帶旁路二極管的太陽能組件遮擋特性的研究

1、帶旁路二極管的太陽能組件遮擋特性研究郭澤,徐林,彭小靜,劉鋒,杜麗芳(上海交通大學物理系太陽能研究所 , 上海 200240摘要:本文建立了帶旁路二極管保護的太陽能電池組件的數(shù)學模型,研究了有遮擋發(fā)生或者組件失配時模 型中的各個參數(shù)對 I-V 曲線的影響,并結合實際分析了如何減小遮擋對帶旁路二極管的組件的影響。 關鍵詞:旁路二極管、太陽電池組件、遮擋特性。0 引言晶體硅太陽電池組件的表面陰影、 焊接不良及單體電池功率不匹配等因素是導致輸出功 率 降低 的 主要原 因。 在工業(yè) 上, 為 了 防止由以 上 原 因 造成 的 熱斑效應和 功率 消耗 , 在 組件 制 造 時 一般都會在每十幾片串聯(lián)

2、 的單 片兩端 并上旁路二極管。 這樣做雖可 減小組件的 熱斑效 應 , 但同 時 也會使 組件的 整 體性能出 現(xiàn)畸變 , 最明顯 的 就 是體 現(xiàn)在 組件的 IV 特性曲線上。 因 此 ,研究帶旁路二極管的太陽電池組件遮擋時的輸出特性 就變得十 分有 現(xiàn) 實 意義 , 可以為工業(yè) 生 產和科 學研究 提供幫助 。1各種失配情況模型建立及結果分析帶旁路二極管保護的太陽電池組件 當 發(fā)生遮擋或 其他事故 時 會 出 現(xiàn) 失配, 其 I-V 曲線 會 出 現(xiàn)畸變 , 并 會 對 最 大功率 造成 影響。 究 竟 是 哪些原 因影響 著畸變 的大小, 怎樣才 能減小 它 對功率的影響 呢?于 是

3、我們需要 建立 一 個帶旁路二極管保護的太陽電池組件的模型。 而 通 過 改變 模型中 一些 參數(shù)的 具 體數(shù) 值來 分析 這些 參數(shù)對 畸變 的影響。 由于 各 種 組件 和 電池 連 接 方 式 失配 情況 各有不 同 ,所 以需要 分 別 建立不 同 的 幾 個模型 來進行考 慮 。1、 1 每片電池片都并聯(lián)旁路二極管的情況1、 1、 1 模型描述一般 的太陽能電池組件 都 是 串聯(lián) ,因 此 ,本文的模型 采用 11個太陽能電池單 片串聯(lián) 的 模型, 其 中, 10個單 片 是 正常 的電池, 而 第 11片 電池 則 是模 擬 的 受 遮擋的電池,或者 說 是 適 配性不 好 的電池

4、。 而 除 了等 效 恒流源 的電 流之外 這 11個電池的 其它 參數(shù)是 完全 一樣 的, 這 是因 為 平 時的組件各個單 片 經 過 分 選 都 是 基 本 相 同 的, 而 遮擋的 情況 只 是影響 到 其 等 效 的 恒流源 的大小。具 體 到 每 個太陽電池單 片 的模型 則 是 采用經典 的 也 是 用 的 最 多 的單 指 數(shù)模型。 本 來 是 每 個單 片都 并 聯(lián)一 個旁路二極管, 但 是 考 慮到只 有遮擋的 那 個單 片 旁路二極管 才 有 可 能導通, 所 以其他 10片 單 片 的旁路二極管 可以 省略 。 于 是 得 到 如 圖 一 所 示 的模型 圖 。 R圖

5、一 、 有 一 個單 片 遮擋的模型 圖Fig.1 one cell mismatch根據 模型中各個 元 件的數(shù)學表 達 式和 電路 圖 , 可以 列 出如 下關 系 式 。IR V I R I R I R I R I R I R I K I I I I R I K I I R I R I K I I I R I K I I I S P S P P L P L P S P L *0*10*10*1*(exp1*(exp1*(exp1*(exp24231223230022423230022324001212001=+=+=使 用 MAPLE 進行 計算 , 使 用 以 下 參數(shù) 作 為 計算:

