本發明涉及太陽能電池組件，特別是一種鈣鈦礦太陽能電池組件陣列仿真模型的組建方法。

背景技術：

1、在全球能源需求持續增長的背景下，光伏技術作為一種可再生能源方案受到了廣泛關注。特別是，鈣鈦礦電池以其高效的能量轉換效率和低成本生產潛力，成為下一代光伏技術商業化的重要發展方向。鈣鈦礦電池的研究主要集中在其效率極限和穩定性上，這兩個方面是實現商業化應用的關鍵挑戰。目前，鈣鈦礦電池的效率已經達到了與傳統硅基太陽能電池相當的水平，但其在戶外實際操作條件下的穩定性仍存在問題。

2、通常情況下，太陽能電池的性能測試是在標準測試條件下進行，這些條件包括室溫大約25℃和1000w/m2的am1.5g輻射。然而，實際操作環境遠比實驗室條件復雜，包括溫度變化、光強波動、空氣濕度等因素，這些都會影響電池的性能和壽命。這些因素導致的性能差異需通過更加精確的模型來預測和補償。

3、鈣鈦礦材料具有比當前主流光伏材料更寬的帶隙。因此，溫度升高導致的暗載流子密度增加和暗飽和電流的增加較少。其次，鈣鈦礦的帶隙隨溫度增加，與幾乎所有其他傳統半導體相反，帶隙的增加可以減輕開路電壓的損失，直接影響效率。因此，研究溫度對鈣鈦礦電池的影響是實現其商業化應用的重要研究方向。

4、現有的光伏組件模型大多都是基于晶硅電池建立，滿足鈣鈦礦電池特性的模型亟待建立。

技術實現思路

1、本發明的目的在于克服現有技術存在的不足，提供一種鈣鈦礦太陽能電池組件陣列仿真模型的組建方法。

2、為了實現以上目的，本發明的技術方案為：

3、一種鈣鈦礦太陽能電池組件陣列仿真模型的組建方法，包括以下步驟：

4、構建鈣鈦礦電池理想等效電路模型；

5、在鈣鈦礦電池理想等效電路模型的基礎上構建鈣鈦礦電池等效工程模型；

6、在鈣鈦礦電池等效工程模型的基礎上采用仿真工具matlab中simulink模塊構建鈣鈦礦電池組件陣列模型；

7、對鈣鈦礦電池組件陣列模型進行修正，得到鈣鈦礦電池組件陣列的定量修正模型；

8、將鈣鈦礦電池組件陣列的定量修正模型進行simulink行為級實現，得到鈣鈦礦太陽能電池組件陣列仿真模型。

9、作為優選，構建鈣鈦礦電池理想等效電路模型，具體包括：

10、分析鈣鈦礦電池的工作特性，使用ltspice軟件搭建單個鈣鈦礦子電池；

11、使用ltspice軟件對單個鈣鈦礦子電池進行電路建模，模擬單個鈣鈦礦子電池的輸出特性，得到單個鈣鈦礦子電池的電路結構；

12、將多個鈣鈦礦子電池的電路結構串聯構成鈣鈦礦太陽能電池組件的電路結構，使用ltspice軟件對鈣鈦礦太陽能電池組件的電路結構進行建模和仿真，得到不同參數組合下鈣鈦礦太陽能電池組件的輸出特性，通過參數掃描確定損耗功率最小的參數組合，將損耗功率最小的參數組合的鈣鈦礦太陽能電池組件的電路結構作為鈣鈦礦電池理想等效電路模型。

13、作為優選，單個鈣鈦礦子電池的輸出特性表示為：

14、

15、其中，rsh表示并聯電阻，rs表示串聯電阻，i表示輸出電流，v表示電壓，i0表示二極管的反向飽和電流，iph表示光生電流，q表示電子電荷，k表示玻爾茲曼常數，n表示理想因子，t表示溫度。

16、作為優選，鈣鈦礦太陽能電池組件的參數包括：光生電流：iph＝20ma；二極管：反向飽和電流i0＝1×10-10a，理想因子n＝1.5；串聯電阻rs的阻值范圍為2ω～5ω，步長為1ω；并聯電阻rsh的阻值范圍為：1000ω～3000ω，步長為500ω；互連電阻ric的阻值范圍為1ω～3ω，步長為1ω；在每個鈣鈦礦子電池的電路結構中，光生電流源、并聯電阻與二極管先并聯，再與串聯電阻串聯，相鄰兩個鈣鈦礦子電池的電路結構之間通過互連電阻串聯。

