光伏组件带旁路二极管的太阳能组件遮挡特性的研究

带旁路二极管的太阳能组件遮挡特性研究郭泽，徐林，彭小静，刘锋，杜丽芳（上海交通大学物理系太阳能研究所,上海200240）摘要：本文建立了带旁路二极管保护的太阳能电池组件的数学模型，研究了有遮挡发生或者组件失配时模型中的各个参数对I-V曲线的影响，并结合实际分析了如何减小遮挡对带旁路二极管的组件的影响。关键词：旁路二极管、太阳电池组件、遮挡特性。0引言晶体硅太阳电池组件的表面阴影、焊接不良及单体电池功率不匹配等因素是导致输出功率降低的主要原因。在工业上，为了防止由以上原因造成的热斑效应和功率消耗，在组件制造时一般都会在每十几片串联的单片两端并上旁路二极管。这样做虽可减小组件的热斑效应，但同时也会使组件的整体性能出现畸变，最明显的就是体现在组件的IV特性曲线上。因此，研究带旁路二极管的太阳电池组件遮挡时的输出特性就变得十分有现实意义，可以为工业生产和科学研究提供帮助。1各种失配情况模型建立及结果分析带旁路二极管保护的太阳电池组件当发生遮挡或其他事故时会出现失配，其I-V曲线会出现畸变，并会对最大功率造成影响。究竟是哪些原因影响着畸变的大小，怎样才能减小它对功率的影响呢？于是我们需要建立一个带旁路二极管保护的太阳电池组件的模型。而通过改变模型中一些参数的具体数值来分析这些参数对畸变的影响。由于各种组件和电池连接方式失配情况各有不同，所以需要分别建立不同的几个模型来进行考虑。1、1每片电池片都并联旁路二极管的情况1、1、1模型描述一般的太阳能电池组件都是串联，因此，本文的模型采用11个太阳能电池单片串联的模型，其中，10个单片是正常的电池，而第11片电池则是模拟的受遮挡的电池，或者说是适配性不好的电池。而除了等效恒流源的电流之外这11个电池的其它参数是完全一样的，这是因为平时的组件各个单片经过分选都是基本相同的，而遮挡的情况只是影响到其等效的恒流源的大小。具体到每个太阳电池单片的模型则是采用经典的也是用的最多的单指数模型。本来是每个单片都并联一个旁路二极管，但是考虑到只有遮挡的那个单片旁路二极管才有可能导通，所以其他10片单片的旁路二极管可以省略。于是得到如图一所示的模型图。DC。。。。。。。...DC个电池8DC1LI11I11IPRPR22I21I2LI23ISRRI图一、有一个单片遮挡的模型图Fig.1onecellmismatch根据模型中各个元件的数学表达式和电路图，可以列出如下关系式。IRVIRIRIRIRIRIRIKIIIIRIKIIRIRIKIIIRIKIIISPSPPLPLPSPL*0****10**10*}1)]*({exp[}1)]*({exp[}1)]**({exp[}1)]*({exp[24231223230022423230022324001212001使用MAPLE进行计算，使用以下参数作为计算：PRSR1LI2LI0I0K3.32ohm0.008ohm2.4A1A4*810A29.4每次改变其中一个参数的值，所得的结果进行作图比较，可以得出每种情况下的I-V曲线。1、1、2数据分析根据上面所建立的模型分几种情况改变不同的参数进行计算可以得到下面的结果。1、1、2、1遮挡程度与电池I-V曲线的变化-1012345670.00.51.01.52.02.5I(A)V(V)IL2=0.1AIL2=1.0AIL2=1.5AIL2=2.0AIL2=2.4A图二、各种遮挡程度下的IV曲线Fig.2IVcurveatdifferentmismatch参数2LI是第11个也就是带旁路二极管保护的单片的等效恒流源的电流值。由于它和被遮挡程度是这个值的大小实际上就相当于太阳电池遮挡程度的大小，因此改变该参数就相当于改变遮挡程度。由图二可以看出，随着遮挡程度的增加，I-V曲线的畸变会越来越大，对太阳电池的影响显然也越来越大。其中当参数等于2.4A时也就是完全没遮挡时，正是一条正常的I-V曲线。该结果表明，即使安装了旁路二极管，仍然是单片遮挡范围越大对于整体组件的影响越大。这个结论很自然能想到的，因为旁路二极管并不能维持被遮挡电池的性能，它只是使电流从别处流走，使这片被遮挡的电池不再消耗其他电池产生的功率。1、1、2、2等效并联电阻与电池I-V曲线的变化-1012345670.00.51.01.52.02.5I(A)v(V)RP=2.00ohmRP=3.32ohmRP=4.00ohm图三、各个等效并联电阻下的IV曲线Fig.3IVcurveatdifferentPR参数PR是太阳电池单片的等效并联电阻。由图三可以看出，随着等效并联电阻的增大，整体I-V曲线会变得更好，同时畸变也会变得更小。该结果表明，工艺上如果把太阳能电池的等效并联电阻做大的话不仅能提高无遮挡时太阳电池的整体性能，同时也会提高发生遮挡时的太阳电池性能。1、1、2、3等效串联电阻与电池I-V曲线的变化-1012345670.00.51.01.52.02.5I(A)V(V)RS=0.001ohmRS=0.008ohmRS=0.050ohm图四、各个等效串联电阻下的IV曲线Fig4IVcurveatdifferentSR参数SR是太阳电池单片的等效串联电阻。由图四可以看出，随着等效并联电阻的减小，整体I-V曲线会变得更好，同时畸变也会变得更小。该结果表明，工艺上如果把太阳能电池的等效串联电阻做小的话不仅能提高无遮挡时太阳电池的整体性能，同时也会提高发生遮挡时的太阳电池性能。