6、P RS R1L I2L I0I0K1A4*810A每 次 改變其 中 一 個參數(shù)的 值 , 所 得 的結 果 進行 作圖比較 , 可以得 出 每種情況 下 的 I-V 曲 線。1、 1、 2數(shù)據分析根據 上面所建立的模型分 幾種情況改變 不 同 的參數(shù) 進行 計算 可以得 到下 面的結 果 。 1、 1、 2、 1遮擋程度與電池 I-V 曲線的變化-101234567I (A V(V 圖 二、各 種 遮擋 程度下 的 IV 曲線Fig.2 IV curve at different mismatch參數(shù) 2L I 是 第11個 也就 是帶旁路二極管保護的單 片 的等 效 恒流源 的電 流 值

7、 。 由于它和被 遮擋 程度 是 這 個 值 的大小實際上 就 相 當于 太陽電池遮擋 程度 的大小, 因 此改變 該 參數(shù) 就 相 當于改變 遮擋 程度 。 由 圖 二 可以 看 出, 隨 著 遮擋 程度 的 增加 , I-V 曲線的 畸變會 越 來 越 大, 對太陽電池的影響 顯 然 也 越 來 越 大。 其 中 當 參數(shù) 等 于 2.4A 時 也就 是 完全沒 遮擋時, 正 是 一 條正常 的 I-V 曲線。該 結 果 表 明 , 即 使 安裝 了旁路二極管, 仍然 是單 片 遮擋 范圍越 大對 于整 體組件的影響 越 大。 這 個結 論很自然 能 想到 的, 因 為 旁路二極管并不能

8、維持被 遮擋電池的性能, 它 只 是 使 電 流從 別 處流走 , 使這片 被 遮擋的電池不 再 消耗其他 電池 產 生的功率。 1、 1、 2、 2 等效并聯(lián)電阻與電池 I-V 曲線的變化-11234567I (A v(V 圖三 、各個等 效 并 聯(lián) 電 阻下 的 IV 曲線Fig.3 IV curve at differentP R參數(shù) P R 是太陽電池單 片 的等 效 并 聯(lián) 電 阻 。 由 圖三 可以 看 出, 隨 著 等 效 并 聯(lián) 電 阻 的 增 大,整 體 I-V 曲線 會變得 更好 , 同 時 畸變也會變得 更 小。該 結 果 表 明 , 工 藝 上如 果把 太陽能電池的等

9、效 并 聯(lián) 電 阻 做 大的 話 不 僅 能 提 高無 遮擋時 太陽電池的 整 體性能, 同 時 也會提 高 發(fā)生遮擋時的太陽電池性能。 1、 1、 2、 3 等效串聯(lián)電阻與電池 I-V 曲線的變化 I (A V(V圖四 、各個等 效串聯(lián) 電 阻下 的 IV 曲線Fig4 IV curve at differentS R參數(shù) S R 是太陽電池單 片 的等 效串聯(lián) 電 阻 。 由 圖四 可以 看 出, 隨 著 等 效 并 聯(lián) 電 阻 的減小, 整 體 I-V 曲線 會變得 更好 , 同 時 畸變也會變得 更 小。該 結 果 表 明 , 工 藝 上如 果把 太陽能電池的等 效串聯(lián) 電 阻 做 小

10、的 話 不 僅 能 提 高無 遮擋時 太陽電池的 整 體性能, 同 時 也會提 高 發(fā)生遮擋時的太陽電池性能。1、 1、 2、 4 旁路二極管的反向飽和電流與 I-V 曲線的變化2.5 i=1.5 I0=4*10(-9A i=1.5 I0=4*10(-8A i=1.5 I0=4*10(-7A 2.0 1.5 I(A 1.0 0.5 0.0 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 V(V 圖五、各個反向飽和電流下的 IV 曲線 Fig5 IV curve at different I0 參數(shù) I 0 是受遮擋的單片所并入的保護旁路二極管的反向飽和電流，該電流是旁路二極 管的重要參數(shù)。由圖五可以看出

11、，該參數(shù)對電池的 IV 曲線影響不是很大，但是當這個值較 大時曲線相對較好。 1、1、3 模型推廣 這個模型雖然只是帶旁路二極管的單個太陽能單片遮擋的情況， 但實際上， 組件的等效 電路和輸出曲線和單片的所有特征都是一樣的。 因此這個模型可以適用于多個有旁路二極管 的組件串聯(lián)，其中有一塊組件發(fā)生失配的情況。 1、2 多個單片并聯(lián)一個旁路二極管的情況 1、2、1 模型描述 這種情況下的模型跟第一種情況的區(qū)別在于多個單片并聯(lián)一個二極管， 其中前面十個電 池片參數(shù)彼此相同， 并在旁路二極管內的十個電池片參數(shù)彼此相同， 這十片電池片的輸出電 流比較小，相當于模擬串在一起的十片電池有遮擋的情況。如圖六所

