太陽能光伏電池發電性能影響因子研究

丁文龍 常靜

摘要：以光伏系統模擬軟件為平臺，利用PVsyst仿真軟件對在旁路二極管不同數量、局部電池不同遮擋率情況下模擬仿真光伏組件輸出特性。并通過光伏發電供暖實驗系統，在自然環境和恒阻發熱負荷條件下，分析研究光伏電池本身溫度對發電性能的影響。

關鍵詞：光伏電池;旁路二極管;陰影率;輸出特性;溫度;光電轉化效率

中圖分類號：TM914.4 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1674-1161（2019）03-0071-05

目前，分布式光伏發電系統已得到廣泛應用，越來越多的光伏發電用戶開始關注光伏電池的發電性能，并開始探索如何提升光伏系統的發電量。而影響光伏電池發電性能的因素很多，如光伏電池溫度、光伏電池表面積灰密度、光照強度、旁路二極管數量等。

近年來對影響光伏電池發電性能因子的研究較多，例如：描述當光伏組件部分電池被遮擋時電池反向擊穿的危害后果和光伏電池的反向特性;利用MATLAB組建光伏電池仿真模型，模擬光伏電池的正、反向特性和不同環境條件下的輸出特性;研究光伏電池溫升率對開路電壓、短路電流的影響作用;通過MATLAB模擬光伏電池溫度對短路電流、開路電壓、光電轉化效率限值的影響;從光伏電池材料物理特性視角，在理想條件下研究溫度對其輸出特性的影響。本課題運用PVsyst（專業光伏發電系統設計仿真軟件）仿真研究旁路二極管數量和光伏組件個別電池遮擋率對光伏組件發電性能的影響;并通過光伏發電供暖實驗系統，在自然環境和恒阻負荷的條件下，分析研究光伏電池本身溫度對發電性能的影響。

1 光伏電池模型

根據相關的電子學理論，得出光伏電池的等效電路（如圖1所示）。

2 個別電池被遮擋對組件發電性能影響的模擬研究

以光伏發電系統常用的60個單體電池串聯構成的光伏組件（如天合光能有限公司的TSM250-PDG5）為研究對象，仿真參數見表1。

利用PVsyst軟件工具箱分別對旁路二極管數量和光伏組件局部電池遮擋率對光伏組件發電性能的影響進行仿真研究。

2.1 旁路二極管對組件發電性能的影響

如果光伏組件中個別電池被嚴重遮擋且不能發電，則被遮擋電池會承受反向電壓，旁路二極管導通，未被遮擋電池產生的電流流過旁路二極管，確保光伏組件仍可發電，不會由于個別電池出現問題導致發電電路斷路的故障。

本課題在PVsyst軟件工具箱里設置光伏組件表面光照強度S為1 000 W/m2，光伏組件溫度T為25 ℃，單個光伏組件中的單塊電池遮擋率為90%;當光伏組件分別并聯0，2，4，6個旁路二極管（即無旁路二極管、每30塊電池片并聯1個、每15塊并聯1個、每10塊并聯1個）時，仿真模擬光伏組件的U—I輸出特性和U—P輸出特性，結果如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可以看出：當光伏組件表面光照強度、組件溫度、個別電池片陰影率一定時，隨著光伏組件并聯旁路二極管數量增加，光伏組件最大功率點功率明顯提升，且功率損失下降顯著。可見，增加光伏組件并聯旁路二極管數量，對于個別電池被遮擋的光伏組件的功率損耗具有顯著降低作用。

本課題在PVsyst軟件工具箱中設置光伏組件表面光照強度S為1 000 W/m2，組件溫度T為25 ℃，光伏組件中單個電池遮擋率為90%，光伏組件并聯旁路二極管數量、組件最大功率點功率Pm、組件功率損失率關系見表2。

