CN108226629A - 一种采用多辐照传感器计算双面电池组件发电性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用多辐照传感器测试计算双面太阳电池组件发电性能的方法。包括：组件背面辐照数据采集；电池片背板某位置的线性辐照的计算；利用辐照和电流的关系，求出不同位置分布的低辐照电流；根据失配模型求出背板的发电功率；双面电池功率增益计算；双面电池能量输出计算。本发明首次提出采用线性公式计算背板辐照，较为准确地计算得出了辐照量、背板不同位置的电流、背板发电量等一系列参数，此发明对深入研究双面电池性能有着十分重要的意义。

Description

一种采用多辐照传感器计算双面电池组件发电性能的方法

技术领域

本发明公开了一种采用多辐照传感器计算双面电池组件发电性能的方法，属于光伏发电技术领域。

背景技术

近年太阳能光伏产业发展迅速，光伏组件实际其发电性能也备受关注。实际应用中单面组件不能充分利用光能，效率往往偏低。相比传统单面组件，双面光伏组件利用了来自组件背面的散射和反射辐射，具有更高的发电效益。然而现有的光伏电站设计都是基于单面组件，且国内外双面组件相关应用还很少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种采用多辐照传感器计算双面电池组件发电性能的方法，采用线性公式计算背板辐照，较为准确地计算得出了辐照量、背板电流、背板发电量等一系列参数，对深入研究双面电池性能有着十分重要的意义。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种采用多辐照传感器计算双面电池组件发电性能的方法，包括以下步骤：

1)进行组件背板辐照数据采集；

2)计算电池背板某位置的线性辐照；

3)计算电池的背板电流；

4)利用Lambert W函数，求解电池背板电流与电压的显性关系表达式；

5)根据失配模型计算双面电池组件的发电功率；

6)计算双面电池的功率增益；

7)计算双面电池组件的能量输出。

前述的步骤1)中，在组件背板的4个角落各设置1个辐照计，用于采集辐照数据。

前述的电池背板某位置的线性辐照计算式为：

G＝a+c×D×n (1)

其中，G表示电池背板某处的辐照量，a为电池背板四个辐照计测得的最低辐照，c为修正系数，n为第n列光伏电池串，D为该位置距最下端的距离。

前述的步骤3)中，电池的背板电流计算方法如下：

3-1)根据光伏电池等效电路图，存在如下关系式：

I_ph＝I_D+I_sh+I (2)

其中，I_ph为光生电流，I_D为暗电流，I_sh为流过并联电阻R_sh的电流，I为流过负载电阻R_L的电流，也就是背板电流；

其中，I_sh的计算公式为：

I_sh＝(U+IR_s)/R_sh (3)

其中，U为负载电阻R_L两端电压，也就是背板电压，R_s为串联电阻，

暗电流I_D的指数表达形式为：

其中，q为单个光子电荷数，I₀为新指数前因子，A为P-N结理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为电池表面温度；

3-2)将式(3)和式(5)带入式(2)，得出

3-3)忽略并联电阻一项，

得到电池的背板电流：

前述的步骤4)中，电池背板电流与电压的显性关系表达式为：

其中，电池表面温度

其中，T_air为环境温度；T_NOC是光伏电池额定工作温度，指在辐照度为800W·m^-2、气温为20℃，风速为1m·s^-1的外部环境条件下光伏电池的温度；G表示电池背板某处的辐照量。

前述的步骤5)中，根据失配模型计算双面电池组件的发电功率为：

其中，I₀为双面电池组件的工作电流，V₁，V₂，…，V_x为每片双面电池的工作电压；I₁，I₂，…，I_x为每片双面电池的工作电流，当组件中电池串联的时候，每片电池工作电流均为组件电流I₀。

