弱光性能參數(shù)優(yōu)化

1、PVsyst軟件組件弱光性能參數(shù)的優(yōu)化探討2015-03-25 天合光能光伏能源摘要：組件弱光損失是組件在弱光條件下轉(zhuǎn)換效率的降低帶來發(fā)電量的損失，不同類型的組件產(chǎn)品由于電池片制造技術(shù)的不同其弱光性能的表現(xiàn)會(huì)有一定的差異，對弱光性能有重要影響的兩個(gè)參數(shù)為組件串聯(lián)電阻值Rs和并聯(lián)電阻值Rsh。由于光伏組件的理論模型較為復(fù)雜，對其輸出特性的研究一般采用仿真實(shí)驗(yàn)的模式，目前PVsyst仿真建模在弱光參數(shù)的設(shè)置上默認(rèn)以該軟件自身提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和美國Sandia數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，但在實(shí)際建模過程中發(fā)現(xiàn)，使用默認(rèn)的數(shù)據(jù)和預(yù)期的結(jié)果存在一定的差異，因此不能很準(zhǔn)確地反映真實(shí)的弱光性能。在此前提下本文基于多晶組件弱

2、光200W/m2條件下的第三方測試數(shù)據(jù)，嘗試對組件PAN文件中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使得在弱光下的發(fā)電量預(yù)測更加準(zhǔn)確，除此，文中參考PVsyst用戶手冊展示了Rs和Rsh優(yōu)化調(diào)整的方法。在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（STC）太陽能模擬器的光強(qiáng)為1000W/m2，而大部分地區(qū)戶外的實(shí)際輻照度都要小于這個(gè)值，一般將輻照度低于1000W/m2的光照定義為弱光。比如圖1為南京地區(qū)年水平輻照強(qiáng)度的分布，可以看出輻照度低于200W/m2約占38.18%，在400-600 W/m2之間約占20%，600-800 W/m2約占11%，所以光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量的大小就取決于組件在弱光下的發(fā)電能力，尤其對于輻照度水平較低的國家和

3、地區(qū)。晶硅組件在弱光下主要體現(xiàn)在電池片的開路電壓Voc的降低，進(jìn)而導(dǎo)致電池片的效率降低，如圖2 為不同并聯(lián)電阻值的多晶組件在戶外測試條件下Voc隨輻照的變化趨勢，組件并聯(lián)電阻越低，Voc下降幅度越大，當(dāng)并聯(lián)電阻值在141或220左右時(shí)Voc降低不明顯，即使降到50 W/m2-100W/m2一般只減少2V左右。從圖2 的結(jié)果也從側(cè)面說明了相同功率的不同組件在STC條件下的轉(zhuǎn)換效率可能有很小的差異，但是由于并聯(lián)電阻不同，在200W/m2下可能就有很大差別。其中Rsh是影響組件弱光性能的一個(gè)重要參數(shù)，另外還包括串聯(lián)電阻值Rs和二極管理想因子，因?yàn)槎O管理想因子和Rs相互關(guān)聯(lián)，Rs值改變后，二極管理想

4、因子也會(huì)隨著改變，所以本文主要探討Rsh和Rs這兩個(gè)參數(shù)對組件弱光性能的影響以及優(yōu)化調(diào)整的方法。圖1 南京地區(qū)年水平輻照度分布（%）（數(shù)據(jù)來源：Meteonorm6.1氣象軟件）圖2弱光下多晶組件的Voc隨太陽輻照的變化趨勢（南京地區(qū)）1、串聯(lián)電阻值對弱光性能的影響在PVsyst模型中，組件實(shí)際測試的串聯(lián)電阻值被定義為Series Resistance（apparent），簡寫為Rs（apparent），而SeriesResistance（module）為單二極管模型有關(guān)的電阻值，簡寫為Rs（module），這個(gè)值無法從組件的Datasheet得到，一般需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。以XXX-24

5、0P多晶組件為例，在PVsyst默認(rèn)的組件PAN文件參數(shù)里面，該組件標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的Rs（apparent）值為0.48，Rs（module）為0.281，標(biāo)準(zhǔn)測試條件下并聯(lián)電阻值Rsh（Gref）為250。現(xiàn)將Rsh（Gref）固定為250，Rsh（0）默認(rèn)為Rsh(Gref)的4倍，Rsh（exp）=5.5，這里的Rsh（0）和Rsh（exp）會(huì)在第三部分詳細(xì)說明，假設(shè)Rs（module）值分別取為0.35和0.413，和默認(rèn)的0.281進(jìn)行比較，使用PVsyst軟件可得到不同輻照度下組件的峰值功率和NOCT條件下組件的峰值功率Pmax，結(jié)果參考表1。表1 XXX-240P組件在不同Rs（