由表2可知：隨旁路二極管數量增加，光伏組件最大功率點功率顯著增加，但功率增加速度逐漸緩慢。可見，確定光伏組件旁路二極管數量要考慮成本效益問題。

2.2 個別電池遮擋率對組件發電性能的影響

1） 本課題在PVsyst工具箱中設置光伏組件表面光照強度S為1 000 W/m2，光伏組件溫度T為25 ℃，組件無旁路二極管，單個光伏組件中的單塊電池遮擋率η、組件最大輸出功率Pm、組件功率損失率關系見表3。

由表3可知：當光伏組件無旁路二極管時，隨著個別電池片遮擋率升高，光伏組件最大功率點功率迅速下降。可見，光伏組件無并聯旁路二極管時，個別電池被遮擋會嚴重影響整個光伏組件的功率輸出，從而進一步影響光伏組串的功率輸出。

2） 本課題在PVsyst工具箱中設置光伏組件表面光照強度S為1 000 W/m2，組件溫度T為25 ℃，組件并聯旁路二極管數量分別為0，2，4，6，10，對單塊光伏組件中的單個電池遮擋率η、光伏組件最大功率點功率Pm特性進行模擬預測仿真，結果如圖4所示。

由圖4可以看出：當光伏組件并聯旁路二極管數量大于等于2時，隨著光伏組件中單塊電池遮擋率升高，光伏組件最大功率點功率Pm降低。當電池片遮擋率達到曲線拐點時，被遮擋電池所在的支路旁路二極管承受反向電壓并導通。此時，被遮擋電池所在支路被短路，未被遮擋電池產生的電流從旁路二極管流過;被遮擋電池不再影響整個組件的功率輸出，光伏組件最大功率點功率Pm最終保持恒定。

3 光伏電池本身溫度對發電性能影響的試驗研究

3.1 試驗方法

在恒阻發熱負荷下研究分析光伏電池本身溫度對其發電性能的影響。光伏發電供暖實驗系統如圖5所示，實驗系統電源采用多晶硅光伏電池組件，其技術參數見表4。

于2018年3—8月進行連續測試，獲取電池本身溫度、光伏電池表面光照強度、輸出電壓、輸出電流等數據。1） 溫度測定。采用專用溫度記錄儀測定記錄光伏電池本身溫度。2） 光照強度測定。采用專用太陽能功率表測定光伏組件表面的光照強度。3） 輸出電壓、電流測定。利用DC標準電壓表和標準電流表，同時測定光伏電池輸出電壓、輸出電流。

3.2 ? 數據分析

選取4個溫度范圍，分別為23～28 ℃，33～38 ℃，43～48 ℃，53～58 ℃，測定不同溫度范圍內光伏電池表面的光照強度和對應電壓、電流數據。光照強度—電壓特性如圖6所示，光照強度—電流特性如圖7所示。

由圖6和圖7可以看出：實驗系統光伏組件連接恒阻發熱負荷，在相同光照強度條件下，隨著光伏組件本身溫度的升高，光伏組件的輸出電壓、輸出電流顯著減小。因此光伏電池本身溫度的升高會明顯抑制輸出電壓、電流。

4 結論

以250Wp多晶硅光伏電池組件為研究對象，利用PVsyst仿真軟件對在旁路二極管不同數量、局部電池不同遮擋率情況下模擬仿真光伏組件輸出特性，并通過光伏發電供暖實驗系統，在自然環境和恒阻發熱負荷條件下分析光伏電池本身溫度對發電性能的影響，結論如下：

1） 當光伏組件個別電池被遮擋時，隨旁路二極管數量的增加，光伏組件功率損失減小;當光伏組件無旁路二極管時，隨組件個別電池遮擋率的升高，光伏組件輸出功率持續降低。可見，光伏組件并聯旁路二極管數量的增加對于降低存在局部遮擋的光伏組件功率損失具有顯著作用，并且確定光伏組件旁路二極管數量需要考慮組件成本及效益問題。

2） 為了減少熱斑效應給光伏組件帶來的危害，應盡量采用帶有并聯旁路二極管的光伏組件。

3） 通過本課題試驗研究可以看出光伏電池本身溫度已對其發電性能造成了很大的負面影響，因此對光伏組件進行降溫處理很有必要。

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