CN103454502A - 一种测量任意光强和温度下光伏电池串联内阻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量任意光强和温度下光伏电池串联内阻的方法，属于新能源发电技术领域。本发明根据太阳能电池的四个标准参考技术参数，通过引入相应的补偿系数，近似测量任意光强和温度下光伏电池串联内阻，其步骤为：根据太阳能电池的四个标准参数，在标准测试条件下测量光伏电池串联内阻；引入与四个标准参数相对应的补偿系数，得到新的太阳光强和电池温度下的四个新技术参数；将新技术参数引入到第一步中，测量任意光强和温度下的硅光伏电池串联内阻的估算值。本发明估算值与实测值的误差低于工程实践中要求小于6%的范围，能够很好的满足工程应用精度要求。本发明成果能应用于光伏电池的理论分析和设计制造，具有良好的工程应用价值。

Description

一种测量任意光强和温度下光伏电池串联内阻的方法

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，公开了一种测量任意光强和温度下光伏电池串联内阻的方法。 

背景技术

当今世界能源结构是以煤炭、石油和天然气等化石能源为主体的结构，而化石能源是不可再生能源，大量耗用终将枯竭。太阳能取之不尽，用之不竭，是理想的可再生能源。太阳能光伏发电最核心的器件是光伏电池，目前占生产、市场和应用主导地位的是晶体硅光伏电池。硅光伏电池理论光电转换效率的上限值为33％左右，而商品硅光伏电池的转换效率一般为15％～20％。光伏电池串联内阻对其电性能有很大的影响，是影响转换效率的主要因素，它与其材料、PN结和电极接触的性质有关。准确简便地得到光伏电池的串联内阻值，对于改进生产工艺技术以尽量减小串联内阻，提高光伏电池的效率具有重要的意义。 

光伏电池的串联内阻一般通过实验测量的方法来得到，或者从一条或多条伏安特性曲线中求解串联内阻值，或者利用不同光照下伏安特性曲线比较的方法测定串联内阻。但这些测定方法都没有讨论太阳光强和电池工作温度等对串联内阻的影响。光伏电池生产厂商一般只提供光伏组件在标准测试条件（太阳光强1000W/m²，电池温度25℃）下的四个电气参数（短路电流Isc，开路电压Voc，最大功率点电流Im和电压Vm），如何利用这四个参数估算在各种环境条件下串联内阻, 比在各种工况下反复测定光伏电池串联内阻，显然更有实际意义。 

发明内容

针对现有技术中光伏电池的串联内阻测量方法中存在的以上问题，本发明提供一种测量任意光强和温度下光伏电池串联内阻的方法。 

本发明的技术方案是： 

一种测量任意光强和温度下光伏电池串联内阻的方法，包括以下步骤：

 （一）标准测试条件下的光伏电池串联内阻的估算

光伏电池的原理是基于半导体材料的光伏效应将太阳辐射直接转换为电能，其输出电流I和输出电压V之间的关系为： 

      (1)

式中，I _ph为光伏电池光生电流(A)，I _sat为电池单元的二极管反向饱和电流(A)，A为无量纲的任意曲线拟合常数，其取值范围为1≤A≤2，当光伏电池输出高电压时A=1；当光伏电池输出低电压时A=2，k为波尔兹曼常数（1.38×10^-23 J/K），T为光伏电池的绝对温度（K），q为电子电荷（1.6×10^-19C），R _s为串联等效电阻（），R _sh为并联等效电阻（），I为光伏电池输出电流（A），V为光伏电池输出电压（V）。

并联电阻R _sh主要由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的P-N结漏泄电阻和电池边缘的漏泄电阻等组成，一般为几千欧姆，其通过的电流远小于光电流，故可以忽略不计。因此式（1）简化为 

        (2)

利用光伏电池开路点（即I=0时，V=V _oc）和最大功率点（I=I _m，V=V _m）代入上式，进一步简化可以得到

        (3)

