太阳能电池i-v方程显式近似解研究-毕业论文.doc
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1、 分类号: 密级: U D C : 编号: 专业硕士学位论文(工程硕士)太阳能电池I-V方程显式近似解研究硕士研究生指导教师学科、专业:光学工程论文主审人哈尔滨工程大学 Classified Index:U.D.C:A Dissertation for the Professional Degree of Master (Master of Engineering)Research on the Solar Cell Equation Explicit Approximate SolutionCandidate:Tang XiaopingSupervisor:Prof. Jiang Haili
2、Academic Degree Applied for:Master of EngineeringSpecialty:Optical EngineeringDate of Submission:May, 2013Date of Oral Examination:June, 2013University:Harbin Engineering University哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表
3、的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者(签字): 日期: 年 月 日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定,即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索,可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文,可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论
4、文待解密后适用本声明。本论文(在授予学位后即可 在授予学位12个月后 解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(签字): 导师(签字):日期: 年 月 日 年 月 日太阳能电池I-V方程显式近似解研究学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用
5、学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日摘要从人类第一次提出光生伏特效应开始,太阳能电池特性就作为太阳能电池理论研究的基础,现在我们普遍接受由固体理论推导出的太阳能电池方程。但是此方程是一个隐式超越方程,我们不能运用初等函数完成电流关于电压或者电压关于电流的表达,这就给我们以后的研究在计算和推导过程带来了麻烦。因此许多研究者就想出很
6、多处理办法,为了达到电流或电压的显式表达,但是这些数学处理后得出来的表达式,不是表达式本身复杂,就是表达式参数缺少明确的物理意义,或者计算精度不是很高。基于上述前人研究不够完善的地方,本文提出太阳能电池方程近似解理论,这样就很容易得出电流电压的显式表达,同时得出的表达式物理意义明确,表达式参数值与最初的太阳能电池方程参数值大小接近。然后对上述的近似解理论模型进行验证,对此模型参数进行求解。最后本文运用上述近似解理论模型,求解出最大功率电流或者电压的显式表达式。在太阳能电池最大功率输出的问题上,前人在最大功率跟踪算法上,已经提出了三种算法,但是都有一定的不足之处,在此基础上本文提出了另一种跟踪算
7、法:减半步长扰动法。关键词:太阳能电池方程;显式;近似解理论;减半步长扰动法第1章 太阳能电池I-V方程显式近似解研究ABSTRACTSince the photovoltaic effect was raised for the first time by humans, then the solar cell I-V characteristic was regard as the foundation of the solar cell theoretical research. And now, the solar cell I-V equation derived from the
8、solid state physics is generally accepted. But the equation is an implicit transcendental equation, we can not express the current versus voltage or the voltage versus current with the elementary functions, which leads to the further trouble for the future research in calculation and derivation. The
9、refore, many researchers come up with a lot of approach to obtain the explicit solution of the current or voltage. But we can see that these expression which is achieved after mathematical treatment is complex, moreover the expression lacks of clear physical meaning, and furthermore the calculation
10、precision is not very high. For the previous studies raised by the predecessors is not comprehensive enough, the solar cell equation approximate solution theory is presented in this paper, which is easy to draw the explicit expression of the current and voltage. Meanwhile the expression is of clear
11、physical meaning, and the expression parameter values are approximate to the initial parameter values of the solar cell I-V equation.Finally, in the paper, we use the theoretical model of the approximation solution mentioned above to come up with the explicit expression of the maximum power current
