基于PVsyst的光伏輸出性能仿真分析

肖友鵬

（江西科技學院機械工程學院，江西 南昌 330098）

基于PVsyst的光伏輸出性能仿真分析

肖友鵬

（江西科技學院機械工程學院，江西 南昌 330098）

基于PVsyst軟件模擬分析了光照強度、溫度、串聯(lián)電阻對中電光伏型號為CSUN320-72M的光伏組件I-V特性、P-V特性和光電轉(zhuǎn)換效率的影響，分析表明光伏組件的輸出性能呈非線性，光照強度、溫度、串聯(lián)電阻的變化均對光伏組件的短路電流、開路電壓，最大功率點（MPP）和光電轉(zhuǎn)換效率有影響。通過模擬分析結(jié)果，有助于光伏發(fā)電系統(tǒng)進行最大功率點跟蹤（MPPT），使得光伏組件始終輸出最大功率，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率，進而最大化光伏組件的利用率。

輸出性能；PVsyst；光照強度；溫度；串聯(lián)電阻

0 引言

可再生能源是解決環(huán)境污染、臭氧層破壞、溫室氣體排放，能源需求緊張等問題的必由之路[1](P260-271)，可再生能源包括太陽能、風能、生物質(zhì)能等。利用可再生能源發(fā)電特別是太陽能光伏發(fā)電，為人們提供能源的同時還給生活帶來便利。制約光伏發(fā)電技術(shù)大面積推廣的主要因素有成本和效率，光伏組件工作時存在最大功率點（MPP），為了有效利用太陽能，光伏發(fā)電系統(tǒng)必須進行最大功率點跟蹤（MPPT），使光伏組件式中輸出最大功率，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的主體是光伏方陣，光伏方陣由單元光伏組件串并聯(lián)而成。光伏組件在使用過程中，其輸出性能與光伏組件所受的光照強度、溫度和其寄生電阻特別是串聯(lián)電阻密切相關(guān)。光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計和安裝人員使用較為簡單的工具對系統(tǒng)的規(guī)模進行設(shè)計，而科研人員和工程師使用更加精密的模擬仿真工具進行優(yōu)化。仿真優(yōu)化軟件應(yīng)該具備預(yù)先可行性分析、系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化等功能，進一步地，為系統(tǒng)配置所輸入和輸出的信息能夠調(diào)整項目進程[2](P24-25)。PVsyst是日內(nèi)瓦大學開發(fā)的一個軟件包[3]，已經(jīng)成為模擬光伏發(fā)電系統(tǒng)性能的美國工業(yè)標準。

基于PVsyst軟件對光伏組件輸出性能進行仿真，分析光照強度、溫度、串聯(lián)電阻（暫不考慮并聯(lián)電阻）對光伏組件輸出性能的影響。仿真采用的是中電光伏型號為CSUN320-72M的光伏組件，其在標準測試條件下的特性參數(shù)如表1。

表1 CSUN320-72M光伏組件特性參數(shù)

1 光照強度效應(yīng)

保持溫度為25℃不變，光照強度對光伏組件I-V特性的影響如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著光照強度的升高，光伏組件的短路電流Isc逐漸升高，同時開路電壓Voc也緩慢升高，I-V曲線的方形程度也在增加，這說明填充因子FF也在升高。短路電流是最大的光生電流，隨著光照強度即光子通量Φ（λ）的升高，由 Iph=q∫Φ（λ）[1-R（λ）]IQE（λ）dλ[4](P3-25)可知光生電流Iph逐漸升高。

圖1 光照強度對光伏組件I-V特性的影響

光照強度對光伏組件P-V特性的影響如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著光照強度的上升，最大功率Pm逐漸增加。由于Pm=IscVocFF[4](P3-25)，光照強度的升高使得Isc、Voc、FF都有不同程度的增加，進而使得Pm增加。

光照強度對光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的影響如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著光照強度的增加，光電轉(zhuǎn)換效率逐漸升高。

2 溫度效應(yīng)

保持光照強度為1000W/m2不變，溫度對光伏組件I-V特性的影響如圖4所示。短路電流Isc與溫度之間的關(guān)聯(lián)性并不是很大，隨著溫度的上升Isc略有增加，這是因為溫度與禁帶寬度的關(guān)系為Eg(T)=Eg(0)-αT2/(T+β)[5](P23-24)，半導體禁帶寬度隨溫度的上升而減小使得光吸收隨之增加的緣故。

圖2 光照強度對光伏組件P-V特性的影響

圖3 光照強度和溫度對光伏組件轉(zhuǎn)換效率的影響

圖4 溫度對光伏組件I-V特性的影響

溫度的上升主要影響開路電壓Voc，隨著溫度的上升半導體的禁帶寬度Eg變小，本征載流子濃度ni增加，暗飽和電流I0增大，由Voc=kBT/qln(1+Iph/I0)[4](P3-25)可知開路電壓Voc最終下降。

溫度對光伏組件P-V特性的影響如圖5所示?？梢姡S著溫度的上升，Voc下降的趨勢比Isc升高的趨勢更明顯，導致最大功率Pm逐漸下降。

圖5 電池溫度對光伏組件P-V特性的影響

溫度對光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的影響如圖3所示?？梢婋S著溫度的上升，光伏組件的轉(zhuǎn)換效率逐漸下降。

3 串聯(lián)電阻效應(yīng)