前述的步骤6)中，双面电池的功率增益P_in为：

其中，P_mmw为单面电池功率，P_mc为双面电池总功率，

P_mc＝I_mcV

其中，V为双面电池的正面电压和背板电压之和，I_mc为双面电池的正面电流和背板电流之和。

前述的步骤7)双面电池组件能量输出的计算方法如下：

每30秒-5分钟采集一个辐照数据，根据每个采集点辐照数据，根据P_mc＝I_mcV计算单个电池的总功率，然后根据式(16)计算双面电池组件的发电功率，最后由双面电池组件的发电功率乘以数据点采集的时间步长，即为双面电池组件的能量输出。

本发明所达到的有益效果为：

本发明解决了背板电池电流不好测量的难题，同时与单面电池组件进行比较，充分体现双面电池片利用光能，提高效率的优越性；

本发明首次提出采用线性公式计算背板辐照，较为准确地计算得出了辐照量、背板电流、背板发电量等一系列参数，对深入研究双面电池性能有着十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为双面电池片背面辐照计放置示意图；

图3为单个电池片的辐照测试示意图；

图4为光伏电池等效电路图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的采用多辐照传感器计算双面电池组件发电性能的方法，按照如下步骤执行：

在光伏领域中，一般采用辐照计测量太阳辐照，但背板辐照分布不均匀，难以测量，本发明提出了一种线性计算辐照的方法。如图1所示，具体方法如下：

由于正面辐照容易测量且较均匀，本发明正面辐照采用2个辐照计采集数据，取平均值；背板采用4个或4个以上辐照计采集数据，辐照计设置在4个角落(如图2)，每个电池上采用线性方式计算，若某个电池有遮挡，辐照强度乘以非遮挡百分比，具体如下：

(1)组件背板电池辐照的计算

电池片背板某位置的辐照线性计算公式为：

G＝a+c×D×n (1)

其中，G表示电池片背板某处的辐照量，a为电池片背板四个辐照计测得的最低辐照，c为修正系数，n为第n列光伏电池串，D为该位置距最下端的距离；(说明：组件单排时辐照最低点出现在最下部)。具体组件的测试示意图如图3所示。

(2)为得出背面电池的增益计算，必不可少的是要计算背板电池的电流，通过电流在I-V曲线中找出对应点的电压，以计算背板所增加的电功率。光伏电池等效电路图如图4所示。

光生电流I_ph的计算公式为：

I_ph＝I_D+I_sh+I (2)

其中，I_D为暗电流，I_sh为流过并联电阻R_sh的电流，I为流过负载电阻R_L的电流，

I_sh的计算公式为：

I_sh＝(U+IR_s)/R_sh (3)

其中，负载电阻R_L两端电压为U、流经电流为I，R_s为串联电阻，R_sh为并联电阻，

则可得出等式：

通过移向可计算出暗电流的指数表达形式为：

其中，q为单个光子电荷数，I₀为新指数前因子，A为P-N结理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为电池板表面温度；

则：I＝I_ph-I_D-I_sh可转化为：

忽略并联电阻一项，

上式可简化为：

(3)上述步骤已经得出了背板电流的表达方式即式(7)，但是电流的计算式是隐性表达的，一般很难通过简单的计算得出电流的显性表达式，所以必须要找到一种能使电流显化的方法才能为下面步骤及计算打好基础。

本发明引入一种应用广泛的函数来解决这个问题。具体步骤如下：

实际上，在大型的光伏电站中，光伏组件的纯串联结构并不能满足我们的需求，为了得到更大的输出功率，实际电站中更多采用的是电池组件的串并联结构。电池片的串并联失配相比于纯串联的失配要复杂得多，它不仅要考虑串联电池片间电流不一致带来的失配，还要考虑并联起来电压不一致带来的失配。考虑到在建立串并联模型的时候，我们必须使电流I关于电压V的关系显性化的表示出来，因此引入了Lambert W函数。Lambert W函数实际上是著名数学家J.H.Lambert在求解三项式X＝q+X^m时定义的W(X)exp[W(X)]＝X超越方程的解，Lambert W函数在太阳能领域中运用得最多的就是使实际太阳能电池电流，电压的关系式显性化表达，对于了解太阳能电池输出特性关系有着较为重要的意义；现在很多编程软件中都加入了关于Lambert W函数的计算，例如Matlab，Python等，当然关于Lambert的计算公式现在也已经比较成熟了：采用Lambert W函数计算不同辐照下的电流I。

