CN103984840A - 一种聚光太阳能光伏发电***的建模方法 - Google Patents

一种聚光太阳能光伏发电***的建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚光太阳能光伏发电***的建模方法，包括：（1）根据实际应用建立聚光光学模型，得到多结电池表面接收的辐照光谱；（2）建立多结电池的等效电路模型，通过测量的I-V曲线拟合电路模型中的未知参数；（3）利用多结电池各结材料参数和电池表面辐照光谱数据计算各结子电池的短路电流，代入电路模型计算多结电池及***的开路电压和最大输出功率；（4）利用光学模型的输入DNI光谱数据计算***的输入光功率，通过***的最大输出功率和输入光功率计算***效率，并有效估算***发电量。运用本发明提出的方法可以对聚光太阳能光伏发电***性能随温度变化的趋势进行有效地估计，同时对器件及***性能的改善具有重大的理论指导意义。

Description

一种聚光太阳能光伏发电***的建模方法
技术领域
本发明属于太阳能光伏发电技术领域，具体涉及到一种基于多结层叠太阳能电池的聚光太阳能光伏发电***的建模方法。
背景技术
具有低能耗、低成本、低污染特点的高效聚光型光伏发电技术正在成为光伏技术发展的一个主要方向，与传统的晶硅光伏发电技术相比，聚光型光伏技术光电转化效率可提高一倍。高效聚光型光伏发电技术能够实现低能耗、低成本的原因主要有两方面：首先，聚光光伏***所需要的光伏材料大大减少，用来聚光的材料如玻璃、有机高分子材料或者铁皮、铝片都比晶硅材料容易生产，成本低2个数量级；其次，在高倍聚光条件下，可以采用高科技多结光伏材料，多PN结光伏材料可以更充分的吸收太阳光能量。高倍聚光、多结光伏材料是真正体现高科技强大威力的技术，一旦进入大规模应用，高倍聚光发电成本可以低于核电和火电发电成本。
聚光太阳能光伏发电技术通常采用多结层叠Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池作为其发电核心器件，该电池具有极高的光电转换效率，最新报道的四结电池效率已经达到44.7％。一般太阳能电池都是由单一材料作为活性层制备而成，只能吸收特定波段范围的太阳光，故电池转换效率较为有限。而多结太阳能电池由不同带隙半导体材料的子电池按带隙宽度由大到小从上而下层叠而成，如图1所示，各子电池针对不同波段的太阳光进行选择性吸收，最终实现对太阳光的广谱吸收，从而大幅提高电池的光电转换效率。为了进一步提升电池效率并降低多结太阳能电池的发电成本，一般采用光学处理***将垂直入射太阳光聚焦到多结电池上进行光伏转换，聚光倍数可达2000～3000倍。
多结层叠太阳能电池一般通过MOCVD半导体外延工艺制作而成，目前主要有两种方法：一种是基于晶格匹配(Lattice-mateched，LM)技术，要求层叠的每结材料与衬底材料实现晶格匹配，这对材料的选择具有很大的限制性；另一种基于变形(Metamorphic，MM)技术，引入渐变缓冲层解决某些PN结材料与衬底材料之间的晶格失配问题。无论采用哪种方法，各PN结之间都是通过隧道二极管串接，因此其输出电流受到最小输出电流的PN结所限制，其它PN结输出的高于限制电流的部分将会用于发热，使得电池温度迅速上升，最终导致电池光电转换效率降低。
为了实现对多结层叠太阳能电池的优化设计，需要结合实际情况对其建立完善的理论模型，利用该模型对其性能进行分析，进而寻求优化的途径。多结层叠太阳能电池的性能与直射太阳光谱、聚光倍数、聚焦光斑均匀性、电池材料、结构及环境影响等诸多因素相关，因此需要结合具体的聚光太阳能光伏发电***方案、综合多方面因素并针对实际应用条件对多结电池中的相关特性进行理论分析，寻求改进方案，从而提高聚光太阳能光伏发电***的效率及可靠性。
发明名称