6、module）值和不同輻照度下的Pmax比較（Rsh（Gref）=250）Irrad.（W/m²）Rs （module）=0.35 Rs （module）=0.413Rs （module）=0.281Pm（W）Pm（W）Pm（W）20046.847.945.640095.997.494.3600144.8146.2143.2800193193.91921000240240.1240.1Pmax at NOCT(W)177.1178176.1圖3為不同Rs（module）值在不同輻照下的相對STC 時(shí)轉(zhuǎn)換效率，從表1和圖3模擬結(jié)果可知，和默認(rèn)值0.281相比，適當(dāng)提高組件的Rs（mod

7、ule）值，可以提升弱光下的輸出性能。圖3 不同Rs（module）值在不同輻照下的相對STC轉(zhuǎn)換效率比較（Rsh（Gref）=250）表2為基于南京地區(qū)不同Rs（module）的組件系統(tǒng)弱光損失對比，當(dāng)Rs（module）以0.005微小變化時(shí)，弱光損失的變化幅度約在0.1%左右，即說明了Rs（module）的微小變化對弱光損失的影響很大。表2 XXX-240P組件系統(tǒng)取不同Rs（module）值的全年弱光損失比較（Rsh（Gref）=250，Pm=96kW）Rs（module）（）0.350.3450.340.3350.330.3250.320.3150.305弱光損失0.90%1%1.1

8、0%1.30%1.40%1.50%1.60%1.70%1.90%2、并聯(lián)電阻值對弱光性能的影響仍以XXX-240P為例，當(dāng)Rs（module）固定為0.35不變，Rsh（Gref）分別取為200，400，600和1000，Rsh(0)是Rsh(Gref)的4倍，Rsh（exp）=5.5，使用PVsyst軟件可得到不同輻照度下的峰值功率和NOCT條件下功率Pmax，結(jié)果參考表3。表3 XXX240P組件在不同Rsh（Gref）值和不同輻照度下Pmax比較（Rs（module）=0.35）Irrad.（W/m²）Rsh（Gref）=200Rsh（Gref）=400 Rsh（Gref）=6

9、00 Rsh（Gref）=1000Pm（W）Pm（W）Pm（W）Pm（W）20046.64747.247.340095.696.296.496.6600144.6145.1145.3145.4800192.8193.1193.2193.31000240.1240.1240.1240.1Pmax at NOCT(W)177177.2177.3177.4圖4為組件轉(zhuǎn)化效率及其相對STC 時(shí)效率，從模擬結(jié)果可知提高并聯(lián)電阻后，弱光性能有一定的改善，但是提升幅度非常小。圖4 不同Rsh(Gref)值對應(yīng)的相對STC弱光效率對比（Rs（module）=0.35）表4為不同Rsh（Gref）值的組件系統(tǒng)在

10、南京地區(qū)的弱光損失對比，當(dāng)Rsh（Gref）較低時(shí)，100-200以下對弱光損失的影響在1%-2%之間，當(dāng)大于200，Rsh（Gref）值越大，弱光損失的比例越小，綜合以上數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，在PVsyst模型中，我們得到一個(gè)重要結(jié)論：串聯(lián)電阻值對弱光的影響程度要大于并聯(lián)電阻值。表4XXX-240P組件系統(tǒng)取不同Rsh（Gref）值的全年弱光損失比較（Rs（module）=0.35，Pm=96kW）Rsh（）1201501601802003003504005006001000弱光損失2%1.60%1.60%1.40%0.9%0.8%0.6%0.5%0.4%0.3%0.2%除了Rsh（Gref）值外，

11、我們再分析Rsh (0)的影響，假設(shè)Rsh（Gref）=250，Rsh（exp）=5.5，Rs（module）=0.35，Rsh (0)是Rsh(Gref)的N倍，當(dāng)N取不同的值時(shí)，得到弱光損失結(jié)果如表5所示，當(dāng)N取值越高，弱光損失越小。表5 不同Rsh (0)下的弱光損失（Pm=96kW）倍數(shù)N1234567弱光損失2.700%1.800%1.300%0.900%0.700%0.500%0.300%同樣的，保持其他參數(shù)不變，也可以得到Rsh（exp）變量對弱光的影響，參考表6。表6 Rsh（exp）對弱光損失的影響（Pm=96kW）Rsh（exp）11.522.533.544.555.5弱光