由于I _sat与电池材料自身性质有关，反映了光伏电池对光生载流子最大的复合能力，一般认为它近似为常数，不受光照强度的影响。在标准测试条件下，I _sat/I _sc≈10 ^－8～10 ^－10，为简化分析，一般取I _sat/I _sc≈10 ^－9。由式（3）可知，根据生产厂商为用户提供的光伏电池组件在标准测试条件下测出的四个技术参数（短路电流I _sc，开路电压V _oc，最大功率点电流I _m，最大功率点电压V _m）, 容易计算出对应标准测试条件下的串联内阻。

     （二）任意光强和温度下光伏电池串联内阻的估算 

光伏电池输出特性与太阳光强和电池温度有关。当太阳光强不变时，短路电流I _sc随温度的升高有所增加，开路电压V _oc则随着温度的升高而下降；当温度不变时，短路电流I _sc与太阳光强成线性关系，开路电压V _oc则与太阳光强的对数成正比。根据厂商提供的标准测试条件下四个技术参数（I _sc，V _oc，I _m和V _m），通过引入相应补偿系数，可近似推算出新的太阳光强T和电池温度S下的四个技术参数（

，

，

和

）。然后代入式(3)，从而得出新的任意光强T和温度S下的硅光伏电池串联内阻估算值。

本发明的有益效果是： 

本发明仅仅利用光伏电池生产厂商提供的在标准测试条件下的四个技术参数（短路电流I _sc，开路电压V _oc，最大功率点电流I _m和电压V _m），通过引入相应补偿系数，可以估算出任意光强和温度下的光伏电池串联内阻，能够很好的满足工程应用精度要求。 

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。 

根据生产厂商为用户提供的光伏电池组件在标准测试条件下测出的四个技术参数（短路电流I _sc，开路电压V _oc，最大功率点电流I _m，最大功率点电压V _m）, 容易计算出对应标准测试条件下的光伏电池串联内阻；通过引入相应补偿系数，可以估算出任意光强和温度下的光伏电池串联内阻。本发明具体实施办法如下： 

（一）标准测试条件下的光伏电池串联内阻的估算

光伏电池的原理是基于半导体材料的光伏效应将太阳辐射直接转换为电能，其输出电流I和输出电压V之间的关系为： 

         (4)

并联电阻R _sh主要由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的P-N结漏泄电阻和电池边缘的漏泄电阻等组成，一般为几千欧姆，其通过的电流远小于光电流，故可以忽略不计。因此式（4）简化为

                (5)

由于exp[q(V+IRs) /AkT] >>1，可忽略式（5）中的“－1”项，且设定I _ph≈I _sc，令λ＝q/AkT，得

         (6)

当光伏电池开路，即I=0时，V=V _oc，代入上式得

                (7)

将式（7）代入式（6）可得

               (8)

在最大功率点，I=I _m，V=V _m，代入式（8）并简化得

                (9)

由于I _sat与电池材料自身性质有关，反映了光伏电池对光生载流子最大的复合能力，一般认为它近似为常数，不受光照强度的影响。在标准测试条件下，I _sat/I _sc≈10 ^－8～10 ^－10，为简化分析，一般取I _sat/I _sc≈10 ^－9。由式（9）可知，根据生产厂商为用户提供的光伏电池组件在标准测试条件下测出的四个技术参数（短路电流I _sc，开路电压V _oc，最大功率点电流I _m，最大功率点电压V _m）, 容易计算出对应标准测试条件下的串联内阻。

     (二) 任意光强和温度下光伏电池串联内阻的估算 

光伏电池输出特性与太阳光强和电池温度有关。当太阳光强不变时，短路电流I _sc随温度的升高有所增加，开路电压V _oc则随着温度的升高而下降；当温度不变时，短路电流I _sc与太阳光强成线性关系，开路电压V _oc则与太阳光强的对数成正比。

根据厂商提供的标准测试条件下四个技术参数（I _sc，V _oc，I _m和V _m），通过引入相应补偿系数，可近似推算出新的太阳光强T和电池温度S下的四个技术参数（