本发明的目的就在于提供一种针对多结层叠太阳能电池及聚光太阳能光伏发电***理论分析方法，综合考虑多方面实际因素对其各方面性能进行全面分析，最终为电池及***的优化设计方案提供理论依据。
本发明所采取的技术方案是：一种聚光太阳能光伏发电***的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对聚光光学处理***建立模型，将全球直射参考光谱数据导入模型中的太阳光源，合理设置太阳光源的光线数量，通过光线追迹得到聚光太阳能光伏发电***中的多结电池接收表面的光谱数据及光强分布；
步骤2：针对聚光太阳能光伏发电***中所用的单个多结电池建立等效电路模型，该等效电路模型以聚光倍数C和电池工作温度T作为其输入变量，利用实际测量的单个多结电池I-V曲线对其等效电路模型中的未知参数进行拟合，提取有效参数值，这些参数值对于较宽范围内的C和T均适用；
步骤3：利用实际测量的特定温度下多结电池各结子电池的外量子效率数据和步骤1中得到的多结电池接收表面的辐照光谱数据计算多结电池各结的短路电流Isci，其中，SC是短路的缩写，i为多结电池PN结序号，i＝1,2，...,n,并将其作为输入数据代入步骤2得到的等效电路模型，算出单个多结电池的开路电压和最大输出功率，进而根据聚光太阳能光伏发电***中的各个多结电池的串联及并联连接情况计算聚光太阳能光伏发电***中的开路电压和最大输出功率Pomax；
步骤4：利用全球直射光谱数据计算聚光太阳能光伏发电***中的输入光功率Pin，并计算得到聚光太阳能光伏发电***的***效率和***发电量∫Pin(t)dt。
作为优选，步骤1中所述的对聚光光学处理***建立模型，是利用ZEMAX光学软件对聚光光学处理***建立模型。
作为优选，步骤1中所述的将全球直射光谱数据导入模型中的太阳光源，是将美国国家可再生能源实验室的官方网站颁布的AM1.5D ASTM G173-03全球直射参考光谱数据导入模型中的太阳光源。
作为优选，步骤1中所述的合理设置太阳光源的光线数量，合理设置的评价标准是既要确保得到的结果准确、又要确保每次追迹的时间最短，光线数量越多时结果越精确，光线数量越少时追迹时间越短，因此要寻找合适的光线数量。
作为优选，步骤2中所述的针对聚光太阳能光伏发电***中所用的单个多结电池建立等效电路模型，是利用PSPICE电路仿真软件针对聚光太阳能光伏发电***中所用的单个多结电池建立等效电路模型。
本发明可以对整个聚光太阳能光伏发电***进行建模和性能仿真，最终得到***的发电效率和发电量。另外，该方法可以为多结层叠太阳能电池及聚光太阳能发电***的前期设计提供理论依据。
根据本发明所述方法，可以得到多结电池表面的光谱特性和光强数据，这将有助于多结电池各结材料的选择及***结构的设计，优化各结子电池的光谱响应，在多结电池实现宽谱接收的同时，使得各结子电池的短路电流能够尽量匹配。
附图说明
图1：是本发明现有技术的多结层叠太阳能电池原理示意图；
图2：是本发明的建模流程图；
图3：是本发明实施例的基于三结层叠电池的聚光太阳能光伏发电单元模型；
图4：是本发明实施例的三结层叠电池的聚光太阳能光伏发电单元光线追迹效果图；
图5：本发明实施例的光学模型的输入光谱数据(AM1.5D ASTM G173-03)和通过该模型处理之后三结电池表面接收的辐照光谱数据；
图6：是本发明实施例的三结层叠太阳能电池等效电路模型示意图；
图7：是本发明实施例的GaInP/GaInAs/Ge三结层叠电池I-V曲线拟合结果；
图8：是本发明实施例的GaInP/GaInAs/Ge三结层叠电池各结子电池短路电流的计算结果；
图9-1：是本发明实施例的利用本发明的模型及相关参数计算得到的聚光太阳能光伏发电***开路电压随电池温度的变化曲线；
图9-2：是本发明实施例的利用本发明的模型及相关参数计算得到的聚光太阳能光伏发电***最大输出功率随电池温度的变化曲线；
