CN108959740A - 一种光伏电池及组件等效模型的建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种光伏电池及组件等效模型的建立方法，包括以下步骤：第一步，利用光伏电池等效电路模型中的引出端口V_cont、UC_D、UC+和UC‑将电池封装成一个电池元件单元，并将该电池元件单元中的电池参数输入到光伏电池的I‑V曲线计算公式中，得到光伏电池模型的输出IV曲线；第二步，调整第一步中所述的电池参数，直至得到的光伏电池模型的输出IV曲线与光伏电池的实测输出IV曲线之间的误差达到工艺条件为止，同时，将该光伏电池模型的输出IV曲线对应的电池参数作为最优参数；第三步，最优参数对应的电池元件单元即为光伏电池的等效模型；通过该模型可以准确的模拟光伏电池及组件的温度系数，低辐照性能，有阴影遮挡情况下的输出特性等，了解这些性能对光伏电池及组件的设计工作具有重要的指导意义。
Description
技术领域
本发明属于光伏技术领域，涉及一种光伏电池及组件等效模型的建立方法。
背景技术
光伏电池是一种利用光生伏特效应将光能直接转化为电能的器件。光伏电池通过串并连接，外加材料封装得到光伏组件。光伏电池及组件的I-V(电流-电压)输出是非线性的，其输出响应受光照强度、温度、负载等多方面因素的影响。建立光伏电池以及组件的输出响应模型，可以做到不需要实验操作，就能够初步判断设计方案的可行性，对光伏电池及组件的设计具有重要的指导意义。由于光伏产品输出特性为非线性，目前，行业内的光伏电池，光伏组件的建模方法精准度都不高，模型输出与实际测试有较大的偏差存在，从模型中提取出的最大功率Pm的偏差约为1％～3％，而且部分模型存在一定的错误，例如：PV lighthouse中提供的光伏电池双二极管模型，温度为300K时，电池的开路电压为0.6296V，当温度升高到301K时，电池的开路电压为0.6317V，由此可得，温度升高，电池的开路电压Voc升高，电池的开路电压的温度系数为正，然而根据光伏电池的物理特性及实际试验，我们可以验证，当温度升高时，电池Voc下降，电池的Voc的温度系数为负值。
发明内容
本发明的目的在于一种光伏电池及组件等效模型的建立方法，解决了现有的光伏组件的建模方法精准度不高，模型输出与实际测试有较大偏差的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种光伏电池及组件等效模型的建立方法，包括以下步骤：
第一步，利用光伏电池等效电路模型中的引出端口V_cont、UC_D、UC+和UC-将电池封装成一个电池元件单元，并将该电池元件单元中的电池参数输入到光伏电池的I-V曲线计算公式中，得到光伏电池模型的输出IV曲线；
第二步，调整第一步中所述的电池参数，直至得到的光伏电池模型的输出IV曲线与光伏电池的实测输出IV曲线之间的误差达到工艺条件为止，同时，将该光伏电池模型的输出IV曲线对应的电池参数作为最优参数；
第三步，最优参数对应的电池元件单元即为光伏电池的等效模型。
优选地，第一步中，所述的光伏电池等效电路模型通过LTSPIC建立，同时，该等效电路模型含有三个二极管。
优选地，第一步中，在LTSPIC中建立的光伏电池的等效电路模型具体是：包括光生电流源J_light、二极管J01、二极管J02、电阻R_sh、电阻Rs和二极管R_BD，其中，光生电流源J_light与二极管J01、二极管J02和电阻R_sh先并联后,由并联节点正极引出端口UC_D，负极引出端口UC-,其次在与电阻Rs串联，再次并联一个用于防反偏击穿的二极管R_BD,从二极管R_BD的负极引出端口UC+,最后外接负载电阻R_load，电路负极接地，最终完成等效电路模型的建立。
优选地，第一步中，光伏电池的I-V曲线计算公式是根据光伏电池等效电路模型得到的，具体是：
其中，I_load为电池的输出电流；I_light为电池的光生电流；ID1为流过二极管J01的电流；ID2为流过二极管J02的电流；I_RSh为流过电池片的并联电阻R_sh的电流；I01为二极管J01的反向饱和漏电流；I02为二极管J02的反向饱和漏电流；q为元电荷常数；n1为二极管J01的理想因子；n2为二极管J02的理想因子；K为玻尔兹曼常数。
优选地，第三步中，相应的电池参数是：开路电压Voc、短路电流Isc、二极管J01和J02的反向饱和漏电流I01、I02，串联电阻R_s和并联电阻R_sh。
优选地，将多个光伏电池的等效模型进行串联或者并联排列，同时，串联或并联同等数量的旁路二极管模型BPD、串联一个组件等效串联电阻R1，以及接地模型，完成光伏电池组件的模型建立。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种光伏电池及组件等效模型的建立方法，建立了一个三二极管模型的电池等效电路，修正了现有模拟方法的偏差，可以精准的控制偏差范围，提高了光伏电池，光伏组件模拟数据的精准度，可以有效地指导光伏电池及光伏组件的设计工作。此外，通过该模型可以准确的模拟光伏电池及组件的温度系数，低辐照性能，有阴影遮挡情况下的输出特性等，了解这些性能对光伏电池及组件的设计工作具有重要的指导意义。
