CN104253586A - 一种太阳能电池板电气参数在线测量评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能电池板电气参数在线测量评价装置及方法，采用监测太阳能板发电状态下端口电压和电流，并基于多参数网格搜索和Damped-Newton在线计算方法，得到精确实时的太阳能电池板光生电流、反向饱和电流、串联电阻、并联电阻以及二极管品质因数等五个电气参数。本发明无需利用厂家提供的额定情况下最大功率、最大功率点的电压和电流、短路电流及开路电压参数，也无需对太阳能电池板电路、数学模型进行任何简化，利用实测数据能够精确地计算出所需的五个电气参数，原理简单，物理数学过程清晰。本发明设计的计算方法计算响应时间短、精度高，能够实现电气参数的在线计算，为精确建立太阳能电池电路模型、状态预测等提供了有效的方法。

Description

一种太阳能电池板电气参数在线测量评价装置及方法

技术领域

本发明属于太阳能电池板技术领域，具体涉及一种太阳能电池板电气参数在线测量评价装置及方法。

背景技术

随着煤炭、石油和天然气等化石能源的日益紧张及环境污染的加剧，太阳能发电以其清洁、无污染、取之不尽的特点成为了各国关注研究的重点，被认为是可再生能源中最具潜力的发电方式之一。太阳能电池板是太阳能发电站核心组件，因此，研究并建立精确可靠的太阳能电池模型十分必要。太阳能电池板光生电流、反向饱和电流、串联电阻、并联电阻以及二极管品质因数等五个电气参数是精确建立太阳能板发电模型、进行发电功率预测的基础。目前厂家只能提供额定情况下最大功率、最大功率点的电压和电流、短路电流及开路电压参数，不能提供光生电流、反向饱和电流、串联电阻、并联电阻以及二极管品质因数等五个电气参数，通过测量及在线计算得到的太阳能板五个电气参数可以有效识别太阳能板老化状态及当前发电能力。现有方法对太阳能板电气参数的测量都是在离线状态下测量，通过简化解析计算得到，精度不高，过程复杂，不能满足太阳能板在线参数测量，也未提出利用在线测量得到的电气参数进行发电状态评价的方法，同时缺乏太阳能板在线电气参数测量装置。

发明内容

为了实现太阳能板电气参数在线测量及状态评价，本发明提供了一种精确在线测量辨识太阳能电池板电气参数的装置及方法，不仅能够精确快速地在线确定太阳能电池板电气参数，而且能够通过在线参数值与出厂标准值的差异，评估太阳能电池板老化状态和当前发电能力。

本发明的装置所采用的技术方案是：一种太阳能电池板电气参数在线测量评价装置，其特征在于：包括太阳能电池板、汇流箱、直流柜、监控数据采集器、计算机、温度仪和照度仪；所述的汇流箱用来汇总所述的太阳能电池板电压电流；所述的直流柜内部设置有霍尔电流传感器以及电压传感器，分别用于测量所述的太阳能电池板端口电压、电流；所述的监控数据采集器内部设置有信号调理模块及数据采集卡，信号调理模块用来将电压、电流以及测得的光照强度、温度转化为数据采集卡可以识别的信号，数据采集卡用来采集电压、电流、光强以及温度的数据，并送往所述的计算机进行处理；所述的温度仪用来测量环境温度；所述的照度仪用来测量实时光照强度；所述的太阳能电池板和汇流箱串联后与所述的直流柜连接，所述的监控数据采集器、温度仪和照度仪分别与所述的计算机连接。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种太阳能电池板电气参数在线测量评价的方法，用于在线计算太阳能电池光生电流、反向饱和电流、串联电阻、并联电阻以及二极管品质因数五个电气参数，判定太阳能电池老化程度与发电能力；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用所述的温度仪和照度仪测得太阳能电池板组件中单块电池实时光照强度、环境温度，每0.5小时测量一次，并在该温度和光照强度下测量得到不少于20组电压和电流值；

步骤2：根据出厂标准值估测太阳能电池板五个电气参数范围，与步骤1中测得的温度、光照强度以及电压、电流的实测数据输入到多参数网格搜索中，经过计算得到相关电气参数的粗略值；

