太阳电池应用理论研究

发布时间：2018-03-13 17:23

本文选题：太阳电池　切入点：非线性电路　出处：《中国科学技术大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：电路分为线性电路和非线性电路,太阳电池等效电路是典型的非线性电路。单二极管五参数模型的太阳电池等效电路适用于晶体硅(单晶,多晶,非晶)太阳电池,Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池以及有机太阳电池。太阳电池电路分析中,基尔霍夫电流定律建立了太阳电池电流方程,基尔霍夫电压定律建立了太阳电池电压方程。线性电路分析中,最大功率传输定理表述为,当负载阻值等于网络的戴维南等效电阻或诺顿等效电阻时,负载上输出最大功率。本文绪论中构造了包含电压控制电流源的电路,推导出用级数形式表述的适用的最大功率传输定理,该定理即适用于线性电路也适用于非线性电路。最大功率传输定理,应用在求解太阳电池最大功率点的负载阻值的案例中,得到了验证。太阳电池电流方程建立了流过负载的电流和负载两端电压的关系,在单原点坐标系中绘制I-V特性曲线,无法描述等效电路中的各电流项和电压项,所以本文第二章设计了研究太阳电池适配的双原点坐标系。在双原点坐标系中,反映了电流定律和电压定律,实现了物理模型、数学公式与函数图像的一一对应。双原点坐标系有两点揭示：物理上光生功率等于二极管内耗功率、串并联内阻内耗功率和负载输出功率之和,函数图像中光生功率面积等于总内耗功率和输出功率面积之和：随光照的变化,内耗占比和输出占比随之变化,高倍聚光时,二极管内耗急剧增加,电池的输出占比要远小于电池自身的内耗占比,所以太阳电池并不适用于高倍聚光。太阳电池应用理论研究中,还需要考虑I-V特性下的功率,就包含以下四个层面：太阳电池I-V特性曲线能否实现从非线性到线性的转化?电池功率在负载和串并联内阻上是如何分配的?最大功率工作点如何求解及如何跟踪?为了获得大的电压或电流需要构成串并联阵列,要采用何种数学方法研究串并联阵列? I-V特性曲线始终表现为严格单减的呈凸的曲线,当增大光生电流或串联内阻时,I-V特性曲线呈现由“曲”趋“直”现象,太阳电池就从非线性转化为线性。本文第三章提出了一个基于二极管电压和开路电压比值的无量纲的曲直准则数,当准则数的取值范围减小时,就会出现I-V特性曲线由“曲”趋“直”现象,该现象存在的必要条件是存在串联内阻,并且通过外加串联内阻的实验中观察到了该现象。当I-V特性曲线趋“直”时,太阳电池填充因子趋于最小值0.25。要在负载上得到最大功率,并且减小串并联内阻上的内耗功率,必须分析电阻元件上各部分的功率分配。第四章据此开展了关于输出功率(得)和内耗功率(失)的“得失功率”研究。结果表明,只有当串并联内阻的比值小于“1/8”时,才存在得失功率区间；当最大功率点负载阻值RmL=Rs√1+Rsh/Rs时,既能保证负载的最大功率,又能保证负载输出功率与串并联内阻上的内耗功率比值的最佳功率分配比(√1+Rsh/Rs-1)/2。研究太阳电池的最大功率有两个层面：求解最大功率工作点,即给定五参数的数值求解最大功率点的负载、电压和电流；最大功率跟踪,即确定最大功率方程,做出光照变化时的最大功率曲线。第五章给出了求解最大功率点负载阻值的迭代关系式,计算模拟表明串联内阻越小、并联内阻越大、二极管反向饱和电流越小和二极管理想因子越大,电池的输出功率越大。理论研究指出,随着光照强度的增大,实际太阳电池最大功率点下的负载、电流和输出功率均随之增大,而电压在通常情况下则呈现先增大后减小再增大的现象。太阳电池研究中,最大功率方程与电流方程同等重要,是最大功率跟踪的数学基础。最大功率曲线通常情况下存在两个电压极值点,这两个点是恒压跟踪点。本文的第六章和第七章中,讨论了太阳电池的最大功率跟踪,在极低光照和极高光照时建议采用恒阻跟踪,中等光照情况下,建议采用线性跟踪,这需要斜率跟踪器技术,斜率范围为(-Rs,0)。在最大功率曲线的两个电压极值点附近,建议采用恒压跟踪,理论研究指出最小的恒定跟踪电压为4nVth(1+Rs/Rsh)。计算模拟指出,对于硅基太阳电池,从非聚光到聚光倍数达到十几或二十几个太阳时,就能观察到最大功率点负载电压先增加后减小的现象。为了在负载上获得大的电压和电流,需要将单体电池进行串并联以形成光伏阵列。Lambert W函数不仅能够给出电压关于电流和电流关于电压的显示解,并且得到了串联阵列和负载构成电路的电压方程以及并联阵列和负载构成电路的电流方程,本文第八章给出了详细的说明。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4

【参考文献】