【《柔性光伏电池模型的研究》3500字】

柔性光伏电池模型的研究目录TOC\o"1-3"\h\u13067柔性光伏电池模型的研究 112831.1光伏电池单二极管模型建立 3257981.2柔性光伏电池模型的建立 5109101.3柔性光伏电池的研究工作 10141431.3.1弯曲对柔性光伏电池的影响 10219081.3.2实验验证弯曲的影响 121.1光伏电池单二极管模型建立光伏电池的实质是一个P-N结，当电池表面接收到太阳辐射后，在具有大量能量的光子的作用下，共价化学键中的电子被激发在P-N结中产生电子空穴对。P-N结内电场会驱使空穴向P区移动，自由电子向N区移动。其建立起的电场，与P-N结电场相反。当它积累的电势足够强大时，会抵消P-N结内部电势场降低其作用，剩余的光生电场部分使P区显正极性，N区显负极性。从而实现太阳的光能到电能的转换。光伏电池的单二极管模型是最简单同时也是最广泛使用的太阳能电池的等效模型，它准确地模拟了晶体光伏电池的特性。其原理图如图2-1所示该等效电路由光电流源Iph、饱和电流Io、二极管、等效串联电阻Rs和并联电阻Rsh组成。图2-1光伏电池单二极管模型的等效电路图根据基尔霍夫定律和肖克利二极管的特性，光伏电池的输出电流和电压之间的关系由公式（2-1）给出，其中Is代表饱和电流，n代表二极管的质量系数，Rs代表串联电阻系数，Rs代表串联电阻，Rsh代表并联电阻，而T为光伏电池的绝对温度，25℃为298K，Vth代表结点热电压，q为电子电荷，大小为1.6×10-19C，k为玻耳兹曼常量，k=1.38×10-23J/K。热电压Vth与温度有关，由公式（2-2）给出，公式（2-1）是一个非线性超越方程，这表明光伏电池的I-V输出特性是非线性的。（2-1）（2-2）而对于光伏阵列，其通常由一些太阳能电池串联和并联组成，这是因为单个光伏电池的所输出的电流电压太小难以在工程上使用，将光伏电池串联可以增大输出电压，并联可以增大输出电流。假设光伏模块中的所有太阳能电池都是均匀的，那么终端电压VL和电流光伏模块是同质的，光伏模块的终端电压VL和电流IL将很好地分布在每个太阳能电池上。因此，太阳能电池模型可以直接应用于光伏组件，如公式（2-3）所示，其中Ns代表一个太阳能电池中串联的太阳能电池的数量，而Np代表代表一个太阳能电池阵列中并联的太阳能电池串的数量。通过重新建立光伏阵列的等效模型可以得出公式（2-3）和（2-4）。这与公式（2-1）完全相同。因此，可以太阳能电池和光伏阵列的模型是统一的。（2-3）（2-4）图2-2光伏阵列单二极管模型的等效电路图1.2柔性光伏电池模型的建立光伏电池的I-V曲线通常使用上述的单二极管等效电路进行建模。单二极管电路可以准确模拟晶体光伏电池的特性，但是它未能捕获本工作中靶向的非晶体光伏电池的行为。因为在非晶光伏电池中，内在层中的重组损耗影响输出电流。因此，我们使用具有额外电流源Irec的等效电路，如图2-3所示。因此，该电路的输出电流IPV可以表示如下:（2-5）其中dI，μτeff，Vbi，Vd，Vt和A分别为本征层的厚度、载流子的有效扩散长度、内置电压、二极管电压、热电压和二极管理想因子。图2-3柔性光伏电池的等效电路模型[21]在不同弯曲条件下，Iph，Rsh和Io依赖于光辐照度λ。更具体地说，Rsh随着λ的减少而增加，而Io随着λ的增加而增加。我们将Iph、Rsh和Io作为λ的函数建模如下：（2-6）其中aIph，bIph，aIo，bIo，cIo，aRSH和bRSH是未知的建模参数。由于这是常见的做法，我们使用在广泛的辐射强度范围内测量的I-V数据，通过最小二乘最小化来找到这些系数。因为受到不同光照强度的柔性光伏电池等效电路的参数是不同的，暴露在不均匀辐射下的柔性光伏电池不能被建模为单个二极管等效电路。所以可以将该模型改图2-4柔性光伏电池的等效电路模型[21]进为一个由多个串联连接的单个二极管等效电路组成的电路，如图8[31]所示。在这种情况下，通过第i个光伏电池IPVi的电流可以表示为：（2-7）公式（2-7）中VPVi是光伏电池的电压。模型参数(aIph，bIph，aIo，bIo，cIo，aRSH和bRSH)是在光伏电池的建模过程中发现的。此外，λi是第i个光伏电池所受到的光辐照度。由此我们可以计算每个字符串中单元格的IPVi，Ioi和Rshi。它仍然使用图2-4中描述的等效电路来计算IPV和VPV。弯曲的柔性光伏电池会显著降低输出功率，可以使用旁路二极管来缓解这个缺点。一个旁路二极管与一个pv电池平行放置，如图8所示。旁路二极管的存在决定了计算IPV和VPV的方程。如果没有旁路二极管，IPVi等于IPV，因为PV电池是串联连接的。