步骤3：根据多参数网格搜索得到的粗略参数值，以及步骤1中测量得到的太阳能电池板电压和电流值，代入Damped-Newton中进行迭代计算，获得太阳能电池板五个电气参数的精确值；

步骤4：将步骤3中得到的五个电气参数的精确值与相应参数出厂标准值比较，根据太阳能电池板状态评价标准判定所述的太阳能电池老化程度与发电能力。

作为优选，步骤2中所述的计算得到相关电气参数的粗略值，其具体实现过程包括以下子步骤：

步骤2.1：利用直流柜(3)中的霍尔传感器与电压传感器，温度仪(6)和照度仪(7)测量不少于20组电压和电流值、光照强度和温度实时值；

步骤2.2：根据出厂标准值估测太阳能电池板五个电气参数范围；

步骤2.3：从所取电气参数最小值组成的向量开始，以dx＝1×10^-6为初始步长，按方式迭代，每得到一组均代入太阳能电池控制方程直到达到电气参数范围上限；其中I_ph代表光生电流，I₀是反向饱和电流，R_sh为并联电阻，R_s为串联电阻，n为二极管品质因子，k为波尔兹曼常数，取值1.38×10^-38J/K；T为开尔文温度，单位为K；q为单位电子电荷，取值1.6×10^-19C；

步骤2.4：取所有代入太阳能电池控制方程得到的最小值，作为多参数网格搜索的输出值，即相关电气参数的粗略值。

作为优选，步骤3中所述的获得太阳能电池板五个电气参数的精确值，其具体实现过程包括以下子步骤：

步骤3.1：计算太阳能电池板光生电流、反向饱和电流、串联电阻、并联电阻以及二极管品质因数五个电气参数对于太阳能电池控制方程的偏导数建立雅克比矩阵；

步骤3.2：将步骤2.4中得到的多参数网格搜索的输出值代入雅克比矩阵和太阳能电池控制方程计算牛顿方向

步骤3.3：求变步长λ，使控制方程f[x+λS]最小，此时迭代后的

步骤3.4：重复步骤3.2、步骤3.3多次迭代，当代入太阳能电池控制方程值＜1×10^-6,停止迭代，输出参数值，即太阳能电池板五个电气参数的精确值。

与现有技术相比，本发明无需利用厂家提供的额定情况下最大功率、最大功率点的电压和电流、短路电流及开路电压参数，也无需对太阳能电池板电路、数学模型进行任何简化，利用实测数据能够精确地计算出所需的太阳能电池板光生电流、反向饱和电流、串联电阻、并联电阻以及二极管品质因数等五个电气参数，还能通过参数值与标准值的偏差评价太阳能电池板老化状态及发电性能，原理简单，物理数学过程清晰。本发明设计的计算方法计算响应时间短、精度高，能够实现电气参数的在线计算，为精确建立太阳能电池电路模型、状态预测等提供了有效的方法。

附图说明

图1：本发明实施例的装置结构图；

图2：本发明实施例的多参数网格搜索和Damped-Newton算法流程图；

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明的装置所采用的技术方案是：一种太阳能电池板电气参数在线测量评价装置，包括太阳能电池板1、汇流箱2、直流柜3、监控数据采集器4、计算机5、温度仪6和照度仪7；汇流箱2用来汇总太阳能电池板1电压电流；直流柜3内部设置有霍尔电流传感器以及电压传感器，分别用于测量太阳能电池板1端口电压、电流；监控数据采集器4内部设置有信号调理模块及数据采集卡，信号调理模块用来将电压、电流以及测得的光照强度、温度转化为数据采集卡可以识别的信号，数据采集卡用来采集电压、电流、光强以及温度的数据，并送往计算机5进行处理；温度仪6用来测量环境温度；照度仪7用来测量实时光照强度；太阳能电池板1和汇流箱2串联后与直流柜3连接，监控数据采集器4、温度仪6和照度仪7分别与计算机5连接。

太阳能电池五个参数表征不同，其变化会对太阳能电池发电能力(即输出功率)产生不同程度的影响：光生电流本质为受光照激发PN结的结电流，与太阳能电池输出功率近似成正比关系；反向饱和电流表征PN结本身物理性质及状态；串联电阻表征硅材料体电阻、金属电极电阻以及金属与硅之间的接触电阻；并联电阻表征边缘漏电阻、体内杂质和微观缺陷以及PN结局部短路等。串并联电阻虽然对输出功率影响较小，但若其值过大或过小，会产生不必要的功率损耗，甚至过热等情况。二极管品质因子表征PN结物理性质及状态，对太阳能电池输出功率影响较大。