12、損失2.7%0.0%0.1%0.2%0.4%0.5%0.6%0.7%0.8%0.9%3、PVsyst弱光參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整方法在光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一般需要通過PVsyst軟件進(jìn)行發(fā)電量的模擬，該軟件內(nèi)部集成了大部分廠家的組件數(shù)據(jù)庫，每種功率規(guī)格的組件對應(yīng)一個(gè)PAN文件。最新的版本6系列比老版本5有了較大的修正，模擬結(jié)果也比老版本更加準(zhǔn)確，尤其在弱光性能部分添加了Rsh（Gref）、Rsh（0）、Rsh（exp）和Rs（module）四大參數(shù)的自定義調(diào)整功能，設(shè)計(jì)人員可以基于實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。當(dāng)然軟件自身也設(shè)置了默認(rèn)值，對于晶硅組件默認(rèn)的Rsh(exp)為5.5，Rsh (0)是Rsh(Gref)的4倍

13、，這些數(shù)據(jù)是PVsyst研究人員基于實(shí)測的大量數(shù)據(jù)分析得到的。據(jù)PVsyst官方介紹，按照IEC-61853-1測試方法，基于不同輻照下的大量實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，晶硅組件的相對轉(zhuǎn)換效率在600W/m2-800 W/m2輻照區(qū)間比STC條件下約降低0.5%至1%，在200 W/m2降低1%-3%左右。其實(shí)，對于大多數(shù)設(shè)計(jì)人員，若僅僅知道組件的Datasheet上的基本電性能參數(shù)很難去評估組件的弱光性能，使用默認(rèn)參數(shù)模擬下來的弱光損失比較高，如果組件供應(yīng)商能給用戶提供比較準(zhǔn)確的弱光數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)PVsyst的修正功能進(jìn)行調(diào)整，可得到更加準(zhǔn)確的組件PAN文件，如果實(shí)在沒有辦法獲得這些數(shù)據(jù)，也可以根

14、據(jù)PVsyst研究人員得到的經(jīng)驗(yàn)值來估算。下文以XXX-240P組件為例并參考PVsyst用戶使用手冊詳細(xì)介紹弱光參數(shù)的調(diào)整方法2。3.1 并聯(lián)電阻值參數(shù)的調(diào)整方法PVsyst軟件是根據(jù)單二極管等效電路模型對電池和組件的性能進(jìn)行模擬，參考圖5。圖5 Pvsyst軟件所使用的單二極管模型其中描述單二極管模型的電流和電壓的輸出關(guān)系表達(dá)式如（1）所示。（1）式中IL為光生電流（A），I0為二極管反向飽和電流（A），n為二極管理想因子。相關(guān)研究成果表明（Mermoud 和 Lejeune ，2010；Eikelboom et al., 1997)：組件并聯(lián)電阻值和入射光強(qiáng)有一定的關(guān)系，當(dāng)入射光強(qiáng)降低后

15、，并聯(lián)電阻隨光強(qiáng)成指數(shù)變化，公式如（2）所示 2。Rsh= Rsh(Gref) + Rsh(0) -Rsh(Gref) ·exp(-Rsh(exp) · (G / Gref) （2）其中Rsh(Gref)為STC下測試的并聯(lián)電阻值。Rsh(0)為輻照為0時(shí)的并聯(lián)電阻值（在曲線上為Y軸的截距）。Rsh (exp)：表征并聯(lián)電阻值隨輻照變化的其中一個(gè)變量。G為實(shí)際的太陽輻照度；Gref為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下光強(qiáng)1000W/m2。圖6為Rsh(exp)取不同的值時(shí)，對公式（2）進(jìn)行曲線繪制，其中Rsh(Gref)=250，Rsh(0)=1000，當(dāng)輻照降低時(shí)并聯(lián)電阻值會(huì)增加。圖6 不同

16、Rsh（exp）下Rsh隨輻照的變化關(guān)系（Rsh(Gref)=250，Rsh（0）=1000）在弱光模型中Rsh(Gref)、Rsh(0) 和Rsh (exp)值是可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，其中Rsh(Gref)為STC下測試的值。目前對于Rsh(Gref)的實(shí)際測試有太陽能模擬器的I-V測試法（STC）、DarkReverse I-V測試法、External Parallel Resistance測試法等，從行業(yè)相關(guān)研究文獻(xiàn)1可知，一般使用太陽能模擬器測試出來的結(jié)果會(huì)明顯偏低，原因是電流微小變化時(shí)，從IV曲線上獲取Rsh(Gref)，太陽能模擬器缺乏足夠的測試和計(jì)算精度。圖7為對250個(gè)XX