附图说明
图1是光伏组件模型建立流程图；
图2是光伏电池的器件等效模型图；
图3是光伏电池的集成等效模型图；
图4是光伏组件的等效模型图；
图5是基于本专利建立的光伏电池的模拟IV曲线与实测IV曲线对比图；
图6是基于本专利建立的光伏组件的不同辐照度的模拟IV曲线图；
图7是白色网格玻璃光伏组件设计示意图；
图8是白色网格玻璃光伏组件中单个电池片有0～10％的偏移量时，对应组件功率的损失比例图；
图9是白色网格玻璃光伏组件中一串电池片有0～10％的偏移量时，对应组件功率的损失比例图；
其中，1、电池片2、网格涂层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种光伏电池及组件等效模型的建立方法，包括以下步骤：
第一步，利用光伏电池等效电路模型中的引出端口V_cont、UC_D、UC+和UC-将电池封装成一个电池元件单元，并将该电池元件单元中的电池参数输入到光伏电池的I-V曲线计算公式中，得到光伏电池模型的输出IV曲线；
具体地：利用引出端口V_cont，UC_D，UC+，UC-在LTSPIC中将电池封装成一个如图3所示的电池元件单元，然后向第二步中的光伏电池的I-V曲线计算公式中输入相应的电池参数，得到光伏电池模型的输出IV曲线，其中，输入相应的电池参数包括开路电压Voc，短路电流Isc，二极管J01和J02的反向饱和漏电流I01，I02，串联电阻R_s，并联电阻R_sh；
所述的光伏电池等效电路模型通过在LTSPIC中建立如图2所示，同时，该等效电路模型含有三个二极管：
其中，图2中V_cont为辐照度的等效电压控制源，J_light为光生电流源，J01为光伏电池的扩散电流等效二极管，J02为光伏电池的复合电流等效二极管，R_s为光伏电池的等效串联电阻，R_sh为电池的等效并联电阻，R_BD为电池反偏情况下的击穿二极管模型，R_load为负载电阻，UC_D，UC+，UC-分别对应池模型中J01，R_BD正极以及R_BD负极的引出端口。
所述的光伏电池的等效电路模型，首先将光生电流源J_light与二极管J01、J02和电阻R_sh先并联后,由并联节点正极引出端口UC_D，负极引出端口UC-,其次在与电阻Rs串联，再次并联一个防反偏击穿二极管R_BD,从二极管R_BD的负极引出端口UC+,最后外接负载电阻R_load，电路负极接地，完成等效电路模型的建立；其中，图2中V_cont为辐照度的等效电压控制源。
由所建立的光伏电池等效电路模型结合基尔霍夫电路定律得到光伏电池的I-V曲线计算公式，具体如下：
I_load＝I_light-ID1-ID2
将上述三式汇总，得：
其中，I_load为电池的输出电流；I_light为电池的光生电流；ID1为流过二极管J01的电流；ID2为流过二极管J02的电流；I_RSh为流过电池片的并联电阻R_sh的电流；I01为二极管J01的反向饱和漏电流；I02为二极管J02的反向饱和漏电流；q为元电荷常数；n1为二极管J01的理想因子；n2为二极管J02的理想因子；VD1为二极管J01两端的电压；VD2为二极管J02两端的电压；V_load为外接负载R_load两端的电压；K为玻尔兹曼常数。
第二步中，不断地调整第三步中所述的电池参数至光伏电池的I-V曲线计算公式中，直至得到的光伏电池模型的输出IV曲线与光伏电池的实测输出IV曲线之间的误差达到工艺条件为止，同时，该光伏电池模型的输出IV曲线对应的电池参数为最优参数；
第三步，最优参数对应的电池元件单元即为光伏电池的等效模型。
第四步，将多个光伏电池的等效模型进行串联或者并联排列，同时，串联或并联同等数量的旁路二极管模型BPD、串联一个组件等效串联电阻R1，以及接地模型，完成光伏电池组件的模型建立。
当组件模型建立完成后，根据实际需求，设置不同的条件，如：不同温度，不同的辐照度，不同的阴影面积等，模拟运算，输出模拟数据。分析判断设计方案的优缺点及可行性。模拟数据与实测数据对比，可以检验模型的准确度。
实施例1
根据以上操作步骤，建立光伏PERC电池模型，输出模拟IV曲线与实测IV曲线对比如图5，图中模拟数据与实测数据基本重合，模拟数据的精准度较高，从模拟数据以及实测数据中分别提取Isc/Voc/Im/Vm模拟参数与实测参数对比分析如表1，模拟数据与实测数据的测试偏差小于0.2％。
表1
| Isc[A] | Voc[V] | Im[A] | Vm[V] | Pm[W] | FF[％] | |
| 测试值 | 9.754 | 0.672 | 9.199 | 0.567 | 5.216 | 79.62％ |
| 模拟值 | 9.754 | 0.671 | 9.194 | 0.568 | 5.222 | 79.77％ |
| 偏差 | 0.002％ | -0.059％ | -0.045％ | 0.174％ | 0.129％ | 0.192％ |
