CN105760620A - 一种并联连接的聚光太阳能电池热失控控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于聚光太阳能光伏发电技术领域，尤其涉及一种并联连接的聚光太阳能电池热失控的控制方法。本发明通过对聚光太阳能电池热失控现象的产生机理及阈值条件进行全面分析，为基于并联连接聚光太阳能电池构成的聚光太阳能光伏模组的相关参数设计提供充分的理论依据，可实现对模组中聚光太阳能电池热失控现象的有效控制。

Description

一种并联连接的聚光太阳能电池热失控控制方法

技术领域

本发明属于聚光太阳能光伏发电技术领域，尤其涉及一种并联连接的聚光太阳能电池热失控的控制方法。

背景技术

聚光太阳能光伏技术以其高光电转换效率吸引了全球广大研究者的关注。一个聚光太阳能光伏发电模组包含多个聚光太阳能电池，我们可采用两种不同的方式对模组内部的太阳能电池进行电气连接，即串联连接或并联连接。如果不同的太阳能电池之间采用串联连接，则要求各太阳能电池的输出电流能够实现较好的匹配，不同太阳能电池输出电流之间的差异会导致功率损耗，降低模组发电效率；如果不同的太阳能电池之间采用并联连接，则要求各太阳能电池的输出电压能够实现较好的匹配，不同太阳能电池输出电压之间的差异同样会导致功率损耗，降低模组发电效率。

当聚光太阳能光伏发电模组内部的不同太阳能电池之间采用并联连接且该模组工作于开路电压附件时，输出电压高的太阳能电池会向输出电压低的太阳能电池内部灌入电流。特别是对应一些存在遮光现象的太阳能电池，其输出电压和输出电流会明显低于模组内的其它太阳能电池，因此会有来自于其它太阳能电池的灌电流注入到这些被遮光的太阳能电池中，而灌电流的注入又会导致被遮光太阳能电池温度的上升，从而降低太阳能电池材料的带隙能量，进而造成其输出电压的进一步降低，这样周而复始，形成恶性循环，并最终可能造成被遮光电池温度急剧上升，导致热失控现象及电池的损坏。如果针对并联连接的各个太阳能电池分别串接一个防护二极管，则可以有效防范太阳能电池出现热失控，但防护二极管的使用又会引入新的功率损失，得不偿失，因此该种方法一般不被采用。

太阳能电池热失控现象的产生必须具备三个条件：一、该电池所属的模组中不同电池之间采用并联连接，且各并联支路不包含防护二极管；二、该模组内某些电池存在遮光现象；三、模组内部电池受光面接收的聚光倍数足够高，或者模组内部并联连接的电池数量足够大。为了有效避免聚光太阳能电池的热失控现象，必须针对热失控现象的产生机理建立合适的理论模型，通过分析得到太阳能电池热失控现象产生的阈值条件，并将此引入聚光太阳能光伏发电模组的设计中,使模组性能得到优化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种并联连接的聚光太阳能电池热失控的控制方法。本发明通过对聚光太阳能电池热失控现象的产生机理及阈值条件进行全面分析，从而为聚光太阳能光伏模组的优化设计提供重要依据。

为解决上述技术问题，本发明方法具体包括：

（1）假定聚光太阳能光伏模组中包含N个并联连接的聚光太阳能电池，且其中仅有一个电池被完全遮光，未被遮光的电池接受的聚光倍数均为C，设置N和C的初值，即令N=N₀，C=C₀，并设C的最大取值为C_max；

（2）给单个聚光太阳能电池配以实际模组中相同的散热单元，对该电池完全挡光并外接一个电源，通过该电源为聚光太阳能电池提供注入电流，通过在电池热沉上安装一个温度传感器来探测电池工作温度，分别设置电源输出不同的电流值，分别得到对应的电池工作温度值，对测得的电池工作温度-注入电流数据进行数值拟合，得到电池工作温度随其注入电流的近似函数变化关系T（I_in）；

（3）利用实际测量的确定工作温度T_D下聚光太阳能电池各结子电池的外量子效率EQE和各结子电池带隙能量的温度相关特性E_gi（T），i=1,2,…,n,为聚光太阳能电池PN结序号，得到各结子电池在不同工作温度条件下的EQE数据；

（4）利用大气辐射传输模型，结合聚光太阳能光伏系统安装地点的地理及气象参数，得到入射到聚光太阳能光伏模组的直射光谱数据，进而将该数据乘以模组的聚光倍数C，计算出入射到聚光太阳能电池的光谱数据；