因此，通过以下方程计算IPV和VPV：（2-8）如果有旁路二极管，电流ith旁路二极管用IDi表示。然后，则方程如下：（2-9）因此，当引入旁路二极管时可以通过求解方程（2-9）来计算柔性光伏电池的输出电流和输出电压。1.3柔性光伏电池的研究工作1.3.1弯曲对柔性光伏电池的影响由于柔性光伏电池可以弯曲是其与普通太阳能板的主要区别，因此针对柔性光伏电池的弯曲特性进行了一定实验进行研究。光伏电池根据光源的辐射强度产生能量，理论上弯曲光伏电池的辐射强度分布不均匀是柔性光伏电池的固有特性，也是造成柔性光伏电池弯曲时与正常工作时的输出特性会产生一定区别的原因。因此要研究弯曲对柔性光伏电池的影响首先要从弯曲时所受到的辐射模型开始。对于柔性光伏电池的几何形状，当它是平的或随着曲率半径R弯曲时，第一个值得注意的参数是光伏电池表面和来自光源的光线之间的入射角，为清晰的定义该角度，我们将这个角度分为两个部分：仰角α和倾角β（其中0≤α，β≤π）。第一个角度α表示光源从地面的角度，而第二个参数β表示光伏电池从地面的倾斜角度。我们设定当平坦的光伏电池与地面平行时倾角β=0°。当光线与光伏电池表面正交时，光伏电池接收到的辐射量等于辐射强度G。但是，如果光源具有仰角α或光伏电池具有倾角β，则PV电池表面的辐射可以表示为：（2-10）其中，L和W分别表示光伏g池的长度和宽度。为简单起见，我们只考虑α和β，其中0≤α，β≤π/2，因为区间[π/2，π]中的sin函数与[0，π/2]中的sin函数是对称的。由于辐射强度、仰角和倾斜角在非柔性的光伏电池上是恒定的，辐射量可以由公式2-11求得：（2-11）与非柔性的光伏电池不同，柔性光伏电池的每个无穷小点上的辐射是不均匀的。接下来，因此要逐步分析了有效辐射随弯曲变化的变化。当光伏电池以曲率半径为R弯曲时，可以看作是一个弧。这个弧的中心角度是l/r。圆弧的无穷小截面的长度dl可以表示为Rdθ，其中dθ是相应的无穷小角。按照惯例，我们测量θ从中心开始，延伸到弧的两边，即+θ和−θ。因此，θ的极限可以找到如下：（2-12）变换方程(1)的最后一步是求出入射光与弯曲的光伏电池表面之间的夹角，作为θ的函数。请注意，θ=0°时的无穷小截面与平面位置一致。考虑任意θ>0°我们很容易得出∠b=π/2-θ，∠c=θ。当柔性光伏电池和光源之间的距离增加时，仰角α成为一个独立的参数。因此，弯曲的光伏电池在一个特定的无穷小点处的入射角等于α+θ。因此，弯曲的柔性光伏电池接收到的总辐射可以如下公式2-13所示:（2-12）1.3.2实验验证弯曲的影响为了研究不同的弯曲情况具体对柔性光伏电池的输出所造成的影响，进行了以下三组对比实验，分别测量当α=0°，α=30°，α=60°（β=0°）时的电流电压数据，进行分析比较。当α=0°时，实际测量过程中光辐照度为1180W/m2，柔性光伏电池板表面温度为49.2℃时所测得的P-V曲线与I-V曲线分别如图2-5和图2-6所示。图2-5光辐照度1180W/m2，温度49.2℃时的柔性光伏电池的P-V曲线图2-6α=0°，光辐照度1180W/m2，温度49.2℃时的柔性光伏电池的I-V曲线通过以上特性曲线，可以计算出当柔性光伏电池无弯曲时，最大功率点电压为1.25V，最大功率点功率为0.71W，开路电压为1.01V，短路电流为0.74A。当α=30°时，实际测量过程中光辐照度为1180W/m2，柔性光伏电池板表面温度为49.2℃时所测得的P-V曲线与I-V曲线分别如图2-7和图2-8所示。图2-7α=30°，光辐照度1180W/m2，温度49.2℃时的柔性光伏电池的P-V曲线图2-8α=30°，光辐照度1180W/m2，温度49.2℃时的柔性光伏电池的I-V曲线通过以上特性曲线，可以计算出当柔性光伏电池弯曲角度α=30°时，最大功率点电压为1.25V，最大功率点功率为0.68W，开路电压为1.97V，短路电流为0.71A。当α=60°时，实际测量过程中光辐照度为1180W/m2，柔性光伏电池板表面温度为49.2℃时所测得的P-V曲线与I-V曲线分别如图2-8和图2-9所示。图2-9α=60°，光辐照度1180W/m2，温度49.2℃时的柔性光伏电池的P-V曲线图2-10α=60°，光辐照度1180W/m2，温度49.2℃时的柔性光伏电池的I-V曲线通过以上特性曲线，可以计算出当柔性光伏电池弯曲角度α=30°时，最大功率点电压为1.25V，最大功率点功率为0.59W，开路电压为1.95V，短路电流为0.61A。弯曲程度α（°）开路电压（V）短路电流(A)最大功率点电压(V)最大功率点电流(A)最大功率点功率(W)0°1.010.74