12、示 I21 DC DC I L1 I11 DC IL2 I22 8個電池 . 。 DC 8個電池 . 。 RS I12 RP I 23 RP I R 圖六、十片單片出現(xiàn)遮擋的模型 Fig6 ten cells mismatch 根據模型中的電路圖可以列出如下關系式： I = I L1 I 0 exp K 0 ( I12 * RP 1 I12 I = I 0 exp K 0 ( I 24 * RS I 23 * RP 1 + I L 2 I 0 exp K 0 ( I 23 * RP 1 I 23 I 24 = I L 2 I 0 exp K 0 ( I 23 * RP 1 I 23 R * I

13、 10 * RP * I12 + 10 * RS * I 10 * RP * I 23 + 10 * RS * I 24 = 0 V = R*I 同樣使用： RP 3.32ohm RS 0.008ohm I L1 2.4A I L2 1A I0 4* 10 8 A K0 29.4 使用 maple 進行計算，得到的結果用 origin 進行分析可得如下圖型。 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 IL2=1A IL2=1.5A IL2=2A IL2=2.4A I(A 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 0 2 4 6 8 10 12 14 U(V

14、 圖七、各種遮擋程度下的 IV 曲線 Fig7 IV curve at different mismatch 參數(shù) I L 2 為有遮擋的電池單片的等效直流源的電流。顯然，該圖表征了隨著遮擋程度的 提高，電池的輸出性能下降很明顯。另外，從圖上可以看到一個很明顯的臺階，這正是因為 受遮擋的電池比第一種模型要多很多， 因此第一種模型中的畸變在這邊徹底表現(xiàn)為了很大的 臺階， 而由于實際上目前工廠中的組件大都是十幾片單片才并聯(lián)一個旁路二極管， 因此臺階 的現(xiàn)象在組件測試中比畸變要遇到的多， 特別是如果電池適配性不好的話， 有著多串帶二極 管保護電池的組件在測試中會出現(xiàn)多個臺階的現(xiàn)象。 對于畸變的大小與

15、各個其他參數(shù)的關系與第一種情況完全一致，因此就不再詳細說明 了。 1、2、2 模型推廣 這個模型雖然是每十片單片并聯(lián)旁路二極管的情況， 但實際上可以看作是兩個有旁路二 極管保護的組件串聯(lián)的情況。 在圖七我們可以看到曲線明顯有個臺階，因為是兩組電池片串聯(lián)，所以只有一個臺階， 如果再串聯(lián)更多的帶旁路二極管保護的電池片的話， 如果發(fā)生失配則會產生多個臺階。 這種 多臺階的曲線也是在廠家或實驗室測試組件性能時所經常遇到的。 2、結論分析 通過以上的模型計算， 我們可以看出， 并聯(lián)旁路二極管的方法雖然是目前減少熱斑效應 和功率損失的主要方法，但是仍然無法避免大部分的功率的損失。 在實際測量當中， 裝有旁

16、路二極管的組件會產生特有的曲線畸變和臺階現(xiàn)象， 正是由于 旁路二極管近似起到一個開關的作用， 在其導通和不導通時整個系統(tǒng)電流的流向和分布都有 著很大的變化，因此會導致這種電流電壓突然變化的情況發(fā)生。 而通過改變參數(shù)觀察畸變和臺階的大小可以看出，要減小畸變則在工藝上要增大等效 并聯(lián)電阻、減小等效串聯(lián)電阻，而這同時也是提高電池性能所需要的。換句話說，高性能的 電池在遮擋發(fā)生時受影響也會小。因此在實際生產過程中，提高了電池的輸出特性，也就同 時提高了電池在遮擋和失配時的性能。 Research Of The Mismatch Character Of PV Array With Diodes Abs

17、tract: The paper establishes a mathematic model of PV array with diodes , has a research of the mismatch character of the model . And gives some suggestions about how to improve the performance of the PV array with diodes when suffering the mismatch situation . Keywords: byway diode , mismatch , PV array . 參考文獻 1中國