（5）假定会聚光斑能量在聚光太阳能电池受光面上均匀分布，采用集总式电路模型对聚光太阳能电池相关特性进行分析，基于PSPICE电路仿真软件针对单个聚光太阳能电池建立集总式等效电路模型，并将N个相同的聚光太阳能电池等效电路模型并联连接构成聚光太阳能光伏模组的等效电路模型；

（6）结合步骤（3）和（4）中得到的结果计算聚光太阳能电池各结子电池工作于温度T_j条件下的短路电流I_sci,j=I_sci（T_j），j=1,2,…,m为迭代序数，并将其作为输入数据代入聚光太阳能光伏模组的等效电路模型，计算得到温度T_j条件下聚光太阳能光伏模组及遮光电池的I-V特性曲线；

（7）由聚光太阳能光伏模组的I-V特性曲线得到模组开路电压，将其确定为各聚光太阳能电池的工作电压V_j=V_oc（T_j），并利用该工作电压值和遮光电池的I-V特性曲线计算注入到遮光电池的电流值I_in,j=I_in（T_j）；

（8）利用步骤（2）和（7)中的结果计算得到遮光电池注入电流导致的温度升高，升高后的温度记为T_j+1，设定Δ₁为T_j+1与T_j之间的容差，Δ₂为启动热失控的阈值温度差；

若|T_j+1-T_j|≤Δ₁，则认为该遮光电池不会产生热失控现象，令N=N+1，进而回转执行所述的步骤（5）；若|T_j+1-T_j|≥Δ₂，即此时出现遮光电池温度急剧上升的现象，则认为该电池出现热失控现象，直接进入步骤（9）；若Δ₁＜|T_j+1-T_j|＜Δ₂，即T_j+1相比于T_j有适当提升，则令T_j=T_j+1，进而回转执行所述的步骤（6）；

（9）记录下此时的数据组（C，N-1），令C=C+10，判断C＜C_max是否成立；若成立，令N=N₀，进而回转执行所述的步骤（4）；若不成立，直接进入步骤（10）；

（10）将所有记录的离散数据组（C，N-1）进行拟合，在实际聚光太阳能光伏模组的设计方案中，（C，N）的取值必须位于该拟合曲线的包络以内，才能有效避免遮光太阳能电池中的热失控现象，保证聚光太阳能光伏模组的正常工作。

根据本发明所述方法，可以为基于并联连接聚光太阳能电池构成的聚光太阳能光伏模组的相关参数设计提供充分的理论依据，可实现对模组中聚光太阳能电池热失控现象的全面分析及有效控制。

附图说明

图1是本发明测量聚光太阳能电池工作温度与电池注入电流关系曲线的实验示意图。

图2是本发明聚光太阳能电池工作温度与电池注入电流关系的测量及拟合结果。

图3是本发明GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池各结子电池在298K下的EQE数据。

图4是本发明GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池各结子电池在306K下的EQE数据。

图5是本发明聚光太阳能光伏模组接受的太阳能直射光谱数据及会聚入射到聚光太阳能电池受光面的光谱数据。

图6是本发明聚光三结太阳能电池内部集总式等效电路示意图及模组中各三结电池之间的并联连接示意图。

图7是本发明GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池内部集总式等效电路模型中的相关参数列表。

表格中，k1i、k2i─电池的经验参数；Egi─子电池半导体的带隙宽度；

α、β─材料参数；Rs─等效串联电阻；P─化学物组分的相关特征量。

图8是本发明聚光太阳能光伏模组及遮光聚光太阳能电池的I-V曲线的理论计算结果。

图9是本发明聚光太阳能光伏模组中不同聚光倍数对应的最大并联电池数目。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明提出一种针对基于并联连接的聚光太阳能电池热失控现象理论建模与控制方法，可以按照下列步骤进行但不局限其实现顺序：

（1）假定聚光太阳能光伏模组中包含N个并联连接的聚光太阳能电池，且其中仅有一个电池被完全遮光，未被遮光的电池接受的聚光倍数均为C。设置N和C的初值，即令N=2，C=300，并设C的最大取值为1000；

（2）给单个聚光太阳能电池配以实际模组中相同的散热单元，对该电池完全挡光（工作于暗室）并外接一个电源，如图1所示。设定该电源工作于电流模式，即通过该电源为聚光太阳能电池提供注入电流。通过在电池热沉上安装一个温度传感器来近似探测电池工作温度，分别设置电源输出不同的电流值，针对每个电源特定输出电流分别得到对应的电池温度值。对测得的电池工作温度-注入电流数据进行数值拟合，得到电池工作温度随其注入电流的近似函数变化关系T（I_in）。如图2所示，电池温度与电池注入电流大致呈线性变化关系，该结果仅对我们采用的电池及其散热结构适用，若改用其它类型的电池或散热结构需对T（I_in）进行重新测量及数值拟合；

