激光照射下光伏阵列背板热电阵列连接架构的确定方法

摘要

本发明公开了激光照射下光伏阵列背板热电阵列连接架构的确定方法，属于激光无线电能传输的技术领域。本发明从不均匀温升分布对热电阵列输出功率的影响出发，以各串联支路热电模块开路电压值之和相等且串联支路中各热电模块的开路电压值差异最小为目标优化光伏阵列背板热电阵列的SP架构，以各并联支路热电模块短路电流值之和相等且并联支路中各热电模块的短路电流值差异最小为目标优化光伏阵列背板热电阵列TCT架构，最后以输出功率最大的优化架构为光伏阵列背板热电阵列的最优连接架构，降低不均匀的温升分布对热电阵列输出功率造成的影响，从而获得较高的输出功率。

说明书

技术领域

本发明公开了激光照射下光伏阵列背板热电阵列连接架构的确定方法，属于激光无线电能传输的技术领域。

背景技术

由于有线能量的传输具有局限性，无线能量传输得到了越来越广泛的应用，而激光无线能量传输具有传输距离远、定向性好的优点，因此适合于对无人机、坦克、车辆等快速移动目标进行非接触充电。激光无线能量传输的系统结构框图如图1所示。

光伏电池是激光接收端的重要组成部分，其构成材料种类很多，有多晶硅、单晶硅、砷化镓等许多其它种类的材料。然而，各种材料的光伏电池在常用激光波段的效率都较低(如图2所示)以及激光与物质存在的热效应共同导致了激光接收端的光电转换效率较低。激光接收端的光电转换效率大约只有20％～30％，其中，大部分的能量都以热能的形式散失了，这大幅降低了激光无线电能传输系统的供能效率。

由于激光光束的能量密度按高斯分布，光伏电池板的温升也按高斯分布，因此，各温差不同的热电模块输出特性也不同。如果将输出特性差异较大的各热电模块简单串并联会使得热电阵列存在较大的功率损耗，从而降低了热电阵列的热电转换效率。因此，可以通过改变热电阵列的电气连接架构，降低不均匀的温度分布对阵列输出功率造成的影响，从而使阵列输出最大的功率。

常用的连接架构如串并联(series-parallel,SP)结构(如图3(a)所示)、完全交叉联结(totally-cross-tied,TCT)结构(如图3(b)所示)多应用于光伏电池的连接架构中，然而对于热电阵列尤其是在激光照射下光伏电池板背板的热电阵列的连接架构研究很少。本申请旨在以光伏阵列常用的SP和TCT连接架构为基础，研究能够提高在激光照射下光伏电池板背板热电阵列效率的连接架构。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了激光照射下光伏阵列背板热电阵列连接架构的确定方法，从不均匀温升分布对热电阵列输出功率的影响出发，实现了激光照射下光伏电池板背板热电阵列最优连接架构的确定，解决了目前缺乏对激光照射下光伏电池板背板热电阵列连接架构的研究这一技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

激光照射下光伏阵列背板热电阵列连接架构的确定方法，

确定热电阵列的温度分布；

根据热电阵列的温度分布并采用SP连接架构连接热电模块以形成光伏阵列背板热电阵列的SP架构，以各串联支路热电模块开路电压值之和相等且串联支路中各热电模块的开路电压值差异最小为目标优化光伏阵列背板热电阵列的SP架构；

根据热电阵列的温度分布并采用TCT连接构架连接热电模块以形成光伏阵列背板热电阵列的TCT架构，以各并联支路热电模块短路电流值之和相等且并联支路中各热电模块的短路电流值差异最小为目标优化光伏阵列背板热电阵列的TCT架构；