，

，

和

）。 

                            (10) 

                       (11)

                       (12)

                  (13)

                          (14)

                    (15)

式中S _ref参考太阳辐射强度（1000W/m²）；T _ref参考电池温度（25℃）；ΔT为实际电池温度与参考电池温度差值；ΔS为实际光强与参考光强差值；太阳光强为S和电池温度为T时光伏电池短路电流

，开路电压

，最大功率点电流，最大功率点电压

；e为自然对数的底数，近似取值2.71828；补偿系数a、b、c为常数，根据大量实验数据拟合，其典型值推荐为：a=0.0025/℃，b=0.0005(W/m²)^-1，c=0.00288/℃。

将式(12)～(15)计算得到的四个技术参数(

，

，

和

)代入式(9)，从而得出新的任意光强T和温度S下的硅光伏电池串联内阻估算值。 

 (三) 实验测量结果与估算结果的比较 

由太阳能电池输出电气特性曲线可知，在接近开路电压V _oc的附近该曲线近似为直线，这段直线对应横轴的斜率可以近似表征出太阳能电池的串联电阻R _s。因此，只要测量在开路电压（

）附近的I－V曲线的斜率，就能得到太阳能电池的串联电阻实验测量值。

实验测量采用无锡尚德太阳能电力有限公司生产的单晶硅太阳能电池组件（规格型号：STP155S-24/Ab），其参数为：V _m＝34.4V，I _m＝4.51A，I _sc＝4.9A，V _oc＝43.2V。在太阳能电池组件I－V曲线接近开路电压（

）附近选择一定的电流范围，并认为在此范围I－V曲线呈线性关系来进行测量。根据测量的电流和电压值，就可以近似求出斜率，从而得出串联电阻。公司提供的在标准测试条件下的硅太阳能电池I－V特性的实验数据如下表所示。测量R _s的电流范围选择为0～0.054A,间距为0.0054A,共测量I－V数据11组。根据下表中的电流和电压实测数据，可以绘制其关系曲线，进一步容易近似求出标准测试条件下的串联电阻实测值为0.8228欧姆。 

另外，根据式（9）容易计算出对应标准测试条件下的串联电阻估算值为0.7814欧姆。两者误差为 

              (16)

可见估算值与实测值的误差在6％以下，满足工程应用精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种测量任意光强和温度下光伏电池串联内阻的方法，其特征在于：根据太阳能电池的四个标准参考技术参数，通过引入相应的补偿系数，近似测量任意光强和温度下光伏电池串联内阻，具体包括如下步骤：

（1）根据太阳能电池的四个标准参考技术参数，在标准测试条件下测量光伏电池串联内阻；

（2）在步骤（1）的基础上引入与所述四个标准参考技术参数相对应的补偿系数，得到新的太阳光强T和电池温度S下的四个新技术参数；

（3）将步骤（2）中的四个新技术参数引入到步骤（1）的测量方法中，测量出任意光强T和温度S下的硅光伏电池串联内阻的估算值。

2.根据权利要求1所述的一种测量任意光强和温度下光伏电池串联内阻的方法，其特征在于：所述四个标准参考技术参数为标准测试条件下光伏电池的短路电流I _sc，开路电压V _oc，最大功率点电流I _m，最大功率点电压V _m；所述四个新技术参数为任意光强和温度下光伏电池的短路电流                                               

，开路电压

，最大功率点电流

，最大功率点电压。

3.根据权利要求1或2所述的一种测量任意光强和温度下光伏电池串联内阻的方法，其特征在于：所述补偿系数为根据实验数据拟合的常数a、b、c，其典型值为：a=0.0025/℃，b=0.0005(W/m²)^-1，c=0.00288/℃。

4.根据权利要求1或2所述的一种测量任意光强和温度下光伏电池串联内阻的方法，其特征在于：在开路电压，即

附近的I－V曲线的斜率，即为光伏电池串联内阻的实验测量值。