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基于三联结太阳能电池模型的Matlab PV太阳能集中器性能预测
摘要
本文介绍了通过使用Matlab开发的广义三结太阳能电池模型，其目的是为了预测一个Photo Voltaic Thermal（PVT）太阳能集中器的表现。三联太阳能电池模型代表每个在整个三结太阳能电池中单一的连接点。该模型不仅要考虑与环境条件相关的参数在内，也要考虑浓度因子。所提出的模型允许一个接一个地考虑所有的单个连接点，因此，它不仅适用于特定的三联太阳能电池的建模，而且也适用于建模双结太阳能电池和由不同的材料制成的三联太阳能电池。此外，该模型允许在不同的环境条件下进行彻底的分析。所提出的模型不仅适用性强而且可以估计运行过程中的系统损耗和太阳能电池的退化，也可以评估太阳能电池连接到MPPT（最大功率点跟踪）电子转换器时的总体性能。本文通过实验验证了理论分析。
目 录
1.引言
如今，与能源生产相关的方面变得非常重要，在不同的技术中，光伏电池是其中最广泛的代表之一[1-3]。近年来，开发不使用硅材料的太阳能电池 [4]，以提高转换效率和实现多结太阳能电池的高效率是光伏（PV）研究的高度重视的一个主题[5]。目前的进展是已经通过组合不同材料的几个连接点来实现多连接点的堆叠太阳能电池，使太阳能可以将较大频谱的辐射转化为电能。光伏（PV）多结太阳能电池转换效果最好[6-9]。三联（3J）太阳能电池的转换效率提高是通过使用带有不同能量带隙的太阳能电池结。目前，科技使得这些电池比标准结晶电池昂贵，因此，三联电池用于太阳能集中器。
许多型号的单结或双结太阳能细胞已经开发[10,11]，但它们不合适用于集中太阳能应用。 [12]中提出的模型是针对低浓度因子开发的（从1到14个太阳）。 [13]中提出的模型忽略不计由于电阻的存在，I-V曲线的变化损耗如分流和串联电阻。在[14]中已经提出了单和双二极管结模型，使用Simulink作为图形界面。不幸的是[10,14]中提出的模型不适合浓缩应用[15]，因为三联太阳能细胞在当时尚未发育良好论文发表。此外，在这些模型中，环境参数如浓度因子不能设置，只有电流电压特性在统一浓度范围内运行是可能的。在本文中，一个能够预测电气的模型不同浓度因子值的性能是呈现。使用Simulink实现的建议模型能够表征三联结的行为太阳能电池不仅在标准试验条件下运行（STC），也是不同的环境条件实际发生在太阳能组件的日常运行中并且也在不同的浓度因子值下。至实现这一点，行为的数学描述所有的I-V区域都包括了故障区域[14,16]在模型中得到实施。提出的模型已经考虑到了三联太阳能电池集总模型。众所周知集中参数模型呈现出合理的准确性在有限的浓度范围内[17]。这个限制有克服了考虑到的经营范围本文中使用的PV / T集中器正是与模型范围相同，具有合理的准确性。此外，集中模型描述可以简单被利用于监测系统中的实施。的广义模型可用于调查行为的一个或多个结，而不增加电路复杂。已经特别注意了考虑到已经是的寄生串联电阻分布式[18]和用于建模太阳能电池的集总元件[19,20]的开放问题。出于这样的原因，太阳能电池的串联电阻的估计是其中之一本文的目标。最后，提出的模型已被有益地利用以预测PV / T太阳能的电气性能集中器接收器在欧洲开发社区授予项目“城市光伏：太阳能聚合”（UPPSol）。实验数据考虑到[21-23]中提出的三联太阳能电池的性能和退化分析，估计模型精度也是有用的。
2.单结太阳能电池等效电路
2.1 单结太阳能电池与单二极管等效电路