比较热电阵列在优化后SP架构下输出的最大功率、热电阵列在优化后TCT结构下输出的最大功率，选取最大功率值高的优化架构为光伏阵列背板热电阵列的连接架构。

进一步地，激光照射下光伏阵列背板热电阵列连接架构的确定方法中，由表达式：确定热电阵列的温度分布，ΔT_0,0为热电阵列坐标系中原点处热电模块的温升，i、j为在热电阵列坐标系中的横坐标、纵坐标，ΔT_i,j为热电阵列坐标系中(i,j)处热电模块的温升，x_i,j为热电阵列坐标系中(i,j)处到原点处的距离，σ为热电阵列温升分布形成的高斯分布的标准差。

再进一步地，激光照射下光伏阵列背板热电阵列连接架构的确定方法中，以各串联支路热电模块开路电压值之和相等且串联支路中各热电模块的开路电压值差异最小为目标优化光伏阵列背板热电阵列的SP架构，具体方法为：

将n个热电模块的开路电压值由大到小排列得到热电模块开路电压集合，根据各热电模块开路电压值之和以及热电模块的数目确定每条串联支路的开路电压值之和，从热电模块开路电压集合中取出前m个元素求得前m个热电模块的开路电压值之和，将热电模块开路电压集合的第m+1个元素作为其第一个元素，在前m个热电模块的开路电压值之和未超过每条串联支路的开路电压值之和时，从当前热电模块开路电压集合中选取最小值与前m个热电模块的开路电压值之和累加并将选取的最小值从热电模块开路电压集合中剔除，直至前m个热电模块的开路电压值之和超过每条串联支路的开路电压值之和时停止对前m个热电模块的开路电压值之和的累加操作，在前m个热电模块的开路电压值之和超过每条串联支路的开路电压值之和时，从当前热电模块开路电压集合中的第一个元素开始依次替代第m个元素，搜索出能够使前m个热电模块的开路电压值之和最接近每条串联支路的开路电压值之和的元素，从当前热电模块开路电压集合中搜索出的元素以及前m-1个元素所对应的热电模块构成一条串联支路，周而复始地，从当前热电模块开路电压集合中取出前m个元素求得前m个热电模块的开路电压值之和，并以前m个热电模块的开路电压值之和最接近每条串联支路的开路电压值之和为目标构造新的串联支路，直至m＝n时得到光伏阵列背板热电阵列的优化SP架构，m、n为正整数。

再进一步地，激光照射下光伏阵列背板热电阵列连接架构的确定方法中，以各并联支路热电模块短路电流值之和相等且并联支路中各热电模块的短路电流值差异最小为目标优化光伏阵列背板热电阵列的TCT架构，具体方法为：

将n个热电模块的短路电流值由大到小排列得到热电模块短路电流集合，根据各热电模块短路电流值之和以及热电模块的数目确定每条并联支路的短路电流值之和，从热电模块短路电流集合中取出前m个元素求得前m个热电模块的短路电流值之和，将热电模块短路电流集合的第m+1个元素作为其第一个元素，在前m个热电模块的短路电流值之和未超过每条并联支路的短路电流值之和时，从当前热电模块短路电流集合中选取最小值与前m个热电模块的短路电流值之和累加并将选取的最小值从热电模块短路电流集合中剔除，直至前m个热电模块的短路电流值之和超过每条并联支路的短路电流值之和时间停止对前m个热电模块的短路电流值之和的累加操作，在前m个热电模块的短路电流值之和超过每条并联支路的短路电流值之和时，从当前热电模块短路电流集合中的第一个元素开始依次替代第m个元素，搜索出能够使前m个热电模块的短路电流值之和最接近每条并联支路的短路电流值之和的元素，从当前热电模块短路电流集合中搜索出的元素以及前m-1个元素所对应的热电模块构成一条并联支路，周而复始地，从当前热电模块短路电流集合中取出前m个元素求得前m个热电模块的短路电流值之和，并以前m个热电模块的短路电流值之和最接近每条并联支路的短路电流值之和为目标构造新的并联支路，直至m＝n时得到光伏阵列背板热电阵列的优化TCT架构，m、n为正整数。