（3）利用实际测量的某一温度T条件下聚光太阳能电池各结子电池的外量子效率（EQE）数据和各结子电池带隙能量的温度相关特性E_gi（T）（i=1,2,…,n,为聚光太阳能电池PN结序号）得到各结子电池在不同温度条件下的EQE数据。图3,4给出了2个不同温度值对应的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池EQE曲线图，以此说明电池温度对其EQE数据的影响；

（4）利用SMARTS2得到对应实际系统安装地点大气条件的太阳直射福照度值。其中SMARTS2中输入变量条件为：①当地大气压强为100.125kpa;②海拔高度为0.023km；③地面相对湿度78%;④二氧化碳浓度为370ppmv;⑤臭氧层总的柱丰度为0.158atm-cm;⑥对流层除了为氧化碳，臭氧层总的柱丰度外，其它气体的柱状体积浓度取标准值；⑦选择城市气溶胶模式;⑧在500nm处的气溶胶光学厚度为0.16；⑨太阳常数为1367W/m2,并且忽略计算光照度，光合效能，光合有效辐射以及特殊紫外宽带计算；⑩太阳圆周角默认为180°,输入以上数据后，即可得到安装地点的太阳直射光谱数据，进而将该数据乘以模组的聚光倍数C，计算出入射到聚光太阳能电池的光谱数据。图5分别给出了C=1、C=300和C=1000三种情况下电池表面接受的光谱数据；

（5）假定会聚光斑能量在聚光太阳能电池受光面上均匀分布（被完全遮光的聚光太阳能电池无入射光能量），因此可采用集总式电路模型对聚光太阳能电池相关特性进行分析。基于PSPICE电路仿真软件针对单个聚光太阳能电池建立集总式等效电路模型，并将N个相同的聚光太阳能电池等效电路模型并联连接构成聚光太阳能光伏模组的等效电路模型。图6给出了单个GaInP/GaInAs/Ge三结电池的双二极管等效电路模型及N个三结电池并联的电气连接示意图。

（6）我们所采用的GaInP/GaInAs/Ge三结电池尺寸为5.5mm×5.5mm，结合步骤（3）和（4）中得到的结果计算GaInP/GaInAs/Ge三结电池各结子电池工作于温度T_j（j=1,2,…,m,为迭代序数）条件下的短路电流I_sci,j=I_sci（T_j），并将其作为输入数据代入聚光太阳能光伏模组的等效电路模型，辅助之以图7所示的模型相关参数值，最终计算得到温度T_j条件下聚光太阳能光伏模组及遮光电池的I-V特性曲线。如图8所示在不同温度下遮光电池的IV特性曲线和模组的IV特性曲线，随着温度的升高遮光电池的IV曲线将向左移动，令，得到不同温度下遮光电池的注入电流，由图可知随着温度的升高，遮光电池的注入电流会增加，增加的注入电流同时会使得电池的温度上升，形成一个自我反馈的过程，使得电池温度失控，因此需要控制电池的注入电流。

（7）由聚光太阳能光伏模组的I-V特性曲线得到模组开路电压，将其确定为各GaInP/GaInAs/Ge三结电池的工作电压V_j=V_oc（T_j），并利用该工作电压值和遮光电池的I-V特性曲线计算注入到遮光电池的电流值I_in,j=I_in（T_j）；

（8）利用步骤（2）和（7)中的结果计算得到遮光电池注入电流导致的温度升高，升高后的温度记为T_j+1，设定Δ₁为T_j+1与T_j之间的容差，Δ₂为启动热失控的阈值温度差。若|T_j+1-T_j|≤Δ₁(当|Tj+1-Tj|≤0.1K时，遮光电池的IV曲线变化较小，因此遮光电池的注入电流增长较小)，则认为该遮光电池不会产生热失控现象，令N=N+1，进而回转执行所述的步骤（5）；若|T_j+1-T_j|≥Δ₂（当|T_j+1-T_j|≥15K时，遮光电池IV曲线变化明显，注入电流明显上升），即此时出现遮光电池温度急剧上升的现象，则认为该电池出现热失控现象，直接进入步骤（9）；若Δ₁＜|T_j+1-T_j|＜Δ₂，即T_j+1相比于T_j有适当提升，则令T_j=T_j+1，进而回转执行所述的步骤（6）；