选用Lambert W函数的正实数分支，得到了以下计算函数正实数分支的计算公式：

对于0≤x≤9，

其中：μ＝x/e；p＝1-x/e，e为自然常数。

对于x≥9，

其中：L₁＝ln(x)；L₂＝ln(ln(x))；

在用来求解电流与电压的显性关系表达式之前，先用来求解一个简单的方程式：

ax+b＝exp(cx+d)(10)

在等式(10)两边同乘上可得到：

令

则式(11)与超越方程具有相同的形式；可得到：

即：

按照上述求解过程，把忽略并联电阻的单二极管方程式(7)用上述Lambert W函数转化为：

其中，I_ph为光生电流，I₀为新指数前因子，A为P-N结理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为电池板表面温度，q为单个光子电荷数,R_s为串联电阻，U为背板电压。

式(14)中，电池板温度

其中，T_air为环境温度；T_NOC是光伏电池额定工作温度，指在辐照度为800W·m^-2、气温为20℃，风速为1m·s^-1的外部环境条件下光伏电池的温度；G是太阳能电池背板某处的辐照度，单位为W·m^-2；

这样背板电压与背板电流的关系得以显化。

(4)在光伏组件工作的过程中，由于组件被遮挡、辐照温度等因素随时间变化，往往当组件串联的时候不能保证每一块组件都能在最大功率点工作，造成功率的损失，这也是在计算电池片发电功率的过程中需要考虑的一个重要环节。本发明提出失配模型，解决了这个难题。过程如下：

组件最大功率为：

其中，P_maxi，i＝1,2,……,x，为第i片电池片的最大输出功率。

电池串联封装成组件后，不考虑除电池电性能失配以外的组件封装损失，组件峰值功率可表示为：

其中，I₀为组件的工作电流；V₁，V₂，…，V_x为每片电池的工作电压；I₁，I₂，…，I_x为每片电池的工作电流。当组件中电池串联的时候，每片电池工作电流均为组件电流I₀。

以上I-V曲线叠加可采用数据表格计算。首先测试每片电池的I-V曲线，在I-V曲线上每隔0.01A取电流I₀点，得同样电流点各太阳电池对应工作电压值V₁，V₂，…，V_x。电流I₀与V₁+V₂+…+V_x的关系曲线即，串联电池组件的I-V曲线。I₀×(V₁+V₂+…+V_x)达到峰值对应的I₀值，即电池组件最佳工作点电流值。即可以计算出电池电流不匹配带来的组件理论功率。在实际应用中，太阳能电池板存在失配现象，假设背面辐照有20％的失配。

(5)双面电池总电流:I_mc＝I_m+I

其中，I_m为电池板正面电流，I为电池背板电流即式(14)；

双面电池总功率为P_mc＝I_mcV；

其中，V为电池电压，为正面电压和背板电压之和，正面电压和背面电压都可知。

(6)功率增益计算是双面电池与单面电池性能比较的一个重要参数，易知功率增益P_in：

其中，P_mmw为单面电池功率；

双面电池功率相比单面电池功率明显增多；

(7)能量输出是本发明的最终环节，同时也是太阳能电池板的重要参数，能量输出的计算方法如下：

每30秒-5分钟采集一个辐照数据，根据每个采集点辐照数据，计算单个电池功率数据，即步骤(5)中的公式P_mc＝I_mcV；

然后根据失配模型计算组件功率数据，即步骤(4)中的I₀×(V₁+V₂+…+V_x)，其中，I₀值为I₀×(V₁+V₂+…+V_x)达到峰值对应的I₀值。

最后由组件功率数据乘以数据点采集的时间步长，计算发电量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种采用多辐照传感器计算双面电池组件发电性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)进行组件背板辐照数据采集；