作为激光照射下光伏阵列背板热电阵列连接架构的确定方法的进一步优化方案，热电阵列在优化后SP架构下输出的最大功率、热电阵列在优化后TCT结构下输出的最大功率由MPPT控制技术实时追踪。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：针对目前缺乏对激光照射下光伏电池板背板热电阵列连接架构研究的这一现况，从不均匀温升分布对热电阵列输出功率的影响出发，以各串联支路热电模块开路电压值之和相等且串联支路中各热电模块的开路电压值差异最小为目标优化光伏阵列背板热电阵列的SP架构，以各并联支路热电模块短路电流值之和相等且并联支路中各热电模块的短路电流值差异最小为目标优化光伏阵列背板热电阵列TCT架构，最后以输出功率最大的优化架构为光伏阵列背板热电阵列的最优连接架构，降低不均匀的温升分布对热电阵列输出功率造成的影响，从而获得较高的输出功率。

附图说明

图1是激光无线能量传输的系统示意图。

图2是各种材料光伏电池的光电转换效率图。

图3(a)是SP连接架构图。

图3(b)是TCT连接架构图。

图4是4×4热电阵列中各个TEG的坐标示意图。

图5是SP架构最优连接架构的算法流程图。

图6是TCT架构最优连接架构的算法流程图。

图7(a)是SP架构优化前的电气连接模型。

图7(b)是SP架构优化后的电气连接模型。

图8是SP架构优化前后P-V曲线的对比图。

图9(a)是TCT架构优化前的电气连接模型。

图9(b)是TCT架构优化后的电气连接模型。

图10是TCT架构优化前后P-V曲线的对比图。

图11是最优SP架构和最优TCT架构P-V曲线的对比图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

图4给出了确定激光照射下光伏电池板背板的热电阵列温度分布的方法，以4×4阵列为例，给出了热电阵列坐标系确定的方法。图中将热电模块简化成了一个质点TEG(i,j)，用其中心点坐标(i,j)代表其位置，其中i、j分别为质点的横坐标与纵坐标。令热电阵列的中心点为坐标原点，相邻各点的距离为1，那么可以计算出各质点到中心点的距离为：

由于电池板的温升按高斯分布，则中心点温升的概率密度函数为：

其它各质点温升的概率密度函数为：

假设各质点的温升为ΔT_i,j，中心点的温升和电池板四角的温升通过测量得到分别为ΔT_0,0、ΔT_imax,jmax，那么可以确定各质点的温升为

光伏电池板四角的温升为：

根据已知的四角温升可以确定σ的值，代入式(4)中便能得到各质点的温升。

根据式(1)～(5)并结合热电模块冷端的温度便能确定各热电模块的温差。确定热电阵列温度分布的方法是研究阵列SP和TCT最优架构方法的基础。

图5给出了SP结构下最优架构算法的流程图。其算法的主要思想为：算法通过迭代构造出n条串联支路，使得各串联支路的热电模块开路电压值之和尽量相等，同时尽量使串联支路中的各热电模块的开路电压值接近，从而构造出热电阵列在SP架构下输出功率最大的连接架构。

算法的具体流程为：

算法在进入迭代前，将阵列中所有热电模块的开路电压值由大到小排列成热电模块开路电压集合A(a₁,a₂,…,a_n)，计算出每条串联支路的开路电压值之和U_{oc_total}，假设有n条串联支路，则计算得到每条串联支路理想的开路电压值之和U_{oc_total}/n；