图9-3：是本发明实施例的利用本发明的模型及相关参数计算得到的聚光太阳能光伏发电***效率随电池温度的变化曲线。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图2，本发明所采用的技术方案是：一种聚光太阳能光伏发电***的建模方法，包括以下步骤：
步骤1：利用ZEMAX光学软件对聚光光学处理***建立模型，将美国国家可再生能源实验室的官方网站颁布的AM1.5D ASTM G173-03全球直射光谱数据导入模型中的太阳光源，合理设置太阳光源的光线数量，通过光线追迹得到聚光太阳能光伏发电***中的多结电池接收表面的光谱数据及光强分布；其中合理设置的评价标准是既要确保得到的结果准确、又不能让每次追迹耗费的时间过长，光线数量越多时结果越准确，光线数量越少时追迹时间越短，因此要寻找合适的光线数量。
步骤2：利用PSPICE电路仿真软件针对聚光太阳能光伏发电***中所用的单个多结电池建立等效电路模型，该等效电路模型以聚光倍数C和电池工作温度T作为其输入变量，利用实际测量的单个多结电池I-V曲线对其等效电路模型中的未知参数进行拟合，提取有效参数值，这些参数值对于较宽范围内的C和T均适用；
步骤3：利用实际测量的特定温度下多结电池各结子电池的外量子效率数据和步骤1中得到的多结电池接收表面的辐照光谱数据计算多结电池各结的短路电流Isci其中，SC是短路(short circuit)的缩写，i为多结电池PN结序号，i＝1,2，...,n,并将其作为输入数据代入步骤2得到的等效电路模型，算出单个多结电池的开路电压和最大输出功率，进而根据聚光太阳能光伏发电***中的各个多结电池的串联及并联连接情况计算聚光太阳能光伏发电***中的开路电压和最大输出功率Pomax；
步骤4：利用全球直射光谱数据计算聚光太阳能光伏发电***中的输入光功率Pin，并计算得到聚光太阳能光伏发电***的***效率和***发电量∫Pin(t)dt。
请见图3，是本发明实施例的基于三结层叠电池的聚光太阳能光伏发电单元模型；垂直入射太阳光通过玻璃1和SOG菲涅尔透镜2进入聚光单元，经过菲涅尔透镜的光线直接会聚并在透镜焦点位置聚焦，而经过玻璃入射的光线通过抛物面反射镜3进一步反射到菲涅尔透镜的焦点处。所有会聚到透镜焦点处的光线经过二次光学单元4进行匀光处理，进而入射到三结电池组件5上的电池表面，同时带散热翅片的热沉6与三结电池组件的陶瓷覆铜基板紧密接触，通过热沉6控制电池的工作温度；其光线追迹效果请见图4，垂直入射光线通过菲涅尔透镜及抛物反射镜面进行有效地会聚，进而经过二次匀光单元处理入射到电池表面。
请见图5，是本发明实施例的光学模型的输入光谱数据(AM1.5D ASTM G173-03)和通过该模型处理之后三结电池表面接收的辐照光谱数据，聚光光学处理***对入射DNI辐照数据的影响，这种影响不仅体现在总体光强度上，还体现在光谱特性的改变。
请见图6，是本发明实施例的三结层叠太阳能电池等效电路模型示意图；本实施例用双二极管模型等效三结电池中的各结子电池，三结电池等效为三个子电池的串联连接。这里的Rs1-Rs3分别为三个子电池的串联电阻，用于表征各结子电池中的串联损耗。Rsh1-Rsh3分别为三个子电池的并联电阻，用于表征各结子电池中的反向漏电流。二极管D11—D31分别用来表征三个子电池内中性区的载流子复合机制，二极管D12—D32分别用来表征三个子电池内耗尽区和边界区的载流子复合机制。
请见图7，是本发明实施例的GaInP/GaInAs/Ge三结层叠电池I-V曲线拟合结果；利用实际测量的三结电池I-V数据(图中离散方块)对电路模型参数进行拟合，图中的实线为拟合的I-V曲线，拟合过程采用L-M优化算法；拟合曲线与测量数据吻合度相当高，可证明模型参数的有效性。