2)计算电池背板某位置的线性辐照；

3)计算电池的背板电流；

4)利用Lambert W函数，求解电池背板电流与电压的显性关系表达式；

5)根据失配模型计算双面电池组件的发电功率；

6)计算双面电池的功率增益；

7)计算双面电池组件的能量输出。

2.根据权利要求1所述的一种采用多辐照传感器计算双面电池组件发电性能的方法，其特征在于，所述步骤1)中，在组件背板的4个角落各设置1个辐照计，用于采集辐照数据。

3.根据权利要求1所述的一种采用多辐照传感器计算双面电池组件发电性能的方法，其特征在于，所述电池背板某位置的线性辐照计算式为：

G＝a+c×D×n (1)

其中，G表示电池背板某处的辐照量，a为电池背板四个辐照计测得的最低辐照，c为修正系数，n为第n列光伏电池串，D为该位置距最下端的距离。

4.根据权利要求1所述的一种采用多辐照传感器计算双面电池组件发电性能的方法，其特征在于，所述步骤3)中，电池的背板电流计算方法如下：

3-1)根据光伏电池等效电路图，存在如下关系式：

I_ph＝I_D+I_sh+I (2)

其中，I_ph为光生电流，I_D为暗电流，I_sh为流过并联电阻R_sh的电流，I为流过负载电阻R_L的电流，也就是背板电流；

其中，I_sh的计算公式为：

I_sh＝(U+IR_s)/R_sh (3)

其中，U为负载电阻R_L两端电压，也就是背板电压，R_s为串联电阻，

暗电流I_D的指数表达形式为：

其中，q为单个光子电荷数，I₀为新指数前因子，A为P-N结理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为电池表面温度；

3-2)将式(3)和式(5)带入式(2)，得出

3-3)忽略并联电阻一项，

得到电池的背板电流：

5.根据权利要求4所述的一种采用多辐照传感器计算双面电池组件发电性能的方法，其特征在于，所述步骤4)中，电池背板电流与电压的显性关系表达式为：

其中，电池表面温度

其中，T_air为环境温度；T_NOC是光伏电池额定工作温度，指在辐照度为800W·m^-2、气温为20℃，风速为1m·s^-1的外部环境条件下光伏电池的温度；G表示电池背板某处的辐照量。

6.根据权利要求4所述的一种采用多辐照传感器计算双面电池组件发电性能的方法，其特征在于，所述步骤5)中，根据失配模型计算双面电池组件的发电功率为：

其中，I₀为双面电池组件的工作电流，V₁，V₂，…，V_x为每片双面电池的工作电压；I₁，I₂，…，I_x为每片双面电池的工作电流，当组件中电池串联的时候，每片电池工作电流均为组件电流I₀。

7.根据权利要求6所述的一种采用多辐照传感器计算双面电池组件发电性能的方法，其特征在于，所述步骤6)中，双面电池的功率增益P_in为：

其中，P_mmw为单面电池功率，P_mc为双面电池总功率，

P_mc＝I_mcV

其中，V为双面电池的正面电压和背板电压之和，I_mc为双面电池的正面电流和背板电流之和。

8.根据权利要求7所述的一种采用多辐照传感器计算双面电池组件发电性能的方法，其特征在于，所述步骤7)双面电池组件能量输出的计算方法如下：

每30秒-5分钟采集一个辐照数据，根据每个采集点辐照数据，根据P_mc＝I_mcV计算单个电池的总功率，然后根据式(16)计算双面电池组件的发电功率，最后由双面电池组件的发电功率乘以数据点采集的时间步长，即为双面电池组件的能量输出。