实施例2
根据以上操作步骤，建立一个72片电池全部串联的光伏组件模型，模拟1000W/m2、800W/m2、600W/m2、400W/m2、200W/m2辐照度下，组件的IV输出特性，模拟结果如图6。模拟数值与实测数据对比如表2。由表2可得，光伏组件的低辐照性能的模拟数值与实测数值的偏差小于1％，精准度较高。
表2
| 辐照度[W/m2] | 1000 | 800 | 600 | 400 | 200 |
| 实测值 | 100.00％ | 99.87％ | 99.42％ | 97.15％ | 91.90％ |
| 模拟值 | 100.00％ | 99.46％ | 98.47％ | 96.64％ | 92.59％ |
| 偏差 | 0.00％ | 0.41％ | 0.95％ | 0.53％ | -0.74％ |
实施例3
对于双玻光伏组件，行业内的白色网格玻璃技术可以有效的提升发电量，图7为白色网格玻璃光伏组件设计示意图，图中白色部分为电池片1，黑色部分为网格涂层2。然而白色网格玻璃技术有一个缺陷，当电池串排版略有偏移，就会遮挡电池片，造成发电量降低，因此电池串排版过程中的工艺窗口的实验是白色网格玻璃技术推广应用过程中，必须探究的内容。
针对以上，利用本专利提出的模型，可以模拟光伏电池串放置到白色网格玻璃的网格内时，不同的偏移量对应的功率损失量，以功率损失百分比来控制制程偏移窗口，保证最终光伏组件的输出性能。图8为利用本专利模型计算的白色网格玻璃光伏组件中单个电池片有0～10％的偏移量时，对应组件功率的损失比例图，根据图示，如果白色网格玻璃光伏组件的功率损失比例想要控制在0.5％以内，则单片电池的偏移量不能超过7％。图9为利用本专利模型计算的白色网格玻璃光伏组件中从1串到6串电池串依次有0～10％的偏移量时，对应组件功率的损失比例图，同理可得，不同功率损失比例时，对应的相应偏移上限。此案例对白色网格双玻光伏组件的设计偏差范围有着明确的指导意义。
Claims (6)
1.一种光伏电池及组件等效模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，利用光伏电池等效电路模型中的引出端口V_cont、UC_D、UC+和UC-将电池封装成一个电池元件单元，并将该电池元件单元中的电池参数输入到光伏电池的I-V曲线计算公式中，得到光伏电池模型的输出IV曲线；
第二步，调整第一步中所述的电池参数，直至得到的光伏电池模型的输出IV曲线与光伏电池的实测输出IV曲线之间的误差达到工艺条件为止，同时，将该光伏电池模型的输出IV曲线对应的电池参数作为最优参数；
第三步，最优参数对应的电池元件单元即为光伏电池的等效模型。
2.根据权利要求1所述的一种光伏电池及组件等效模型的建立方法，其特征在于，第一步中，所述的光伏电池等效电路模型通过LTSPIC建立，同时，该等效电路模型含有三个二极管。
3.根据权利要求2所述的一种光伏电池及组件等效模型的建立方法，其特征在于，第一步中，在LTSPIC中建立的光伏电池的等效电路模型具体是：包括光生电流源J_light、二极管J01、二极管J02、电阻R_sh、电阻Rs和二极管R_BD，其中，光生电流源J_light与二极管J01、二极管J02和电阻R_sh先并联后,由并联节点正极引出端口UC_D，负极引出端口UC-,其次在与电阻Rs串联，再次并联一个用于防反偏击穿的二极管R_BD,从二极管R_BD的负极引出端口UC+,最后外接负载电阻R_load，电路负极接地，最终完成等效电路模型的建立。
4.根据权利要求1所述的一种光伏电池及组件等效模型的建立方法，其特征在于，第一步中，光伏电池的I-V曲线计算公式是根据光伏电池等效电路模型得到的，具体是：
其中，I_load为电池的输出电流；I_light为电池的光生电流；ID1为流过二极管J01的电流；ID2为流过二极管J02的电流；I_RSh为流过电池片的并联电阻R_sh的电流；I01为二极管J01的反向饱和漏电流；I02为二极管J02的反向饱和漏电流；q为元电荷常数；n1为二极管J01的理想因子；n2为二极管J02的理想因子；VD1为二极管J01两端的电压；VD2为二极管J02两端的电压；V_load为外接负载R_load两端的电压；K为玻尔兹曼常数。
5.根据权利要求1所述的一种光伏电池及组件等效模型的建立方法，其特征在于，第二步中，相应的电池参数是：开路电压Voc、短路电流Isc、二极管J01和J02的反向饱和漏电流I01、I02，串联电阻R_s和并联电阻R_sh。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种光伏电池及组件等效模型的建立方法，其特征在于，将多个光伏电池的等效模型进行串联或者并联排列，同时，串联或并联同等数量的旁路二极管模型BPD、串联一个组件等效串联电阻R1，以及接地模型，完成光伏电池组件的模型建立。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181207 |