请见图2，本发明的方法所采用的技术方案是：一种太阳能电池板电气参数在线测量评价的方法，用于在线计算太阳能电池光生电流、反向饱和电流、串联电阻、并联电阻以及二极管品质因数五个电气参数，判定太阳能电池老化程度与发电能力；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用温度仪6和照度仪7测得太阳能电池板1组件中单块电池实时光照强度、环境温度，每0.5小时测量一次，并在该温度和光照强度下测量得到不少于20组电压和电流值；

步骤2：根据出厂标准值估测太阳能电池板五个电气参数范围，与步骤1中测得的温度、光照强度以及电压、电流的实测数据输入到多参数网格搜索中，经过计算得到相关电气参数的粗略值；其具体实现过程包括以下子步骤：

步骤2.1：利用直流柜(3)中的霍尔传感器与电压传感器，温度仪(6)和照度仪(7)测量不少于20组电压和电流值、光照强度和温度实时值；

步骤2.2：根据出厂标准值估测太阳能电池板五个电气参数范围；

步骤2.3：从所取电气参数最小值组成的向量开始，以dx＝1×10^-6为初始步长，按方式迭代，每得到一组均代入太阳能电池控制方程直到达到电气参数范围上限；其中I_ph代表光生电流，I₀是反向饱和电流，R_sh为并联电阻，R_s为串联电阻，n为二极管品质因子，k为波尔兹曼常数，取值1.38×10^-38J/K；T为开尔文温度，单位为K；q为单位电子电荷，取值1.6×10^-19C；

步骤2.4：取所有代入太阳能电池控制方程得到的最小值，作为多参数网格搜索的输出值，即相关电气参数的粗略值。

步骤3：根据多参数网格搜索得到的粗略参数值，以及步骤1中测量得到的太阳能电池板电压和电流值，代入Damped-Newton中进行迭代计算，获得太阳能电池板五个电气参数的精确值；其具体实现过程包括以下子步骤：

步骤3.1：计算太阳能电池板光生电流、反向饱和电流、串联电阻、并联电阻以及二极管品质因数五个电气参数对于太阳能电池控制方程的偏导数建立雅克比矩阵；

步骤3.2：将步骤2.4中得到的多参数网格搜索的输出值代入雅克比矩阵和太阳能电池控制方程计算牛顿方向

步骤3.3：求变步长λ，使控制方程f[x+λS]最小，此时迭代后的

步骤3.4：重复步骤3.2、步骤3.3多次迭代，当代入太阳能电池控制方程值＜1×10^-6,停止迭代，输出参数值，即太阳能电池板五个电气参数的精确值。

步骤4：将步骤3中得到的五个电气参数的精确值与相应参数出厂标准值比较，根据太阳能电池板状态评价标准判定太阳能电池老化程度与发电能力。

多参数网格搜索是一种约束优化的搜索方法，在一定可行域内以确定的步长和搜索方向进行搜索迭代，直至满足收敛条件，获得参数的粗略值。Damped-Newton是一种求解多变量非线性方程的有效方法，选定合适的初值后结合电压和电流实测值，通过变步长的迭代方式快速得到精确收敛的解。本发明利用多参数网格搜索确定的参数粗略值作为Damped-Newton迭代的初值，能够计算获得实时的太阳能电池板电气参数精确值，满足在线计算所需要的快速性和精确性。

太阳能电池板在使用一段时间后，随着电池板的老化和使用过程中造成的损耗，其发电能力会逐渐发生变化，而光生电流、反向饱和电流、串联电阻、并联电阻以及二极管品质因数等五个主要电气参数值也会与出厂时太阳能电池板电气参数值(参数标准值)产生偏差。为判断太阳能电池板老化程度以及发电能力变化情况，根据测得实时电气参数大小与参数标准值对比，判定太阳能电池板状态性能好坏的标准。