在迭代过程中，算法从A中的第一个元素a₁开始逐个累加求得前m个热电模块的开路电压值之和，将热电模块开路电压集合的第m+1个元素作为其第一个元素，在前m个热电模块的开路电压值之和未超过每条串联支路的开路电压值之和时，从当前热电模块开路电压集合中选取最小值与前m个热电模块的开路电压值之和累加并将选取的最小值从热电模块开路电压集合中剔除，直至前m个热电模块的开路电压值之和超过每条串联支路的开路电压值之和时停止对前m个热电模块的开路电压值之和的累加操作，在前m个热电模块的开路电压值之和超过每条串联支路的开路电压值之和时，从当前热电模块开路电压集合中的第一个元素开始依次替代第m个元素，搜索出能够使前m个热电模块的开路电压值之和最接近每条串联支路的开路电压值之和的元素，从当前热电模块开路电压集合中搜索出的元素以及前m-1个元素所对应的热电模块构成第一条串联支路，之后进行下一次迭代，以同样的方式构成第二条串联支路，以此类推，直到所有元素都被取到(m＝n)时得到光伏阵列背板热电阵列的优化SP架构。

这样就将所有热电模块构造出了n条串联支路，且每条支路中的热电模块输出特性相似，各支路的开路电压值之和接近。

图6给出了TCT结构的最优组合算法的流程图。其算法的主要思想为：算法通过迭代构造出n条并联支路，使得各并联支路的热电模块短路电流值之和尽量相等，同时尽量使并联支路中的各热电模块的短路电流值接近，从而构造出热电阵列在TCT架构下输出功率最大的连接架构。

算法的具体流程为：

算法在进入迭代前，将阵列中所有热电模块的短路电流值由大到小排列成热电模块短路电流集合A(a₁,a₂,…,a_n)，计算出每条并联支路的短路电流值之和I_{sc_total}，假设有n条并联支路，则计算得到每条并联支路理想的短路电流值之和I_{sc_total}/n；

在迭代过程中，算法从A中的第一个元素开始逐个累加求得前m个热电模块的短路电流值之和，将热电模块短路电流集合的第m+1个元素作为其第一个元素，在前m个热电模块的短路电流值之和未超过每条并联支路的短路电流值之和时，从当前热电模块短路电流集合中选取最小值与前m个热电模块的短路电流值之和累加并将选取的最小值从热电模块短路电流集合中剔除，直至前m个热电模块的短路电流值之和超过每条并联支路的短路电流值之和时间停止对前m个热电模块的短路电流值之和的累加操作，在前m个热电模块的短路电流值之和超过每条并联支路的短路电流值之和时，从当前热电模块短路电流集合中的第一个元素开始依次替代第m个元素，搜索出能够使前m个热电模块的短路电流值之和最接近每条并联支路的短路电流值之和的元素，从当前热电模块短路电流集合中搜索出的元素以及前m-1个元素所对应的热电模块构成第一条并联支路，之后进行下一次迭代，以同样的方式构成第二条并联支路，以此类推，直到所有元素都被取到(m＝n)时得到光伏阵列背板热电阵列的优化TCT架构。

这样就将所有热电模块构造成了n条串联支路，且每条支路中的热电模块输出特性相似，各支路的开路电压值之和接近。

本发明的一个具体实例如下：以10×6阵列为例，由于温度分布的对称性，选择其中的5×3共15个热电模块进行建模仿真。按温度由高到低给TEG编号为1,2,…,14,15。首先考虑SP连接架构，图7(a)为优化前的任意阵列连接方式，图7(b)为最优连接方式，图8为两种连接架构P-V曲线的对比，可以发现最优架构的最大输出功率得到了提高；接着考虑TCT连接架构，图9(a)为优化前的任意阵列连接方式，图9(b)为最优连接方式，图10为两种连接架构P-V曲线的对比，可以发现最优架构的最大输出功率得到了提高。图11是最优SP架构和最优TCT架构的P-V曲线的对比，可以发现该TCT架构的输出功率更高，即，确定优化后的TCT架构为本例的连接架构。

以上实施例仅为说明本发明的技术方案，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明宗旨提出的技术方案以及本领域技术人员在本发明公开技术方案的基础上能够所实现的改进方案和替换方案均落入本发明的保护范围。