由p-n构成的理想的单结太阳能电池硅掺杂结可以由电表示电路由并联的电流源组成二极管[24,25]。 在这里，目前来源主要是取决于太阳辐射强度，并行二极管模拟接头。 内部和焦耳的损失是考虑到如图2所示的等效电路中是否包含两个电阻。 并联电阻Rsh考虑到内部功率损耗和串联电阻Rs允许电池电压根据输出而下降。
图1 单结二极管等效太阳能电池模型
开路电压可以通过公式：
其中k是玻尔兹曼常数等于1.38* 10-23J / K，q为电子电荷1.6*10-19 C，ISC为短路电流（计算值）通过太阳能电池终端的短路），TC是以K和IS表示的工作温度为结饱和电流。接头光电流依赖于太阳辐射，并表示为:
其中Gm是以W / m2表示的太阳辐射，Gref是太阳辐射参考以W / m2表示，KI为电流变化取决于表达的温度在A / K中，TCref是表示的参考温度考虑到光生电流（Iph）是大于饱和电流（Is），等式 （1）可以写如：
根据[26]，带隙随温度的变化可以用普遍表示功能:
其中alpha;和beta;是恒定的，并且取决于如表1所示的半导体类型。Varshni系数随温度的变化对于一些被考虑的材料已经进行了调查[27,28]。将输出电流（I）描述为一个的方程式输出电压的功能允许图形表示电流 - 电压曲线（也称为I-V特性）。
表1 Varshni系数
I-V曲线特别有助于确定太阳能电池的行为，以及最大功率点跟踪（MPPT）技术的实施。 电流电压的数学描述单结一二极管等效特性模型由：
短路电流ISC可以认为是等于光生电流。 指数n是二极管理想因素。 当前的IS1称为二极管饱和暗电流取决于反向饱和电流。 在黑暗区域，太阳能电池电流I等于零。 假设光生电流相等到短路电流，从（5），反向饱和电流派生为：
通过使用反向饱和电流的表达式计算两个二极管。 饱和电流为获得为：
2.2 单结太阳能电池
双二极管等效电路以前的型号可以通过介绍修改的新型二极管与现有的单极二极管并联二极管等效模型[29,30]。 二极管的理想因素是设置如下：二极管1（n）的理想因子等于1，二极管2（m）的理想因子等于2。图2显示了太阳能电池等效模型双二极管配置。理想（或发射）系数的引入二极管二可以更准确地描述太阳能电池通过添加能够考虑到的元素的行为太阳能电池的结损耗。 考虑电路图2，修改为：
饱和电流在黑暗区域的表达，考虑双二极管配置计算为：
以同样的方式，光生电流可以是被认为等于短路电流。 （6）中给出的反向饱和电流用于导出饱和两个二极管的电流：
3.三联结太阳能电池等效电路
n多结太阳能电池模型的组合是通常获得连接n双二极管太阳能电池等效模型。在三联双重的情况下二极管太阳能电池模型，获得等效电路通过组合3个双二极管太阳能电池等效模型，其中每个具有不同的能带隙。
图3示出了构成一个三结太阳能的三个单结太阳能电池的等效电路单元。
图3 三重双二极管等效太阳能电池模型
三结太阳能电池方程的解决方案可以是通过分别考虑每个结点以及考虑到每个单一模型的工作原理是相应的能带差值。不同的能量每个单结的带隙表征用于考虑的结的材料的行为。的完整的三结太阳能电池的电压输出通过在任何给定电流下加入每个结的单电压来导出模型。重复该过程考虑I-V曲线的所有电流电压值。这些值来自于下面的输出电流假设该值在短路之间变化电流为零。在Matlab中实现的模型考虑到单分流和串联开发每个单连接和忽略隧道的电阻在三结太阳能电池中引入电阻。
输出电流的数学描述已经持续研究了从太阳能电池产生的二十年[31-34]。暗电流被定义为电流流动通过太阳能电池没有光。如图所示[35]，完成了太阳能电池的暗I-V测量通过覆盖太阳能电池以消除光生电流，并通过注入电流使用具有相同极性的电源太阳能电池在太阳辐射下输出。这个测量是简单地用提出的将太阳辐射大小设置为零。考虑电源进行仿真极性等于正向偏置条件。参数等因为饱和电流取决于太阳能电池的内部参数。