光伏組件由光伏電池組成，光伏電池功率損耗主要包括電學損耗和光學損耗，電學損耗主要有串聯(lián)電阻損耗和載流子復合損耗。光伏電池的串聯(lián)電阻主要來源于半導體材料的體電阻、前電極金屬柵線與半導體的接觸電阻、柵線之間橫向電流對應(yīng)的電阻、背電極與半導體的接觸電阻等。Caballero等人[6](P1388-1391)對晶體硅太陽能電池提出了串聯(lián)電阻模型，如圖6所示。串聯(lián)電阻表達式為：

Rs=RBase+RBus+RF+RFC+RSheet+RBC

式中：Rs為總的串聯(lián)電阻；RBase為基區(qū)電阻；RBus為主柵線電阻；RF為副柵線體電阻；RFC為前接觸電阻；RSheet為硅片表面薄層電阻；RBC為背面接觸電阻。

圖6 光伏電池串聯(lián)電阻示意圖

并聯(lián)電阻保持不變，串聯(lián)電阻對光伏組件I-V特性的影響如圖7所示。隨著串聯(lián)電阻增大，短路電流Isc減小，開路電壓Voc沒受到影響。串聯(lián)電阻越小，則填充因子越大，反映到I-V特性曲線上是該曲線越接近矩形。

串聯(lián)電阻對光伏組件P-V特性的影響如圖8所示。隨著串聯(lián)電阻增大，最大功率Pm逐漸減小。

圖7 串聯(lián)電阻對光伏組件I-V特性的影響

圖8 串聯(lián)電阻光伏組件P-V特性的影響

串聯(lián)電阻對光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的影響如圖9所示。串聯(lián)電阻越大，短路電流下降越多（而對開路電壓沒有影響），填充因子也隨之減少得越多，最大功率Pm越小，光電轉(zhuǎn)換效率越低。

圖9 串聯(lián)電阻對光伏組件轉(zhuǎn)換效率的影響

4 結(jié)論

基于PVsyst軟件模擬分析了光照強度、溫度、串聯(lián)電阻對中電光伏型號為CSUN320-72M的光伏組件輸出性能的I-V特性、P-V特性和光電轉(zhuǎn)換效率的影響，分析表明光伏組件的輸出性能呈現(xiàn)非線性。光伏組件工作時存在最大功率點（MPP），為了有效利用太陽能資源，光伏發(fā)電系統(tǒng)必須進行最大功率點跟蹤（MPPT），光伏組件輸出性能的仿真結(jié)果有助于進行最大功率點跟蹤，使光伏組件始終輸出最大功率，最大化光伏組件的利用率。

4.1 隨著光照強度的升高，短路電流逐漸升高、開路電壓也有所升高，最大功率逐漸增加，光電轉(zhuǎn)換效率也在升高。因此，光伏方陣應(yīng)該按最佳傾斜角進行布置，太陽能資源直射比較大時還可安裝太陽能跟蹤系統(tǒng)，充分利用太陽能輻射資源。

4.2 隨著溫度的升高，短路電流稍有上升、開路電壓逐漸下降，開路電壓下降的趨勢比短路電流升高的趨勢更明顯，導致最大功率逐漸下降，光電轉(zhuǎn)換效率也在下降。因此，可以選擇合適的冷卻方式來降低光伏組件的溫度，選擇規(guī)格一致的光伏組件，方陣布置時應(yīng)該規(guī)避陰影帶來的熱斑效應(yīng)的影響。

4.3 串聯(lián)電阻的增大會降低短路電流、最大功率，而對開路電壓影響很小，最終會降低光電轉(zhuǎn)換效率。因此，應(yīng)該提高光伏電池和光伏組件選用材料的品質(zhì)，提高光伏電池和光伏組件的制造工藝，降低光伏組件的串聯(lián)電阻，提高光伏組件的轉(zhuǎn)換效率。

[1]Zeng Ming,Liu Ximei,LiNa,Xue Song.Overallreview of renewable energy tariff policy in China:Evolution,implementation,problems and countermeasures[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2013(25).

[2]M Irwanto,Y M Irwan,I Safwati,et al.Analysis Simulation of the Photovoltaic Output Performance [C]//2014 IEEE 8th International Power Engineering and Optimization Conference(PEOCO2014,Langkawi,The Jewel of Kedah,Malaysia,2014.

[3]PVsyst 6.42[EB/OL].http://www.pvsyst.com/

[4]Tom Markvart,Luis Casta?erb,“Chapter IA-1-Principles of Solar Cell Operation”in Solar CellsMaterials,Manufacture and Operation(Second Edition)[M].Elsevier Science Ltd,2013.

[5]劉恩科,朱秉升,羅晉生.半導體物理學[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

[6]Caballero L J,Isofoton S A,Sánchez-Friera P,et al.Series resistance modelling of industrial screen -printed monocrystalline silicon solar cells and modules including the effect of spot soldering[J].IEEE Solar Cell Processing,2006.

（責任編輯：陳 輝）

Simulation Analysis of the Photovoltaic Output Performance Based on PVsyst

XIAO You-peng
（College of Mechanical Engineering,Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China）

The PVsyst software was used to simulate and analyze the effect of light intensity,temperature and series resistance on the output performance included I-V characteristics,P-V characteristics and conversion efficiency.The simulation results show that the output of PV module has non-linear features,with change of the light intensity,temperature and series resistance,the short-circuit current,open-circuit voltage,maximum power point?(MPP)and conversion efficiency vary differently.The simulation results are helpful to implement photovoltaic system’s maximum power point tracking (MPPT),so as to improve the conversion efficiency and maximize the utilization rate of the PV module.

output performance;PVsyst;light intensity;temperature;series resistance

TM615

A

123(2015)01-0030-04

2014-06-19

肖友鵬（1979-），男，江西萍鄉(xiāng)人，江西科技學院機械工程學院，講師，碩士。研究方向：光伏材料與器件。