1、1、2、4旁路二极管的反向饱和电流与I-V曲线的变化-1012345670.00.51.01.52.02.5I(A)V(V)i=1.5I0=4*10^(-9)Ai=1.5I0=4*10^(-8)Ai=1.5I0=4*10^(-7)A图五、各个反向饱和电流下的IV曲线Fig5IVcurveatdifferent0I参数0I是受遮挡的单片所并入的保护旁路二极管的反向饱和电流，该电流是旁路二极管的重要参数。由图五可以看出，该参数对电池的IV曲线影响不是很大，但是当这个值较大时曲线相对较好。1、1、3模型推广这个模型虽然只是带旁路二极管的单个太阳能单片遮挡的情况，但实际上，组件的等效电路和输出曲线和单片的所有特征都是一样的。因此这个模型可以适用于多个有旁路二极管的组件串联，其中有一块组件发生失配的情况。1、2多个单片并联一个旁路二极管的情况1、2、1模型描述这种情况下的模型跟第一种情况的区别在于多个单片并联一个二极管，其中前面十个电池片参数彼此相同，并在旁路二极管内的十个电池片参数彼此相同，这十片电池片的输出电流比较小，相当于模拟串在一起的十片电池有遮挡的情况。如图六所示DC。。。。。。。...DC个电池8DCDC个电池8。。。。。。。...11I12IPR1LI2LIPRSR23I22I21IRI图六、十片单片出现遮挡的模型Fig6tencellsmismatch根据模型中的电路图可以列出如下关系式：IRVIRIRIRIRIRIRIKIIIIRIKIIRIRIKIIIRIKIIISPSPPLPLPSPL*0**10**10**10**10*}1)]*({exp[}1)]*({exp[}1)]**({exp[}1)]*({exp[24231223230022423230022324001212001同样使用：PRSR1LI2LI0I0K3.32ohm0.008ohm2.4A1A4*810A29.4使用maple进行计算，得到的结果用origin进行分析可得如下图型。02468101214-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.6I(A)U(V)IL2=1AIL2=1.5AIL2=2AIL2=2.4A图七、各种遮挡程度下的IV曲线Fig7IVcurveatdifferentmismatch参数2LI为有遮挡的电池单片的等效直流源的电流。显然，该图表征了随着遮挡程度的提高，电池的输出性能下降很明显。另外，从图上可以看到一个很明显的台阶，这正是因为受遮挡的电池比第一种模型要多很多，因此第一种模型中的畸变在这边彻底表现为了很大的台阶，而由于实际上目前工厂中的组件大都是十几片单片才并联一个旁路二极管，因此台阶的现象在组件测试中比畸变要遇到的多，特别是如果电池适配性不好的话，有着多串带二极管保护电池的组件在测试中会出现多个台阶的现象。对于畸变的大小与各个其他参数的关系与第一种情况完全一致，因此就不再详细说明了。1、2、2模型推广这个模型虽然是每十片单片并联旁路二极管的情况，但实际上可以看作是两个有旁路二极管保护的组件串联的情况。在图七我们可以看到曲线明显有个台阶，因为是两组电池片串联，所以只有一个台阶，如果再串联更多的带旁路二极管保护的电池片的话，如果发生失配则会产生多个台阶。这种多台阶的曲线也是在厂家或实验室测试组件性能时所经常遇到的。2、结论分析通过以上的模型计算，我们可以看出，并联旁路二极管的方法虽然是目前减少热斑效应和功率损失的主要方法，但是仍然无法避免大部分的功率的损失。在实际测量当中，装有旁路二极管的组件会产生特有的曲线畸变和台阶现象，正是由于旁路二极管近似起到一个开关的作用，在其导通和不导通时整个系统电流的流向和分布都有着很大的变化，因此会导致这种电流电压突然变化的情况发生。而通过改变参数观察畸变和台阶的大小可以看出，要减小畸变则在工艺上要增大等效并联电阻、减小等效串联电阻，而这同时也是提高电池性能所需要的。换句话说，高性能的电池在遮挡发生时受影响也会小。因此在实际生产过程中，提高了电池的输出特性，也就同时提高了电池在遮挡和失配时的性能。ResearchOfTheMismatchCharacterOfPVArrayWithDiodesAbstract:ThepaperestablishesamathematicmodelofPVarraywithdiodes,hasaresearchofthemismatchcharacterofthemodel.AndgivessomesuggestionsabouthowtoimprovetheperformanceofthePVarraywithdiodeswhensufferingthemismatchsituation.Keywords:bywaydiode,mismatch,PVarray.参考文献[1]中国标准出版社.电池标准汇编太阳能电池篇.中国标准出版社，2003.4.[1]ZhongGuoStandardBookConcern.BatteryStandardCollectionSolarCellPart.ZhongGuoStandardPress.2003.4.[2]MartinA.Green.SolarCellsOperatingPrinciples,TechnologyandSystemApplications.PrenticeHall,1981.10