本發(fā)明涉及一種利用數(shù)學(xué)顯性模型求解太陽能電池物理參數(shù)的方法。

背景技術(shù)：

由于煤、石油等傳統(tǒng)能源的日漸枯竭，以及傳統(tǒng)能源帶來的污染與現(xiàn)代環(huán)境保護(hù)理念格格不入，各國紛紛大力開發(fā)新能源。光伏發(fā)電具有可再生，無污染，無噪音等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為新能源發(fā)電的重要組成部分。在太陽能板使用過程中，其電流-電壓模型的建立與參數(shù)求解有著重要的意義，關(guān)系到太陽能發(fā)電的利用效率與電網(wǎng)連接等。

人們對(duì)太陽能電池的電流-電壓模型進(jìn)行了大量研究，主要分為物理模型和數(shù)學(xué)模型，物理模型是基于太陽能板內(nèi)部的物理器件電學(xué)特性建立的，模型中每個(gè)參數(shù)有著明確的物理意義，目前最為常用的光伏電池物理模型為單二極管模型，該物理模型的不足之處在于其方程無法表示成顯式，給物理參數(shù)的求取帶來了很大困難。數(shù)學(xué)模型是基于電流-電壓曲線的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系得到，數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)沒有明確的物理意義，但由于其顯式表達(dá)方式，在最大功率跟蹤等方面有著較多利用。

目前物理模型的求取多采用數(shù)值擬合的方法，但由于單二極管模型含有五個(gè)未知參數(shù)，擬合難度較大。同時(shí)，在擬合過程中需要用到最大功率點(diǎn)，以及電流電壓在短路和開路處的微分，這些數(shù)值難以從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中精確得到。

現(xiàn)有物理參數(shù)求取方式的缺點(diǎn)如下：

(1)物理參數(shù)獲取方法需要用到短路點(diǎn)和開路點(diǎn)斜率大小，而由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為一組離散點(diǎn)，而非完整的曲線，所以很難通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得精確的di/dv值。

(2)現(xiàn)有的物理參數(shù)獲取方法需要用最大功率點(diǎn)(vm、im)，而由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為離散點(diǎn)，數(shù)據(jù)中的最大功率點(diǎn)，并不一定為太陽能板的真實(shí)最大功率點(diǎn)。

(3)現(xiàn)有求解物理模型參數(shù)的方法中，對(duì)五個(gè)參數(shù)同時(shí)進(jìn)行擬合，計(jì)算量大。

(4)在獲取數(shù)學(xué)模型的過程中，現(xiàn)有的辦法是取兩個(gè)離散點(diǎn)(一般為開路電壓的0.6倍和短路電流的0.6倍處的點(diǎn))對(duì)曲線進(jìn)行擬合，存在較大誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述難題，提供了一種利用數(shù)學(xué)顯性模型求解太陽能電池物理參數(shù)的方法，先通過測得太陽電池板的i-v曲線求得數(shù)學(xué)模型參數(shù)，再通過數(shù)值方法解得物理模型參數(shù)，可以大大降低擬合參數(shù)的個(gè)數(shù)，簡化算法。同時(shí)，由于數(shù)學(xué)模型是基于所有數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合得到，因此大大減小了某一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)測量誤差對(duì)結(jié)果的影響。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：

一種利用數(shù)學(xué)顯性模型求解太陽能電池物理參數(shù)的方法，包括以下步驟：

(1)通過實(shí)驗(yàn)測量太陽能電池板電壓電流數(shù)據(jù)，形成太陽能電池板電壓電流關(guān)系曲線；

(2)確定太陽能電池板數(shù)學(xué)顯示模型以及數(shù)學(xué)模型參數(shù)；

(3)利用步驟(1)中得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直接得到太陽能電池板的開路電壓和短路電流數(shù)據(jù)；構(gòu)建求取數(shù)學(xué)模型參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)，利用太陽能電池板的電流電壓關(guān)系曲線數(shù)據(jù)，求解數(shù)學(xué)模型參數(shù)；

(4)確定太陽能電池板的最大功率點(diǎn)，開路電壓處的電壓對(duì)電流的導(dǎo)數(shù)和短路電流處的電壓對(duì)電流的導(dǎo)數(shù)；

(5)根據(jù)上面求得的開路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)，開路電壓和短路電流處的電壓對(duì)電流的導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)列寫五個(gè)方程，求取太陽能電池板的物理模型參數(shù)。

進(jìn)一步地，所述步驟(2)中，太陽能電池板數(shù)學(xué)顯示模型具體為：

i＝1-(1-γ)v-γv^m

其中，v＝v/voc，i＝i/isc，voc為開路電壓，isc為短路電流。

進(jìn)一步地，所述步驟(2)中，太陽能電池板數(shù)學(xué)顯示模型參數(shù)具體為：

開路電壓voc、短路電流isc、數(shù)學(xué)參數(shù)模型γ和m；其中，m代表了在開路電壓處電流隨電壓增大而迅速減小的程度，γ代表了短路電流處電流隨負(fù)載增加而近似線性下降的程度。

進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，開路電壓voc、短路電流isc可以在實(shí)驗(yàn)條件下直接得出，構(gòu)建求取數(shù)學(xué)模型參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)具體為：

fmin(m,γ)＝min{σ{i/isc-[1-(1-γ)(v/voc)-γ(v/voc)^m]}}

將所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)帶入目標(biāo)函數(shù)，通過數(shù)值擬合的方法得到數(shù)學(xué)模型參數(shù)γ和m。