12、and voltage. For the maximum power output problem of the solar cell, the processors have presented three algorithms based on the maximum power tracking algorithm, but these algorithms have some deficiencies. Based on this, in the paper we present another tracking algorithm: half step perturbation me
13、thod.Key words:solar cell I-V equation; explicit solution; approximate solution theory; half step perturbation method太阳能电池I-V方程显式近似解研究 目 录第1章 绪论11.1 太阳能电池研究的意义11.2 太阳能电池I-V方程显式近似解研究的意义21.2.1 太阳能电池I-V方程的显式解21.2.2 近似解研究的意义31.3 太阳能电池数学物理模型的由来41.3.1 PN结掺杂与PN结效应41.3.2 PN结扩散方程41.3.3 PN漂移方程51.3.4 二极管粒子浓度连续
14、性方程和方程的解51.4 太阳能电池理论研究的重点71.5 本文主要研究的内容与创新点8第2章 太阳能电池I-V方程显式近似解推导过程112.1 国内外I-V超越方程研究现状112.1.1 直接求解超越方程法112.1.2 泰勒展开法122.1.3 类椭圆模型132.1.4 权重分配拟合法142.1.5 理想太阳能电池模型142.2 半导体二极管电阻化模型假设142.3 I-V方程的显式近似解152.3.1 Rsh= 且Rs=0模型152.3.2 Rsh= 且Rs0模型162.3.3 Rsh 且Rs=0模型182.3.4 Rsh 且Rs0模型192.4 工程运算上选择的模型222.5 太阳能电
15、池模型的修正232.6 本章小结25第3章 I-V特性函数模型检验及参数求解263.1 太阳能电池I-V特性测量263.2 拟合数据的软件选择及拟合的方法273.3 模型拟合程序与拟合的初值273.3.1 模型一拟合与初值求解273.3.2 模型二拟合与初值求解283.3.3 模型三拟合与初值求解293.3.4 模型四的拟合与初值求解303.4 模型的拟合结果分析323.5 模型参数求解办法363.5.1 各个模型下串联电阻值373.5.2 各个模型下并联电阻值383.5.3 各模型Iph、I0、A的对应值393.6 本章小结39第4章 太阳能电池最大功率及相关技术414.1 太阳能电池最大功
16、率研究意义414.2 各模型下最大功率与最佳负载的函数表达424.3 工程上最大功率控制理论434.4 最大功率跟踪技术的研究现状454.5 减半步长扰动法464.6 本章小结48结 论51参考文献53攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果58致 谢59第1章 绪论第1章 绪论1.1 太阳能电池研究的意义人类经历三次工业革命的同时,伴随着煤、石油、天然气的开发利用,煤、石油、天然气这些非可再生资源被开采利用的同时,各种各样的问题也出现在人类的面前,这些资源的是不可再生的,用完了之后再生周期很长,我们不能实现可持续发展。这些资源被利用的同时,也伴随着环境的污染,环境污染也是破坏可持续发展的根
17、源之一。这些资源在被利用的过程中,还伴随着有毒有害气体产生,安全问题一直是人类敏感的话题,在人类演变发展的总个过程中,和平与安全一直是时代的主旋律。在一个个问题出现在人类的面前时,人类开始思索新能源1-2的开发利用,氢能、核能、风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源,这些能源被提上新的议题。氢气能来源非常广泛,但是作为一种新能源推广还有一定难度。我们提取出氢气成本高、难度大,假如我们需要大量适用氢气,对使用装置需要大量修改,需要广泛建立氢气加注站点。核能发电不造成空气污染、不排放二氧化碳、发电成本低、不受国际经济情势影响。但是核能的利用涉及政治问题、核电站事故也是一种灾难性事
18、故。如2011年日本大地震引发的海啸跟核电站爆炸,就给大气海洋环境带来灾难性后果。自此以后我们对核能的利用就有了一定的担忧。风能也是一种新能源,其蕴量巨大、分布广泛、无污染。但是它也有自己的缺点,那就是密度低、不稳定、广泛性,地区差异性。我们会想到太阳能,在地球上的大部分国家,每天都能见到太阳,这也是太阳能能够被大量开发利用普及的原因之一,太阳能是一种清洁能源,太阳能是取之不尽,用之不完的能源,太阳能的开发与利用有了很长的历史3-4。在太阳能刚被一些开发者利用时,成本很低,利润很大,但是随着太阳能开发技术的提高,丰厚的利润吸引的一批批研究者,随着研究者的增加,加上气象资源国有化,同行业的竞争,
19、使得原来的太阳能开发技术已经不能满足人类利益需求,人类不得不走上增加太阳能效率5的道路上来,在现在太阳能的研究中,太阳能电池的研究又是所有研究的基础,太阳能电池我们主要关心的就是开路电压,短路电流,最大功率点电压电流及最大功率,填充因素。现在太阳能电池板都是许多太阳能电池串联之后的结果,但是我们会在实践中发现,这些串联之后的太阳能电池板输出电流电压,并没有单个太阳能电池输出电流电压之和那么大,这就是每块太阳能电池在相同生产工艺下,不同性能的一种反应,这就需要我们去研究太阳能电池的性能,就需要我们在生产太阳能电池时对一些参量时刻调整,已达到匹配后的电池组性能最佳6。对上述太阳能电池性能的研究,必
20、先要进行太阳能电池特性研究7-10,我们以固体物理理论为研究基础,得出太阳能电池特性是一个超越方程。对这个超越方程前人已经有了一些处理方法,第一种就是通过特殊函数解出超越方程的解析解理论11-13,第二种方法就是寻找近似解理论14-15,这两种方法得出的解析模型,大多模型参数没有直接物理意义,物理的问题数学式解答。本文基于上述不足,将特性超越方程进行半泰勒展开,同时结合物理现实寻找近似解。这样得到的解析模型方便太阳能电池参数的求解,能够很快地确定最大功率电压电流,同时也能得到很高的拟合精度。基于此模型,也能简洁方便地研究太阳能电池的其他特性。提高太阳能电池效率一直是许多人研究的重点,但是从第一
21、块单晶硅太阳能电池板诞生到现在半个多世纪过去了,太阳能电池的效率16仅仅提高到了20%左右,所以我们要是能让太阳能电池效率再提高1%也是有巨大研究意义,研究太阳能电池的效率,首先我们就应该对太阳能电池特性有一个充分的研究,在太阳能电池最大功率跟踪技术17-21中,恒定电压法22-24就是根据这些特性曲线图象得出的结论,那个电导增量法25-28,就是根据太阳能电池特性曲线拐点唯一这一数学函数性质提出来的,所以我们希望能得出太阳能电池这些特性曲线的简单函数模型,有了一个简单的太阳能电池模型,我们能更好地得出太阳能电池最大功率点,在给定的太阳能利用率内,保证太阳能电池输出功率最大化,这就是是一种提高
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