（9）记录下此时的数据组（C，N-1）。令C=C+10，判断C＜1000是否成立。若成立，令N=2，进而回转执行所述的步骤（4）；若不成立，直接进入步骤（10）；

（10）将所有记录的离散数据组（C，N-1）进行拟合，在实际聚光太阳能光伏模组的设计方案中，（C，N）的取值必须位于该拟合曲线的包络以内，只有这样，才能有效避免遮光太阳能电池中的热失控现象，保证聚光太阳能光伏模组的正常工作。

如图9所示，本实施例中，图中的黑点为发生热失控现象的临界值，在300倍聚光下模组可以并联的最大电池数为50，而在576倍聚光下可以并联电池数为7，在黑点左下区域以下为聚光太阳能模组正常工作的范围。

Claims (1)

1.一种并联连接的聚光太阳能电池热失控的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

（1）假定聚光太阳能光伏模组中包含N个并联连接的聚光太阳能电池，且其中仅有一个电池被完全遮光，未被遮光的电池接受的聚光倍数均为C，设置N和C的初值，即令N=N₀，C=C₀，并设C的最大取值为C_max；

（2）给单个聚光太阳能电池配以实际模组中相同的散热单元，对该电池完全挡光并外接一个电源，通过该电源为聚光太阳能电池提供注入电流，通过在电池热沉上安装一个温度传感器来探测电池工作温度，分别设置电源输出不同的电流值，分别得到对应的电池工作温度值，对测得的电池工作温度-注入电流数据进行数值拟合，得到电池工作温度随其注入电流的近似函数变化关系T（I_in）；

（3）利用实际测量的确定工作温度T_D下聚光太阳能电池各结子电池的外量子效率EQE和各结子电池带隙能量的温度相关特性E_gi（T），i=1,2,…,n,为聚光太阳能电池PN结序号，得到各结子电池在不同工作温度条件下的EQE数据；

（4）利用大气辐射传输模型，结合聚光太阳能光伏系统安装地点的地理及气象参数，得到入射到聚光太阳能光伏模组的直射光谱数据，进而将该数据乘以模组的聚光倍数C，计算出入射到聚光太阳能电池的光谱数据；

（5）假定会聚光斑能量在聚光太阳能电池受光面上均匀分布，采用集总式电路模型对聚光太阳能电池相关特性进行分析，基于PSPICE电路仿真软件针对单个聚光太阳能电池建立集总式等效电路模型，并将N个相同的聚光太阳能电池等效电路模型并联连接构成聚光太阳能光伏模组的等效电路模型；

（6）结合步骤（3）和（4）中得到的结果计算聚光太阳能电池各结子电池工作于温度T_j条件下的短路电流I_sci,j=I_sci（T_j），j=1,2,…,m为迭代序数，并将其作为输入数据代入聚光太阳能光伏模组的等效电路模型，计算得到温度T_j条件下聚光太阳能光伏模组及遮光电池的I-V特性曲线；

（7）由聚光太阳能光伏模组的I-V特性曲线得到模组开路电压，将其确定为各聚光太阳能电池的工作电压V_j=V_oc（T_j），并利用该工作电压值和遮光电池的I-V特性曲线计算注入到遮光电池的电流值I_in,j=I_in（T_j）；

（8）利用步骤（2）和（7)中的结果计算得到遮光电池注入电流导致的温度升高，升高后的温度记为T_j+1，设定Δ₁为T_j+1与T_j之间的容差，Δ₂为启动热失控的阈值温度差；

若|T_j+1-T_j|≤Δ₁，则认为该遮光电池不会产生热失控现象，令N=N+1，进而回转执行所述的步骤（5）；若|T_j+1-T_j|≥Δ₂，即此时出现遮光电池温度急剧上升的现象，则认为该电池出现热失控现象，直接进入步骤（9）；若Δ₁＜|T_j+1-T_j|＜Δ₂，即T_j+1相比于T_j有适当提升，则令T_j=T_j+1，进而回转执行所述的步骤（6）；

（9）记录下此时的数据组（C，N-1），令C=C+10，判断C＜C_max是否成立；若成立，令N=N₀，进而回转执行所述的步骤（4）；若不成立，直接进入步骤（10）；

（10）将所有记录的离散数据组（C，N-1）进行拟合，在实际聚光太阳能光伏模组的设计方案中，（C，N）的取值必须位于该拟合曲线的包络以内，才能有效避免遮光太阳能电池中的热失控现象，保证聚光太阳能光伏模组的正常工作。