帶旁路二極管的太陽(yáng)能組件遮擋特性的研究

1、帶旁路二極管的太陽(yáng)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(xué)物理系太陽(yáng)能研究所 , 上海 200240摘要:本文建立了帶旁路二極管保護(hù)的太陽(yáng)能電池組件的數(shù)學(xué)模型,研究了有遮擋發(fā)生或者組件失配時(shí)模 型中的各個(gè)參數(shù)對(duì) I-V 曲線的影響,并結(jié)合實(shí)際分析了如何減小遮擋對(duì)帶旁路二極管的組件的影響。 關(guān)鍵詞:旁路二極管、太陽(yáng)電池組件、遮擋特性。0 引言晶體硅太陽(yáng)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(dǎo)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(yīng)和 功率 消耗 , 在 組件 制 造 時(shí) 一般都會(huì)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(yīng) , 但同 時(shí) 也會(huì)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(yáng)電池組件遮擋時(shí)的輸出特性 就變得十 分有 現(xiàn) 實(shí) 意義 , 可以為工業(yè) 生 產(chǎn)和科 學(xué)研究 提供幫助 。1各種失配情況模型建立及結(jié)果分析帶旁路二極管保護(hù)的太陽(yáng)電池組件 當(dāng) 發(fā)生遮擋或 其他事故 時(shí) 會(huì) 出 現(xiàn) 失配, 其 I-V 曲線 會(huì) 出 現(xiàn)畸變 , 并 會(huì) 對(duì) 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(duì)功率的影響 呢?于 是

3、我們需要 建立 一 個(gè)帶旁路二極管保護(hù)的太陽(yáng)電池組件的模型。 而 通 過(guò) 改變 模型中 一些 參數(shù)的 具 體數(shù) 值來(lái) 分析 這些 參數(shù)對(duì) 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(gè)模型 來(lái)進(jìn)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(yáng)能電池組件 都 是 串聯(lián) ,因 此 ,本文的模型 采用 11個(gè)太陽(yáng)能電池單 片串聯(lián) 的 模型, 其 中, 10個(gè)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(shuō) 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(gè)電池的 其它 參數(shù)是 完全 一樣 的, 這 是因 為 平 時(shí)的組件各個(gè)單 片 經(jīng) 過(guò) 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(gè)太陽(yáng)電池單 片 的模型 則 是 采用經(jīng)典 的 也 是 用 的 最 多 的單 指 數(shù)模型。 本 來(lái) 是 每 個(gè)單 片都 并 聯(lián)一 個(gè)旁路二極管, 但 是 考 慮到只 有遮擋的 那 個(gè)單 片 旁路二極管 才 有 可 能導(dǎo)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(gè)單 片 遮擋的模型 圖Fig.1 one cell mismatch根據(jù) 模型中各個(gè) 元 件的數(shù)學(xué)表 達(dá) 式和 電路 圖 , 可以 列 出如 下關(guān) 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(jìn)行 計(jì)算 , 使 用 以 下 參數(shù) 作 為 計(jì)算:

6、P RS R1L I2L I0I0K1A4*810A每 次 改變其 中 一 個(gè)參數(shù)的 值 , 所 得 的結(jié) 果 進(jìn)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(jù)分析根據(jù) 上面所建立的模型分 幾種情況改變 不 同 的參數(shù) 進(jìn)行 計(jì)算 可以得 到下 面的結(jié) 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(gè) 也就 是帶旁路二極管保護(hù)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(gè) 值 的大小實(shí)際上 就 相 當(dāng)于 太陽(yáng)電池遮擋 程度 的大小, 因 此改變 該 參數(shù) 就 相 當(dāng)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(huì) 越 來(lái) 越 大, 對(duì)太陽(yáng)電池的影響 顯 然 也 越 來(lái) 越 大。 其 中 當(dāng) 參數(shù) 等 于 2.4A 時(shí) 也就 是 完全沒(méi) 遮擋時(shí), 正 是 一 條正常 的 I-V 曲線。該 結(jié) 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(duì) 于整 體組件的影響 越 大。 這 個(gè)結(jié) 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(chǎn) 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(gè)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(yáng)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(huì)變得 更好 , 同 時(shí) 畸變也會(huì)變得 更 小。該 結(jié) 果 表 明 , 工 藝 上如 果把 太陽(yáng)能電池的等

