光伏太陽能電池的電流-電壓特性曲線研究

顧錦華,龍 浩，王皓寧,陳首部,鐘志有

(1.中南民族大學 實驗教學與實驗室管理中心, 湖北 武漢 430074;2.中南民族大學 電子信息工程學院,湖北 武漢 430074)

1 引言

MATLAB是美國MathWorks公司推出的,目前普遍使用的一款科學計算軟件，它不僅簡單易學、運算效率高，而且還具有極其強大的數值計算能力和可視化功能[1～9]，因此被廣泛應用于模擬計算、圖像處理、器件建模、數值仿真、數據分析等許多領域中[10～20]。作為一種可再生的健康環保型電源，光伏太陽能電池(PSC)深受世界各國政府的高度重視，為了提高PSC器件的光伏性能、進一步拓展光伏產品市場，人們對PSC進行了廣泛的研究[21～24]。由于PSC的電流-電壓(I-V)關系是分析光伏系統的重要技術數據，同時也是研究PSC性能指標及其模型參數的基礎，因此確定PSC的I-V特性曲線對于其性能研究具有非常重要的意義。本文利用MATLAB軟件對PSC實驗數據進行擬合，對比分析了不同方法對I-V特性曲線擬合效果的影響。

2 模型

PSC的等效電路如圖1所示，其中G和D分別表示電流源和二極管，R1、R2和R分別為串聯電阻、并聯電阻和負載電阻，根據基爾霍夫定理可得[23]：

(1)

式(1)中，由于R2?R，I2?I，如果不計D的反向漏電流，并令Iph≈Isc，故I-V關系可化為：

(2)

從式(2)看出，電流I不能用電壓V顯式表達出來，同樣電壓V也不能用電流I顯式表達出來。

圖1 PSC等效電路示意

3 I-V特性分析

圖2(a)是某PSC在不同電壓V時電流I的測量數據，可以看出，該PSC的開路電壓約為0.6V，短路電流約為2.4A，由于I不能用V顯性表示、V也不能用I顯性表示出來，因此為了得到I隨V變化的函數關系，根據式(1)，可以采用指數函數對測量數據點進行擬合，其擬合結果如圖2(b)所示，這時PSC的I-V之間的函數表達式為：

I=2.4133-2.6426×10-3exp(10.9295V)

(3)

該擬合的絕對誤差[25]如圖2(b)所示，不同數據點處其誤差不盡相同，擬合的平均誤差為28.0 mA、最大誤差為51.8 mA，雖然擬合效果較好，但在部分點處的擬合結果仍然不太理想。

圖2 PSC的測量數據和擬合結果

為了提高PSC伏安曲線的擬合精度，下面利用多項式方法對測量數據點進行擬合，設所用多項式為：

I=a0+a1V+a2V2+a3V3+a4V4+a5V5+a6V6

(4)

擬合曲線如圖2(c)所示，這時多項式中的系數a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6分別為2.395、1.307、-37.631、330.723、- 1324.756、2455.318、-1716.619。圖2(c)給出了多項式擬合的絕對誤差ε結果，從圖中看出，不同數據點處誤差ε并不相同，除了0.5V

4 結語

本文在PSC等效電路模型的基礎上，根據基爾霍夫定理得到了PSC的I-V隱式函數關系。基于測試的PSC實驗數據，分別利用指數函數和多項式進行擬合得到了PSC的伏安特性曲線及其I-V函數關系的顯性表達式，并且通過對這兩種擬合方法進行誤差分析研究了不同擬合法對I-V曲線擬合結果的影響。結果顯示，多項式擬合方法的平均誤差和最大誤差分別為7.9 mA和18.5 mA，明顯小于指數函數法的擬合誤差，具有較高的擬合精度。