基于七维牛顿-拉夫逊法的太阳能电池双二极管模型参数精确提取与物理意义解析

本综述提出了一种创新的确定性方法，通过改进七维牛顿-拉夫逊法（Newton-Raphson）和高精度初始值设定，从实测光照I-V特性数据中精确提取太阳能电池和光伏（PV）模块的7个双二极管模型（DDM）参数。该方法通过严格求解由7个I-V数据点建立的方程组，确保了参数不仅数学精确且具有物理意义，为光伏系统优化设计和故障检测提供了可靠工具。

　　

Highlights

Double-Diode Models (DDMs) of a Solar Cell and a PV Module

图1展示了太阳能电池双二极管模型（DDM）的等效电路图。该模型包含一个恒流源I_ph、两个二极管D1和D2、一个并联电阻R_sh以及一个串联电阻R_s。

根据基尔霍夫定律，太阳能电池的DDM方程可写为：

I = I_ph - I₀₁[exp((V + IR_s)/(n₁V_t)) - 1] - I₀₂[exp((V + IR_s)/(n₂V_t)) - 1] - (V + IR_s)/R_sh

其中，I为负载电流，I_ph为光生电流，I₀₁和I₀₂分别为D1和D2的反向饱和电流，n₁和n₂为理想因子，V_t = kT/q为热电压（k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷）。

Results and Discussion

由于文献中常使用直径57 mm的法国RTC硅太阳能电池和由36个串联电池（N_s=36）组成的Photowatt PWP 201多晶硅光伏模块作为基准，本研究同样采用新方法从RTC电池和PWP 201模块中提取DDM参数。需说明的是，RTC电池的I-V特性数据在33°C下测量，而PWP 201模块的数据在45°C下获得。新方法成功提取的参数不仅与实测I-V曲线高度吻合，且所有参数均符合晶体硅器件的物理特性（例如n₁≈1，n₂>2，I₀₂?I₀₁），显著优于其他六种主流方法（如AEO算法、Tifidat法等方法）。

Conclusion

本文提出了一种基于实测光照I-V数据、采用改进七维牛顿-拉夫逊法的确定性新方法，用于精确提取太阳能电池或光伏模块的7个DDM参数。首先，从实测I-V曲线随机选取7个数据点构建严格满足DDM参数的非线性方程组；随后，通过三个关键点（V_oc, I_sc, V_m, I_m）坐标计算高质量初始值，最终通过数值求解获得兼具数学精确性和物理意义的参数。该方法为光伏器件建模与性能优化提供了可靠解决方案。