具体可能故障如下表1：

表1

偏差判断计算方法如下表2：

表2

尽管本说明书较多地使用了太阳能电池板1、汇流箱2、直流柜3、监控数据采集器4、计算机5、温度仪6和照度仪7等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种太阳能电池板电气参数在线测量评价装置，其特征在于：包括太阳能电池板(1)、汇流箱(2)、直流柜(3)、监控数据采集器(4)、计算机(5)、温度仪(6)和照度仪(7)；所述的汇流箱(2)用来汇总所述的太阳能电池板(1)电压电流；所述的直流柜(3)内部设置有霍尔电流传感器以及电压传感器，分别用于测量所述的太阳能电池板(1)端口电压、电流；所述的监控数据采集器(4)内部设置有信号调理模块及数据采集卡，信号调理模块用来将电压、电流以及测得的光照强度、温度转化为数据采集卡可以识别的信号，数据采集卡用来采集电压、电流、光强以及温度的数据，并送往所述的计算机(5)进行处理；所述的温度仪(6)用来测量环境温度；所述的照度仪(7)用来测量实时光照强度；所述的太阳能电池板(1)和汇流箱(2)串联后与所述的直流柜(3)连接，所述的监控数据采集器(4)、温度仪(6)和照度仪(7)分别与所述的计算机(5)连接。

2.一种利用权利要求1所述的太阳能电池板电气参数在线测量评价装置进行太阳能电池板电气参数在线测量评价的方法，用于在线计算太阳能电池光生电流、反向饱和电流、串联电阻、并联电阻以及二极管品质因数五个电气参数，判定太阳能电池老化程度与发电能力；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用所述的温度仪(6)和照度仪(7)测得太阳能电池板(1)组件中单块电池实时光照强度、环境温度，每0.5小时测量一次，并在该温度和光照强度下测量得到不少于20组电压和电流值；

步骤2：根据出厂标准值估测太阳能电池板五个电气参数范围，与步骤1中测得的温度、光照强度以及电压、电流的实测数据输入到多参数网格搜索中，经过计算得到相关电气参数的粗略值；

步骤3：根据多参数网格搜索得到的粗略参数值，以及步骤1中测量得到的太阳能电池板电压和电流值，代入Damped-Newton中进行迭代计算，获得太阳能电池板五个电气参数的精确值；

步骤4：将步骤3中得到的五个电气参数的精确值与相应参数出厂标准值比较，根据太阳能电池板状态评价标准判定所述的太阳能电池老化程度与发电能力。

3.根据权利要求2所述的太阳能电池板电气参数在线测量评价方法，其特征在于：步骤2中所述的计算得到相关电气参数的粗略值，其具体实现过程包括以下子步骤：

步骤2.1：利用直流柜(3)中的霍尔传感器与电压传感器，温度仪(6)和照度仪(7)测量不少于20组电压和电流值、光照强度和温度实时值；

步骤2.2：根据出厂标准值估测太阳能电池板五个电气参数范围；

步骤2.3：从所取电气参数最小值组成的向量开始，以dx＝1×10^-6为初始步长，按方式迭代，每得到一组均代入太阳能电池控制方程直到达到电气参数范围上限；其中I_ph代表光生电流，I₀是反向饱和电流，R_sh为并联电阻，R_s为串联电阻，n为二极管品质因子，k为波尔兹曼常数，取值1.38×10^-38J/K；T为开尔文温度，单位为K；q为单位电子电荷，取值1.6×10^-19C；

步骤2.4：取所有代入太阳能电池控制方程得到的最小值，作为多参数网格搜索的输出值，即相关电气参数的粗略值。

4.根据权利要求3所述的太阳能电池板电气参数在线测量评价方法，其特征在于：步骤3中所述的获得太阳能电池板五个电气参数的精确值，其具体实现过程包括以下子步骤：

步骤3.1：计算太阳能电池板光生电流、反向饱和电流、串联电阻、并联电阻以及二极管品质因数五个电气参数对于太阳能电池控制方程的偏导数建立雅克比矩阵；

步骤3.2：将步骤2.4中得到的多参数网格搜索的输出值代入雅克比矩阵和太阳能电池控制方程计算牛顿方向

步骤3.3：求变步长λ，使控制方程f[x+λS]最小，此时迭代后的

步骤3.4：重复步骤3.2、步骤3.3多次迭代，当代入太阳能电池控制方程值＜1×10^-6,停止迭代，输出参数值，即太阳能电池板五个电气参数的精确值。