17、作為優選，在鈣鈦礦電池理想等效電路模型的基礎上構建鈣鈦礦電池等效工程模型，具體包括：

18、對光生電流、二極管的反向飽和電流、串聯電阻、并聯電阻和理想因子進行簡化或近似處理，具體過程如下：

19、iph＝id+ish+i；

20、其中，id表示流過二極管的電流；

21、

22、由于串聯電阻的阻值遠小于二極管的正向導通電阻，則光生電流約等于短路電流，即iph≈isc，引入以下系數c1和c2：

23、

24、其中，uoc為開路電壓；

25、當鈣鈦礦太陽能電池組件的輸出功率最大時，v＝um，i＝im，則得到以下公式：

26、

27、其中，um表示鈣鈦礦太陽能電池組件的最大功率點的電壓，im表示鈣鈦礦太陽能電池組件的最大功率點的電流；

28、在遠大于1的情況下，簡化為：

29、

30、反解得到c1：

31、

32、斷路情況下，v＝uoc,i＝0，則：

33、

34、遠遠大于1，因此舍去-1，反解得到c2：

35、

36、根據實際工況中溫度和光強的影響對公式進行如下修正：

37、

38、其中，a、b、c均為系數，e表示自然對數，s0表示標準參考光照強度，t0表示標準參考溫度，s表示光照強度，δs表示光照強度差值，δt表示溫度差值，u’oc表示修正后的開路電壓，u’m表示修正后的最大功率點的電壓，i’m表示修正后的最大功率點的電流；

39、最終簡化得到鈣鈦礦電池等效工程模型，如下式所示：

40、

41、作為優選，在鈣鈦礦電池等效工程模型的基礎上采用仿真工具matlab中simulink模塊構建鈣鈦礦電池組件陣列模型，具體包括：

42、根據鈣鈦礦電池等效工程模型使用simulink數據流圖建模，將關鍵參數封裝在模型內部，并創建輸入端口，用于輸入環境參數，環境參數包括光照強度和溫度；

43、搭建simulink數據流圖中的計算模塊，用于計算實際的短路電流i′sc、修正后的最大功率點的電流i′m、修正后的開路電壓u′oc、修正后的最大功率點的電壓u′m和輸出電流i，連接受控電流源，通過測量模塊獲取輸出電流和電壓，并顯示輸出特性曲線，得到鈣鈦礦電池組件的仿真電路；

44、將多個鈣鈦礦電池組件的仿真電路組成陣列并進行封裝，先串聯后并聯得到鈣鈦礦電池組件陣列模型。

45、作為優選，對鈣鈦礦電池組件陣列模型進行修正，得到鈣鈦礦電池組件陣列的定量修正模型，具體包括：

46、使用scaps-1d模擬器對典型鈣鈦礦材料進行建模和仿真，提取關鍵參數，關鍵參數包括最大功率點的電流im、電流密度jsc、最大電流密度jm和開路電壓uoc；

47、引入電流溫度系數ki對iph電流方程進行修正，如下式所示：

48、

49、更新鈣鈦礦電池組件陣列模型，得到更新后的鈣鈦礦電池組件陣列模型；

50、計算關鍵參數的溫度系數tc(p)，如下式所示：

51、

52、其中，p表示關鍵參數，t是溫度；

53、在matlab/simulink仿真中創建一個輸入端口，用于輸入溫度t，使用溫度系數修正關鍵參數，得到修正后的關鍵參數，將修正后的關鍵參數應用到更新后的鈣鈦礦電池組件陣列模型中，得到鈣鈦礦電池組件陣列的定量修正模型。

54、作為優選，將鈣鈦礦電池組件陣列的定量修正模型進行simulink行為級實現，得到鈣鈦礦太陽能電池組件陣列仿真模型，具體包括：

55、搭建光生電流控制模塊，光生電流控制模塊用于描述通過溫度和光照強度計算光生電流的過程；

56、在鈣鈦礦電池組件陣列的定量修正模型的二極管中，搭建帶隙隨溫度變化實現模塊和二極管電流計算模塊，帶隙隨溫度變化實現模塊用于反映帶隙隨溫度變化的敏感度，如下式所示：

57、eg＝eg，ref·(1+degdt·(t-t0))；

58、其中，eg表示帶隙，eg,ref表示參考帶隙，t0表示標準參考溫度，t表示溫度；

59、二極管電流計算模塊用于描述二極管在不同溫度下的行為，如下式所示：

60、

61、其中，i0,t表示二極管的反向飽和電流，i0,t表示二極管的參考反向飽和電流，k1表示對應帶隙的溫度系數；

62、最終得到鈣鈦礦太陽能電池組件陣列仿真模型。

63、相比于現有技術，本發明具有以下有益效果：

64、(1)本發明的鈣鈦礦太陽能電池組件陣列仿真模型的組建方法提出了鈣鈦礦太陽能電池組件陣列模型，以實現對環境因素(如溫度和光照強度)變化下電池性能的精確預測和優化設計。

65、(2)本發明的鈣鈦礦太陽能電池組件陣列仿真模型的組建方法提出的鈣鈦礦電池組件陣列的定量修正模型能夠準確模擬鈣鈦礦電池在不同溫度和光照條件下的行為，優化組件幾何布局和電氣連接，而且還能夠預測效率和補償由于環境因素導致的性能差異。最后基于鈣鈦礦太陽能電池組件陣列仿真模型分析了鈣鈦礦電池組件陣列中存在不同故障情況下，陣列中各組串并聯失配的情況，并預計提出預想的解決方案，為陣列失配功率損失的優化方法提供了理論基礎。

66、(3)本發明提出的鈣鈦礦太陽能電池組件陣列仿真模型的組建方法不僅可以優化電池組件、陣列的設計，還能實現對鈣鈦礦電池組件陣列行為的精確預測，為推動鈣鈦礦太陽能電池技術商業化給出了一定指導。