太陽電池光伏組件旁路二極管檢測方法的探討

焦黎斌， 王 男， 李 釧

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

太陽電池光伏組件旁路二極管檢測方法的探討

焦黎斌， 王 男， 李 釧

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

太陽電池陣是衛(wèi)星的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)為整星在光照期供電和為儲(chǔ)能裝置充電，太陽電池陣的質(zhì)量和可靠性直接決定著衛(wèi)星的可靠性，提出了針對(duì)目前廣泛使用的高效率三結(jié)砷化鎵太陽電池陣的旁路二極管的檢測方法，通過遮擋電池片的方法檢測太陽電池陣列的I-V曲線，判斷旁路二極管的好壞。

太陽電池陣；旁路二極管；I-V曲線

在整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)中，電源系統(tǒng)承擔(dān)著重要的角色，其中太陽電池陣更是重中之重，負(fù)責(zé)在光照期為負(fù)載供電，同時(shí)為衛(wèi)星電源儲(chǔ)能裝置充電。

太陽電池片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星供電系統(tǒng)，太陽電池陣的可靠性直接關(guān)系到衛(wèi)星發(fā)射的成敗，在目前衛(wèi)星太陽電池陣驗(yàn)收時(shí)只針對(duì)太陽電池陣的輸出隔離二極管性能進(jìn)行檢查，對(duì)集成于太陽電池片上的三結(jié)砷化鎵旁路二極管未進(jìn)行測試，由于旁路二極管的存在，當(dāng)某個(gè)太陽電池片被遮擋或出出現(xiàn)故障時(shí)，該二極管兩端形成正向偏壓，不會(huì)阻礙其它組件的工作而導(dǎo)致整串太陽電池陣損失。根據(jù)三結(jié)砷化鎵太陽電池陣工作原理，當(dāng)一片電池片受到遮擋時(shí)，整個(gè)太陽電池陣組件輸出的I-V曲線會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)I-V曲線的變化判斷旁路二極管是否正常工作。針對(duì)這種情況，同時(shí)結(jié)合FY-2太陽電池陣的實(shí)際情況，對(duì)三結(jié)砷化鎵太陽電池陣的旁路二極管的檢測方法進(jìn)行探討。

1 三結(jié)砷化鎵太陽電池陣等效電路分析

1.1 太陽電池陣等效電路

目前衛(wèi)星太陽電池陣上的每一片三結(jié)砷化鎵太陽電池片都并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，當(dāng)太陽電池片被遮擋或電池片開路時(shí)，整個(gè)光伏組件的電流可以通過旁路二極管繼續(xù)為整星供電，只損失一片太陽電池片的功率輸出。圖1為太陽電池陣等效電路圖[1]。

太陽電池陣正常工作時(shí)，輸出近似于恒流源，太陽電池片由光生電源、二極管、串聯(lián)電阻s、并聯(lián)內(nèi)阻p等組成，太陽電池的I-V特性曲線與太陽輻射強(qiáng)度、電池溫度有著密切關(guān)系，即=(,,)，從等效電路中可以得出：

圖1 太陽電池組件等效電路示意圖

由圖1可以得出流過并聯(lián)電阻的電流：

1.2 三結(jié)砷化鎵太陽電池片旁路二極管遮擋測試原理

三結(jié)砷化鎵太陽電池片的旁路二極管在電池片發(fā)生開路時(shí)，可以使得電流通過旁路二極管流過，不會(huì)由于單片故障而造成整串電池?zé)o輸出，同時(shí)也避免了由于遮擋而造成的被遮擋電池片過熱而產(chǎn)生的熱斑現(xiàn)象，因此旁路二極管的好壞至關(guān)重要。在均勻光照強(qiáng)度下，太陽電池組件的I-V特性曲線呈膝形，如圖2所示，此時(shí)旁路二極管不工作。

