光伏錯配特性仿真模型和實驗研究

劉冬梅 方小坤

【摘 要】為了減小光伏錯配對光伏電池功率的耗散，尤其是熱斑效應，建立光伏電池實際等效電路的理論模型，考慮光伏電池組件光照、串聯電阻對輸出特性的影響，對光伏電池組件不一致性進行輸出采樣，旁路二極管對光伏電池的影響進行仿真和電路性能檢測。發現了旁路二極管數目變化與光伏電池效率的相關性。

【關鍵詞】光伏錯配 熱斑效應 旁路二極管 功率耗散

光伏電池遇到灰塵、樹木的影響造成陰影，同時光伏電池自身的老化和損壞都會造成光伏電池輸出特性的降低。在由伏安特性差異大的光伏電池構成的串聯陣列中，在接近短路電流處，可能造成光伏電池焊接處的融化。因此研究光伏電池組件的串并聯錯配的特性，提高光伏電池錯配的性能，顯得尤為重要。

1 光伏電池的數學模型

光伏電池中流過的電流與加在二極管兩端的電壓之間的關系是光伏電池的U-I特性。光伏電池的U-I特性類似于二極管的U-I特性曲線。光伏電池電壓是由光生伏特效應產生的。圖1示出光伏電池的U-I特性。

圖1 光伏電池的等效電路

考慮到光伏電池的電阻效應可以影響電池的發電效率，串聯電阻通路流過的電流是Ish。光伏電池的伏安特性曲線是光生電流和二極管暗電流以及串聯電阻耗散電流的疊加。

2光伏電池串聯錯配

2.1短路電流變化的影響

光伏電池板是由多塊光伏電池片構成的，當各個電池片性能不相同時，互相串聯的電池片就產生了錯配。實驗中，用2塊電池板串聯使用測試數據。電池板A開路電壓22.1V，短路電流5.2A，Pmax=87.0W。如果選用電池板A和電池板B進行串聯連接，電池板B只有短路電流參數發生改變，其他各參數如開路電壓、溫度、光照等都保持不變。表1示出光伏電池性能不同對電池各參數的影響。

對于2塊性能相同的電池板，在光照強度1000W/m2，溫度為25。C得到2塊電池板串聯的最大功率點是175W。當電池下降程度嚴重時，最大功率損失會很嚴重。光伏電池會工作在反向偏置工作狀態，產生熱斑效應，加速對電池的損壞。

2.2串聯電阻變化的影響

光伏組件的I-U特性曲線在短路電流處差異很小，在最大功率點范圍內曲線變化較大。內阻Rs越小，最大功率點越大；內阻Rs越大，最大功率點越小。串聯電阻越大，在開路電壓附近與理想光伏電池I-U特性曲線相近，具有較好的穩壓特性。圖2示出串聯電阻Rs對光伏電池I-U特性的影響。

圖2 Rs對光伏電池I-U特性的影響

3旁路二極管對光伏電池特性的影響

3.1反向偏置狀態下光伏電池的I-U曲線

光伏電池加上反向電壓時，反向電流數值很小。當反向電壓超過某一電壓時，反向電流將迅速變大。串聯電路出現錯配，就意味著單片電池最小電流決定串聯組件的電流數值。單片電池處于反向偏壓狀態時，可能引起局部過熱效應。嚴重時會造成光伏電池組件的損壞。圖3示出光伏電池反向偏壓的伏安特性曲線。

圖3 光伏電池反向偏壓的伏安特性曲線

在電流匹配的情況下，旁路二極管對電池組件沒有任何影響。當光伏電池處于反向偏壓時，旁路二極管對光伏電池片產生作用，旁路二極管導通，電流不經過單個光伏電池，而是流過旁路二極管。

3.2所加旁路二極管數目對功率輸出效率的影響

在串聯電池短路電流錯配下，可以使用旁路二極管與光伏電池并聯。當有一節電池發生電流錯配時，此問題電池被反向偏置，那么正常電池的電流就會流向旁路二極管電路。由36塊電池片組成的光伏組件，分別并聯0、3、9、18、36個旁路二極管，假定有一塊電池短路電流下降為一半。只要串聯電池中有電池性能下降，導致電壓反向偏置，則正常電池發電電流導通旁路二極管，使電流通過。實驗結果得出表2旁路二極管個數和功率輸出效率的關系。

由表2可以得知，當光伏組件中每一塊電池片都并聯旁路二極管時，即使發生錯配，功率輸出效率高達98.%。考慮到光伏組件并聯3—6個旁路二極管，功率輸出效率達到83.3%—91.7%，每個光伏電池片都并聯二極管，成本增高。因此，在光伏組件中并聯3—6個旁路二極管是效率最合理的選擇。

4結語

當光伏電池短路電流下降時，電池陣列出現串聯錯配。串聯錯配會帶來較大的功率下降。光伏電池反向偏置時，光伏電池短路電流小于要通過的電流，旁路二極管導通，保護了性能下降的電池，避免了功率的耗散，尤其是熱斑效應。旁路二極管對光伏電池有較好的保護作用。

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