar Energy，2012.86：10.1016）（Shu-xian Lun, Solar Energy,2013.92：114]。所有方法追求的目标是准确地预测出任意光强和温度下的光伏电池输出特性。

所以，在此，我们提出一种基于两种不同温度下电池电性参量预测光伏发电的方法，该方法首先根据光生电流约为短路电流以及并联电阻无穷大假设条件，采用泰勒公式化简光伏电池单指数二极管方程为幂律方程；然后，根据二极管反向饱和电流与光强无关假设条件，建立短路电流、开路电压以及最大功率点处电流和电压与光强和温度的关系；其次，利用2种不同温度下的短路电流等8个电气参量值，求解出短路电流温度系数等；最后，将幂律方程与短路电流等与光强和温度的关系相结合，预测任意温度和光强下光伏发电。

发明内容:

本发明的目的是提供一种预测任意温度和光强光伏电池发电特性的方法，它是仅依靠2种不同温度下的短路电流、开路电压、最大功率点处的电流和电压值，实现较精确地预测任意温度和光强下光伏发电。

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）根据光生电流约为短路电流以及并联电阻无穷大假设条件，采用泰勒公式化简光伏电池单指数二极管方程为幂律方程；

（2）根据二极管反向饱和电流与光强无关假设条件，建立短路电流、开路电压以及最大功率点处电流和电压与光强和温度的关系；

（3）利用2种不同温度下的短路电流、开路电压、最大功率点处电流电压8个电气参量实验值，求解出短路电流温度系数、开路电压温度系数、最大功率点处电流电压的温度系数；

（4）结合幂律方程与短路电流、开路电压、最大功率点处电流电压与光强和温度的关系，预测任意温度和光强下光伏发电。

所述步骤（1）中，是根据光生电流约为短路电流以及并联电阻无穷大假设条件，化简光伏电池单指数二极管方程化为幂律方程。

所述步骤（2）中，是根据二极管反向饱和电流与光强无关假设条件，建立短路电流、开路电压以及最大功率点处电流和电压与光强和温度的关系。

所述步骤（3）中，利用2种不同温度下的短路电流、开路电压、最大功率点处电流电压8个电气参量实验值，求解出短路电流温度系数、开路电压温度系数、最大功率点处电流与电压的温度系数。

光伏电池单指数二极管方程为：

                                                                 （1）。                              

根据光生电流约为短路电流以及并联电阻无穷大假设条件，采用泰勒公式将上述指数项泰勒展开后利用最大功率点处值，化简光伏电池单指数二极管方程为幂律方程，即：

                             （2）。

根据二极管反向饱和电流与光强无关假设条件，基于温度T₁和光强S₁下4个电气参数I_sc1、V_oc1、I_m1、V_m1，建立任意温度和光强下的短路电流(I_sc)、开路电压(V_oc)以及最大功率点处电流(I_m)和电压(V_m)与温度T和光强S的关系，如公式（3）~（6）所示：

                                           (3)                                                         

                                           (4)                                                          

     (5)

   (6)。

通过另一组温度T₂和光强S₂下4个电气参数I_sc2、V_oc2、I_m2、V_m2值,代入公式（7）~（10）求解出上述、、和；

                                 （7）

                                 （8）

               （9）

                   （10）。

  以上公式中为I为光伏电池输出电流; I_ph为光生电流; I₀为二极管反向饱和电流; V为光伏电池输出电压; R_s为等效串联电阻; n为二极管理想因子;q电子电荷;k玻尔兹曼常数; R_sh为等效并联电阻；T为电池温度。I_sc、V_oc、I_m和V_m分别为任意光强和温度下的短路电流、开路电压、最大功率点处的电流和电压。I_sc1、V_oc1、I_m1和V_m1分别为在温度为T₁和光强为S₁测试条件下的短路电流、开路电压、最大功率点处的电流和电压值。I_sc2，V_oc2，I_m2和V_m2分别为在温度为T₂和光强为S₂测试条件下的短路电流、开路电压、最大功率点处的电流和电压值。S为任意光强值。、、和分别为短路电流温度系数、最大功率点处的电流温度系数、开路电压温度系数和最大功率点处的电压温度系数。 

本发明所述的（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）、（9）和（10）9个公式，可以得到任意温度和光强下的光伏组件的短路电流、开路电压、最大功率点电流和电压以及I-V曲线。

本发明的方法与典型的预测任意温度和光强光伏电池发电特性方法比较有以下特点：根据2种不同温度条件下测量的短路电流、开路电压、最大功率点的电流电压值，可以得到短路电流温度系数、最大功率点处的电流温度系数、开路电压温度系数和最大功率点处的电压温度系数，并预测任意温度和光强下短路电流、开路电压、最大功率点处电流电压值以及光伏电池输出特性。

本发明提供了一种简单且较精确的预测任意温度和光强光伏电池发电特性的方法，为目前预测光伏电池发电特性提供了一条有效的途径。

附图说明

图1是在温度为25摄氏度，不同光强下光伏电池实验数据与预测曲线图。

图2是在光强1000.02 瓦/平方米，不同温度下光伏电池实验数据与预测曲线图。

具体实施方式

利用成都世纪公司生产的探究型太阳能电池测试系统，测量30毫米×30毫米单体单晶硅光伏电池样品的电流电压值。测量温度为25摄氏度时，光强分别为1000.02瓦/平方米、867.46瓦/平方米、725.39瓦/平方米、679.21瓦/平方米、624.49瓦/平方米和532.62瓦/平方米下的单晶硅光伏电池电流电压值。测量光强为1000.02瓦/平方米时，温度分别为0摄氏度，5摄氏度，10摄氏度，15摄氏度，20摄氏度，35摄氏度，40摄氏度下的单体单晶硅光伏电池电流电压值。首先分别选取温度为25摄氏度光强为1000.02瓦/平方米下电流电压值中的电气参数值，分别为：I_sc1=0.0303安培、V_oc1= 0.00286伏特、I_m1=0.0273安培、V_m1=0.00234伏特，以及温度为15摄氏度光强为1000.02瓦/平方米下电流电压值中的电气参数值，分别为：I_sc2=0.0297安培、V_oc2=0.00297伏特、I_m2=0.0271安培、V_m2=0.00244伏特的电气参数值，根据公式（7）、（8）、（9）、（10）求解出各电气参数温度系数，则短路电流温度系数为0.0019安培/摄氏度，开路电压温度系数为-0.0038伏特/摄氏度，最大功率点电流温度系数为6.8257×10^-4安培/摄氏度，最大功率点电压温度系数为-0.0043伏特/摄氏度。其次，结合温度为25摄氏度中4个电气参数I_sc1、V_oc1、I_m1、V_m1值，根据公式（2）、（3）、（4）、（5）、（6）预测单体光伏电池发电特性。从图1和图2光伏电池实验数据与预测曲线图可以看出，任意光强和温度下预测曲线与实验曲线有很好的吻合性，拟合误在0.0014安培以下，满足工程需求。以上实例说明我们预测光伏电池发电的方法是正确的。

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。