[发明专利]一种太阳能电池最大功率点跟踪方法

摘要

一种太阳能电池最大功率点跟踪方法，通过将太阳能电池输出特性功率/电压曲线1最大功率点处附近部分曲线近似成抛物线2，利用该部分曲线上三组功率/电压数据3、4和5求解抛物线方程，抛物线方程的极值点6即为太阳能电池输出的最大功率点7。

主权项

1.一种太阳能电池最大功率点跟踪方法，其特征是太阳能电池输出功率/电压曲线(1)在最大功率点处附近为左右对称的单峰曲线，可近似为以最大功率点为顶点，最大功率点处电压为对称轴的抛物线曲线，通过检测该部分曲线上三组功率/电压数据检测点(U_m1，P_m1)(3)、检测点(U_m2，P_m2)(4)和检测点(U_m3，P_m3)(5)，求解抛物线方程，抛物线方程的极值点(6)即为太阳能电池的最大功率点(7)，在具体操作时，包括以下几个步骤：步骤一，三组功率/电压数据检测点的确定方法在光照状态下，太阳能电池的输出特性可近似为二极管特性，电流随电压指数变化，如果将太阳能电池视为恒流源，将半导体材料体电阻、电极与半导体材料接触电阻、电极导体电阻和金属导体电阻视为串联电阻，将电池边缘漏电流和电池金属桥漏电流等效为并联电阻，可获得太阳能电池等效电路如图2所示，其输出特性的电流与电压间关系如式(1)：I=Iph-Io[eq(U+IRs)AKT-1]-(U+IRs)Rp---(1)]]>其中，I输出电流(A)，U输出电压(V)，I_ph光生电流(A)，R_s串联电阻(Ω)，R_p并联电阻(Ω)，A二极管理想常数，I_o二极管反向饱和漏电流(A)，q电荷量1.6×10^-19C，K玻尔兹曼常数1.38×10^-23J/K；T环境温度(℃)；短路条件下，U＝0，I＝I_sc，由于输出电压未能达到二极管导通电压，二极管上流经电流极小I_o≈0，则有I_sc＝I_ph-I_scR_s/R_p(2)开路条件下，U＝U_oc，I＝0，则有Io=(Iph-Uoc/Rp)/(eqUocAKT-1)---(3)]]>根据短路和开路条件可以解出I_ph和I_o下式(4)-(5)：I_ph＝I_sc(1+R_s/R_P)   (4)Io=(Isc-Uoc-IscRsRp)e-qUocAKT---(5)]]>整理式(1)-(5)，将方程两边同时乘以输出电压，可得太阳能电池功率/电压方程如式(6)：P=Isc(Rs+Rp)U-U2-PRsRp+UocU-Isc(Rs+Rp)URpeq(U2+PRs-UocU)AKTU---(6)]]>方程式(6)为功率对应电压的隐式方程，利用Lambert函数将式(6)转化为功率对应电压的显示方程得式(7)：P=[UIsc(Rs+Rp)-U2]Rs+Rp-AKTUqRsW(Y)---(7)]]>其中，Y=qRs[Isc(Rs+Rp)-Uoc]AKT(Rs+Rp)exp{q(Rs+Rp)(U-Uoc)-qRs[U-Isc(Rs+Rp)]AKT(Rs+Rp)}]]>在最大功率点处有从而解得最大功率点电压如式(8)；Um=[qRsIsc-AKT](Rs+Rp)[1+W(Ym)]2qRs[1+W(Ym)]+qRpW(Ym)---(8)]]>由于开路电压U_oc与短路电流I_sc可以检测获得，因此式(7)仅含有参数A、R_s和R_p。对于不同的太阳能电池，有参数A∈[1，2]，R_s∈[0，∞]，R_P∈[∞，0]，利用参数A、R_s和R_P对太阳能电池功率/电压曲线的单调影响规律，可以获得参数A＝1，R_s＝0，R_p＝∞的太阳能电池功率/电压上边界曲线(8)和A＝2，R_s＝∞，R_p＝0的太阳能电池功率/电压下边界曲线(9)，将上、下边界曲线参数分别代入式(7)-(8)可得太阳能电池功率/电压上边界曲线(8)和太阳能电池功率/电压下边界曲线(9)上最大功率点对应电压U_Q和U_O^*以及最大功率点P和P^*，其他任意参数的太阳能电池电压/功率曲线(10)上最大功率点必在P和P^*之间，最大功率点处对应电压在U_Q和U_O^*之间；为保证检测点接近最大功率点，根据基准电压U_Q，可给出步长定义算法如下：由三角形相似定理有UQ-UO=P-PQP-P*(UQ-UO*),]]>故取点电压步长定义为：Ustep=UQ-[n-mn(UQ-UO)]---(9)]]>m＝0，±1，±2，±3式中n为区间划分数，可根据经验确定；m为拟采集功率点数，由于各类功率/电压曲线的最大功率点有可能在两侧，如图3所示。因此设定当m为零时，取点在线段上，当m为正值时，取点在线段右侧，反之在线段左侧；步骤二，利用三组功率/电压数据检测点(U_m1，P_m1)(3)、检测点(U_m2，P_m2)(4)和检测点(U_m3，P_m3)(5)，求解抛物线方程P＝aU²+bU+c，并抛物线方程的极值点(6)，所求结果即为太阳能电池最大功率点(7)；步骤三，当光照强度或者环境温度发生变化，只需重复上述过程即可。