17、X240-60P組件樣品使用太陽能模擬器（AAA級光譜）測試出來的Rsh（Gref）值分布，平均值約200左右，在軟件中Rsh（Gref）值一般設(shè)置大于平均測試值，筆者認(rèn)為默認(rèn)的250還是比較保守的。圖7 250個(gè)樣品組件Rsh測試值分布（STC）圖8為XXX240-60P組件在PVsyst模型中默認(rèn)的值以及Rsh和輻照度的變化關(guān)系，Rsh(0) 和Rsh (exp)是根據(jù)不同輻照下的Rsh值進(jìn)行擬合得到。圖8PVsyst中默認(rèn)的Rsh（0）和Rsh（exp）值Rsh(0)和Rsh (exp)值的調(diào)整如圖9所示，比如在不同的弱光下得到了4個(gè)Rsh測試值，通過左下方的Fit工具可看到Rsh(0)

18、 和Rsh (exp)值已經(jīng)變?yōu)?79和3.9。由于缺乏實(shí)際測試數(shù)據(jù)，對XXX240-60P組件，Rsh仍采用默認(rèn)值，這里介紹其調(diào)整方法，具體操作可參考PVsyst用戶手冊2。圖9 Rsh（0）和Rsh（exp）的調(diào)整方法3.2、串聯(lián)電阻值參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整方法在PVsyst軟件中未提到串聯(lián)電阻值Rs和輻照度的變化關(guān)系，相關(guān)文獻(xiàn)中34給出了晶硅電池串聯(lián)電阻值隨著輻照變化的趨勢，從圖10可知當(dāng)輻照降低時(shí)，電池的串聯(lián)電阻也有微小的變化，同時(shí)和Rsh的對比可知，Rs降低幅度比Rsh要小很多。圖10 電池并聯(lián)電阻值和串聯(lián)電阻值隨輻照變化關(guān)系3 （單位：1 suns代表200mW/m2）Rs（module）

19、的調(diào)整參考圖11定義窗口，默認(rèn)提供了兩種輸入模式，第一種只需要輸入組件在不同光強(qiáng)和溫度下的相對STC條件轉(zhuǎn)換效率（可選 800, 600, 400 and 200 W/m²和 25°條件），第二種模式是輸入具體的光強(qiáng)、溫度、Isc、Voc、Impp和Vmpp值，參考圖12。圖11 Rs（module）弱光參數(shù)定義窗口圖12 Rs（module）弱光參數(shù)定義輸入窗口以XXX240-60P多晶組件為例，參考第三方權(quán)威測試機(jī)構(gòu)提供的低輻照測試結(jié)果（測試條件：200W/m2，25，AM1.5），在200W/m2下的電性能參數(shù)如表7所示，將Vm、Im、Isc和Voc輸入到PVsyst

20、軟件，同時(shí)軟件自動(dòng)計(jì)算在200W/m2時(shí)的轉(zhuǎn)換效率和其相對于STC下的轉(zhuǎn)換效率，其衰減比例為2.76%，完成后如圖13所示，點(diǎn)擊“OPtimizeRs”可獲得Rs（module）值，軟件自動(dòng)進(jìn)行擬合得到Rs值為0.345，同時(shí)600-800W/m2輻照區(qū)間的弱光損失結(jié)果顯示0.5%以內(nèi)。表7第三方測試機(jī)構(gòu)提供的低輻照測試結(jié)果Module typeT=25，輻照條件200w/m2Pmpp(W)Vmpp(V)Impp(A)Voc(V)Isc(A)XXX240-60p46.929.551.58834.811.684圖13 Rs（module）優(yōu)化結(jié)果4、優(yōu)化后不同輻照下的電性能模擬結(jié)果和弱光損失比例

21、上文對XXX240-60P多晶組件的弱光參數(shù)優(yōu)化，Rsh缺少相關(guān)數(shù)據(jù)仍保留為默認(rèn)值，根據(jù)第三方測試數(shù)據(jù)對Rs（module）進(jìn)行了優(yōu)化，表8為優(yōu)化后該組件在不同輻照度下和25條件的模擬結(jié)果，200W/m2時(shí)的數(shù)據(jù)基本上和第三方的測試結(jié)果較為吻合。表8優(yōu)化后的結(jié)果（Rs（module）=0.345，Rsh（Gref）=250，Rsh（0）=1000，Rsh（exp）=5.5，Tm=25）Irrad.(W/m²)Pmpp（W）Vmpp（V）Impp(A)Voc(V)Isc(A)20046.7 29.20 1.60 34.42 1.73 30071.20 29.55 2.41 35.04 2.60 40095.70 29.76 3.22 35.48 3.47 500120.25 29.82 4.03 35.83 4.34 600144.64 29.82 4.85 36.11 5.20 700168.87 29.80 5.67 36.35 6.07 800192.87 29.78 6.48 36.56 6.94 900216.62 29.69 7.30 36.74