请见图8，是本发明实施例的GaInP/GaInAs/Ge三结层叠电池各结子电池短路电流的计算结果；本实施例给出特定条件(聚光倍数：500，电池温度：29℃)下计算出来的各结子电池的短路电流。利用图8中的计算结果及各结材料的温度系数可以得到其它温度条件下各结子电池的短路电流，并将其作为电路模型的输入变量。
请见图9-1，是本发明实施例利用本发明的模型及相关参数计算得到的聚光太阳能光伏发电***开路电压随电池温度的变化曲线；请见图9-2，是本发明实施例利用本发明的模型及相关参数计算得到的聚光太阳能光伏发电***最大输出功率随电池温度的变化曲线；请见图9-3，是本发明实施例利用本发明的模型及相关参数计算得到的聚光太阳能光伏发电***效率随电池温度的变化曲线。所述物理量随温度的变化曲线均在聚光倍数为500的条件下计算得到。***的开路电压、最大输出功率、***效率均具有负温度系数，即随着温度的升高，***性能会逐步劣化。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种聚光太阳能光伏发电***的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对聚光光学处理***建立模型，将全球直射参考光谱数据导入模型中的太阳光源，合理设置太阳光源的光线数量，通过光线追迹得到聚光太阳能光伏发电***中的多结电池接收表面的光谱数据及光强分布；
步骤2：针对聚光太阳能光伏发电***中所用的单个多结电池建立等效电路模型，该等效电路模型以聚光倍数C和电池工作温度T作为其输入变量，利用实际测量的单个多结电池I-V曲线对其等效电路模型中的未知参数进行拟合，提取有效参数值，这些参数值对于较宽范围内的C和T均适用；
步骤3：利用实际测量的特定温度下多结电池各结子电池的外量子效率数据和步骤1中得到的多结电池接收表面的辐照光谱数据计算多结电池各结的短路电流Isci其中，SC是短路的缩写，i为多结电池PN结序号，i＝1,2，...,n,并将其作为输入数据代入步骤2得到的等效电路模型，算出单个多结电池的开路电压和最大输出功率，进而根据聚光太阳能光伏发电***中的各个多结电池的串联及并联连接情况计算聚光太阳能光伏发电***中的开路电压和最大输出功率Pomax；
步骤4：利用全球直射光谱数据计算聚光太阳能光伏发电***中的输入光功率Pin，并计算得到聚光太阳能光伏发电***的***效率和***发电量∫Pin(t)dt。
2.根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏发电***的建模方法，其特征在于：步骤1中所述的对聚光光学处理***建立模型，是利用ZEMAX光学软件对聚光光学处理***建立模型。
3.根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏发电***的建模方法，其特征在于：步骤1中所述的将全球直射光谱数据导入模型中的太阳光源，是将美国国家可再生能源实验室的官方网站颁布的AM1.5D ASTM G173-03全球直射参考光谱数据导入模型中的太阳光源。
4.根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏发电***的建模方法，其特征在于：步骤1中所述的合理设置太阳光源的光线数量，合理设置的评价标准是既要确保得到的结果准确、又要确保每次追迹的时间最短，光线数量越多时结果越精准，光线数量越少时追迹时间越短，因此要寻找合适的光线数量。
5.根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏发电***的建模方法，其特征在于：步骤2中所述的针对聚光太阳能光伏发电***中所用的单个多结电池建立等效电路模型，是利用PSPICE电路仿真软件针对聚光太阳能光伏发电***中所用的单个多结电池建立等效电路模型。
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