9、效 并 聯(lián) 電 阻 做 大的 話 不 僅 能 提 高無(wú) 遮擋時(shí) 太陽(yáng)電池的 整 體性能, 同 時(shí) 也會(huì)提 高 發(fā)生遮擋時(shí)的太陽(yáng)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(gè)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(yáng)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(huì)變得 更好 , 同 時(shí) 畸變也會(huì)變得 更 小。該 結(jié) 果 表 明 , 工 藝 上如 果把 太陽(yáng)能電池的等 效串聯(lián) 電 阻 做 小

10、的 話 不 僅 能 提 高無(wú) 遮擋時(shí) 太陽(yáng)電池的 整 體性能, 同 時(shí) 也會(huì)提 高 發(fā)生遮擋時(shí)的太陽(yáng)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(gè)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(hù)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(duì)電池的 IV 曲線影響不是很大，但是當(dāng)這個(gè)值較 大時(shí)曲線相對(duì)較好。 1、1、3 模型推廣 這個(gè)模型雖然只是帶旁路二極管的單個(gè)太陽(yáng)能單片遮擋的情況， 但實(shí)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(gè)模型可以適用于多個(gè)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(gè)單片并聯(lián)一個(gè)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(gè)單片并聯(lián)一個(gè)二極管， 其中前面十個(gè)電 池片參數(shù)彼此相同， 并在旁路二極管內(nèi)的十個(gè)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(dāng)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(gè)電池 . 。 DC 8個(gè)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(jù)模型中的電路圖可以列出如下關(guān)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(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果用 origin 進(jìn)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(gè)很明顯的臺(tái)階，這正是因?yàn)?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?cè)谶@邊徹底表現(xiàn)為了很大的 臺(tái)階， 而由于實(shí)際上目前工廠中的組件大都是十幾片單片才并聯(lián)一個(gè)旁路二極管， 因此臺(tái)階 的現(xiàn)象在組件測(cè)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(hù)電池的組件在測(cè)試中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)臺(tái)階的現(xiàn)象。 對(duì)于畸變的大小與

15、各個(gè)其他參數(shù)的關(guān)系與第一種情況完全一致，因此就不再詳細(xì)說(shuō)明 了。 1、2、2 模型推廣 這個(gè)模型雖然是每十片單片并聯(lián)旁路二極管的情況， 但實(shí)際上可以看作是兩個(gè)有旁路二 極管保護(hù)的組件串聯(lián)的情況。 在圖七我們可以看到曲線明顯有個(gè)臺(tái)階，因?yàn)槭莾山M電池片串聯(lián)，所以只有一個(gè)臺(tái)階， 如果再串聯(lián)更多的帶旁路二極管保護(hù)的電池片的話， 如果發(fā)生失配則會(huì)產(chǎn)生多個(gè)臺(tái)階。 這種 多臺(tái)階的曲線也是在廠家或?qū)嶒?yàn)室測(cè)試組件性能時(shí)所經(jīng)常遇到的。 2、結(jié)論分析 通過(guò)以上的模型計(jì)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(yīng) 和功率損失的主要方法，但是仍然無(wú)法避免大部分的功率的損失。 在實(shí)際測(cè)量當(dāng)中， 裝有旁

16、路二極管的組件會(huì)產(chǎn)生特有的曲線畸變和臺(tái)階現(xiàn)象， 正是由于 旁路二極管近似起到一個(gè)開(kāi)關(guān)的作用， 在其導(dǎo)通和不導(dǎo)通時(shí)整個(gè)系統(tǒng)電流的流向和分布都有 著很大的變化，因此會(huì)導(dǎo)致這種電流電壓突然變化的情況發(fā)生。 而通過(guò)改變參數(shù)觀察畸變和臺(tái)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(shí)也是提高電池性能所需要的。換句話說(shuō)，高性能的 電池在遮擋發(fā)生時(shí)受影響也會(huì)小。因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，提高了電池的輸出特性，也就同 時(shí)提高了電池在遮擋和失配時(shí)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(xiàn) 1中國(guó)