進(jìn)一步地，所述步驟(5)中，太陽能電池板的物理模型采用單二極管模型。

進(jìn)一步地，所述步驟(5)中，太陽能電池板的物理模型參數(shù)具體為：

光電池電流iph、二極管反向飽和電流i0、二極管參數(shù)n、并聯(lián)電阻rsh以及串聯(lián)電阻rs。

進(jìn)一步地，所述步驟(5)的具體方法為：

根據(jù)數(shù)學(xué)顯示模型中最大功率點(diǎn)處電壓和電流的關(guān)系，得到以下公式：

imp＝isc[1-(1-γ)vmp/voc-γ(vmp/voc)^m]；

利用開路電壓，短路電流，開路電壓、短路電流處的dv/di，最大功率點(diǎn)電壓、電流，五個(gè)條件列寫五個(gè)方程，進(jìn)而求出太陽能電池板的物理模型參數(shù)。

進(jìn)一步地，將(0，voc)帶入物理模型得：

將(isc，0)帶入物理模型得：

將(vmp，imp)帶入物理模型得：

將v＝voc帶入得：

將i＝isc帶入得：

將上述5個(gè)式子聯(lián)立五個(gè)方程，求出物理參數(shù)的具體數(shù)值。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明由實(shí)驗(yàn)測量i-v數(shù)據(jù)，得到太陽能電池板物理參數(shù)的方法。解決了物理參數(shù)求解過程中，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到最大功率點(diǎn)，電流電壓斜率不精確的困難，同時(shí)解決了傳統(tǒng)物理參數(shù)求解方法中，5個(gè)參數(shù)同時(shí)擬合，帶來的計(jì)算量大的難題。本發(fā)明通過求解數(shù)學(xué)模型，得到更加精確的最大功率點(diǎn)，電流電壓斜率，提高了計(jì)算精度，同時(shí)在擬合過程中，只需要對(duì)兩個(gè)數(shù)學(xué)參數(shù)進(jìn)行擬合，計(jì)算量大大減小。

附圖說明

圖1是本發(fā)明物理模型示意圖；

圖2是本發(fā)明方法流程圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：

首先選取合適的數(shù)學(xué)顯示模型和物理模型，數(shù)學(xué)模型為如式2-1所示指數(shù)數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型含有開路電壓voc、短路電流isc、γ、m四個(gè)參數(shù)，數(shù)學(xué)模型中i-v具體關(guān)系如下

i＝1-(1-γ)v-γv^m(2-1)

v＝v/voc，i＝i/isc，voc為開路電壓，isc為短路電流

物理模型即單二極管模型，具體物理模型電路圖如圖1所示。

則i-v關(guān)系如公式2-2所示：

vt＝kt/q(2-3)

其中，iph:光電池電流；

i0:二極管反向飽和電流；

n:二極管參數(shù)；

rsh:并聯(lián)電阻；

rs:串聯(lián)電阻；

v:輸出電壓；

i:輸出電流；

ns:光電池板中太陽能電池串聯(lián)個(gè)數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，數(shù)學(xué)模型的兩個(gè)參數(shù)voc、isc可以直接得到，然后利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求出另外兩個(gè)參數(shù)γ、m，進(jìn)而獲得完整的輸出曲線。然后利用數(shù)學(xué)模型和物理參數(shù)模型的關(guān)系，來獲得五個(gè)參數(shù)方程，即可獲得單二極管模型的五個(gè)物理參數(shù)。

本發(fā)明具體過程為，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直接讀出光伏板的開路電壓和短路電流兩個(gè)數(shù)學(xué)模型參數(shù)，再通過數(shù)值擬合的方法求出另外兩個(gè)參數(shù)，從而獲得數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)模型參數(shù)求解最大功率點(diǎn)，電流電壓斜率，利用以上參數(shù)，得到關(guān)于物理參數(shù)的方程組，利用數(shù)學(xué)軟件編程，求解出五個(gè)物理參數(shù)。其總技術(shù)流程圖2所示，具體如下：

第一步，實(shí)驗(yàn)測到i-v曲線數(shù)據(jù)。

第二步，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到數(shù)學(xué)形狀模型參數(shù)。具體如下：

數(shù)學(xué)模型有四個(gè)待求參數(shù)voc、isc、γ、m，在某一條件下，voc、isc可以直接讀出，為求取數(shù)學(xué)模型的另外兩個(gè)參數(shù)，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)為：

fmin(m,γ)＝min{σ{i/isc-[1-(1-γ)(v/voc)-γ(v/voc)^m]}}(2-4)

將所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)帶入目標(biāo)函數(shù)，利用matlab的函數(shù)objfun，設(shè)置合適參數(shù)，通過程序運(yùn)算，得出該值對(duì)應(yīng)的形狀參數(shù)。其中函數(shù)容限閾值tolfun值越小，則得到的目標(biāo)函數(shù)越接近實(shí)測值，函數(shù)容限閾值tolfun的值應(yīng)小于10^-9，求出數(shù)學(xué)模型參數(shù)。

第三步，根據(jù)數(shù)學(xué)模型求取光伏板的單二極管模型物理參數(shù)：

顯示模型中的最大功率點(diǎn)處電壓和電流的關(guān)系可以寫成如下公式：

imp＝isc[1-(1-γ)vmp/voc-γ(vmp/voc)^m](2-6)

利用開路電壓，短路電流，開路電壓、短路電流處的dv/di，最大功率點(diǎn)電壓、電流，五個(gè)條件列寫五個(gè)方程，進(jìn)而求出iph、i0、n、rsh、rs五個(gè)具體的物理參數(shù)。

將(0，voc)帶入物理模型得：

將(isc，0)帶入物理模型得：

將(vmp，imp)帶入物理模型得：

將v＝voc帶入得：

將i＝isc帶入得：

利用matlab聯(lián)立(2-7)到(2-11)五個(gè)方程即可求出太陽能電池板的物理參數(shù)的具體數(shù)值。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。