在单结型号中，分流电阻RSH考虑到通过电池的泄漏电流，围绕设备的边缘和触点之间不同的极性。另一个电阻是串联电阻RS，与分流电阻不同，减小了短路电流对电压没有影响。的串联电阻考虑到太阳能的功率损耗电池触点和中性区域。调查寄生虫串联电阻行为已经在[20]中提出，其中表达的效率集中相关得到寄生串联电阻
其中eta;（X）Rs是通过存在电阻RS而减小的浓度因子X下的电池的效率，g（1）是1太阳浓度因子X的理想效率是浓度系数，RS是串联电阻，P是入射功率，q是电子电荷等于1.6* 10-19 C，k是玻尔兹曼常数等于1.38* 10-23 J / K，TC表示工作温度在K中，n是二极管1的理想因子，等于1，VOC为开路电池电压，ISC是短路电池电流，可以认为等于串联电阻值较低时的光生电流;对于增加浓度因子值，系列阻力增加到几十毫欧。
根据[36]，不同浓度因子值下的效率表达式可以重写为
其中FF X和FF1是任何X浓缩因子和统一浓度因子的填充因子分别。
如[18]所分析，寄生串联电阻值也取决于太阳辐射。 事实上，黑暗和照明区域的串联电阻是不同的。 根据浓度因子X，填充因子FF，短路电流ISC和开路电压VOC的串联电阻的表达式是：
图4示出了填充因子是浓度因子X的函数。对于不是低浓度因子值（低于1000），曲线可以被认为是几乎恒定的。 然后，由于串联电阻效应的增加，FF值在较高的浓度因子值下降。
图4 填充因子作为浓度因子的函数
在太阳光集中下的操作涉及许多参数，如短路电流，开路电压，以及由损耗电阻建模的损耗效应。 因此，必须考虑到浓度因子X来计算电池电流。光生电流，因此短路电流直接取决于浓度因子：
此外，开路电压取决于根据的浓度系数：
在模型中已经实现了（5）和（6）（对于每个结点计算），以获得在各种浓度因子X值下计算的校正I-V特性。 （16）对于双模型是不同的：集中因子X的开路电压等于：
其中IS1是二极管1的单元饱和暗电流，IS2是二极管2的单元饱和暗电流，n是二极管1的理想因子等于1，m是二极管2的理想因子等于2。
4.使用Simulink模拟三联结太阳能电池
在Simulink中已经实现了三连二双极二极管模型，以获得不同的环境条件（如太阳辐射和环境温度）和不同太阳能集中因子X下的I-V曲线图。所有方程如肖克利的二极管方程已经被认为是满足三结太阳能电池的行为。Simulink三联结太阳能电池模型如图5所示。
这三个子电路用三个接受环境条件参数的块来描述，它们是太阳辐射（IRR），环境温度（T）。另外两个输入是浓度因子（CF）和在0-4V范围内变化的电压（VAR）。如第3节所述，每个子单元块还按照单元面积和不同结点的能带隙再现相对单结的行为，并且考虑到子单元间的互连构建整体单元模型，电路如下。考虑到给定电流下的每个单结电压的和，获得三结太阳能电池的输出电压（图5中的“电压”）。为了获得整体I-V特性，考虑到从零开始的电流（即，在电池端子之间的“开路”）到其短路值（该最大电流值取决于CF，IRR和接合材料）。由于三个单结电池串联连接，提供最小电流的结确定了整个电池的输出电流。这已经被建模，包括图1所示的块“min”。其确定3-J单元的整体Simulink模型的实际输出“电流”。
已提出并提出了InGaP-InGaAs-Ge三联电池的模型，但它是有效的，可以容易地扩展到其他材料的3-J电池。
图5 三联太阳能电池Simulink模型（a）输入部分和（b）输出部分
图6 在150x下的I-V和P-V曲线的实验和模拟数据的比较
图7 在500x下的I-V和P-V曲线的实验和模拟数据的比较 全文共9942字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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