圖2 太陽電池陣均勻光照強(qiáng)度下I-V曲線

當(dāng)太陽電池組件被遮擋或光照強(qiáng)度不均勻時(shí)，其I-V特性曲線會(huì)出現(xiàn)階梯狀變化，但趨勢(shì)仍為膝形，此時(shí)旁路二極管工作。下面以兩串太陽電池組件為例進(jìn)行分析。

如圖3所示，假設(shè)電池組件的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)一致，在均勻光照強(qiáng)度條件下，兩路電池組件工作電流相同，旁路二極管反向電壓，處于阻斷狀態(tài)，此時(shí)整串太陽電池組件輸出I-V曲線仍為圖3形式[2]。

圖3 帶有旁路二極管的三結(jié)砷化鎵電池片串聯(lián)模型

從公式計(jì)算上來分析，將式(2)、(3)帶入式(1)可得：

當(dāng)太陽電池組件被遮擋或者開路故障時(shí)，兩片太陽電池組件輸出狀態(tài)不同，假設(shè)太陽電池組件1受到遮擋或者開路故障，那么狀態(tài)如下：

(1)假設(shè)不存在旁路二極管，太陽電池組件被完全遮擋或者開路故障時(shí)，光生電流s=0，那么當(dāng)電池片兩端電壓小于電池組件二極管雪崩電壓時(shí)，電池組件二極管處于阻斷狀態(tài)，同時(shí)由于太陽電池片并聯(lián)電阻很大可以近似于0，整個(gè)串聯(lián)電路相當(dāng)于斷路狀態(tài)，沒有輸出。

(2)假設(shè)存在旁路二極管，當(dāng)電池片發(fā)生完全遮擋或者開路故障時(shí)，電流可以從旁路二極管通過，此時(shí)整串太陽電池組件輸出I-V曲線仍為圖2形式，但輸出電壓較低(電壓差為一個(gè)電池片輸出電壓)。由式(4)可得整個(gè)太陽電池串輸出的I-V特性曲線如式(5)：

即第二片太陽電池片輸出的I-V特性曲線與第一片太陽電池片旁路二極管的電壓的疊加。

(3)假設(shè)存在旁路二極管，電池片1發(fā)生遮擋時(shí)，那么兩個(gè)太陽電池組件輸出電流1<2，當(dāng)輸出端負(fù)載較小，太陽電池組件輸出電流較大，由于1<2，太陽電池組件1的旁路二極管兩端形成正向偏壓，此時(shí)旁路二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，只有太陽電池組件2對(duì)外輸出功率，整串太陽電池組件輸出的I-V曲線與單獨(dú)太陽電池組件2的I-V輸出曲線相同，輸出I-V特性曲線見式(5)。

隨著輸出端負(fù)載電阻的增大，太陽電池組件2輸出電流逐漸減小，當(dāng)太陽電池組件2的輸出電流與太陽電池組件1的輸出電流相等時(shí)，旁路二極管兩端的電壓呈反向偏壓，旁路二極管處于斷開狀態(tài)，此時(shí)太陽電池組件1和太陽電池組件2共同對(duì)外輸出功率，其I-V曲線為這種狀態(tài)下兩個(gè)太陽電池組件的串聯(lián)疊加。此時(shí)輸出I-V特性曲線如式(6)。

圖4為正常狀態(tài)下和遮擋狀態(tài)下太陽電池組件I-V曲線。

圖4 正常狀態(tài)下和遮擋狀態(tài)下太陽電池組件I-V曲線

圖4中曲線1表示正常狀態(tài)下單個(gè)太陽電池組件1、2的I-V曲線，曲線2表示遮擋狀態(tài)下太陽電池組件1的I-V曲線，曲線3表示太陽電池組件1遮擋狀態(tài)下整個(gè)串聯(lián)組件的I-V曲線，曲線4表示正常狀態(tài)下整組串聯(lián)太陽電池組件的I-V曲線。

由此可以看出當(dāng)整個(gè)串聯(lián)太陽電池組件未受遮擋，光照均勻時(shí)，太陽電池陣輸出I-V曲線為兩個(gè)正常狀態(tài)下獨(dú)立I-V曲線的疊加，即電流值不變，電壓值增加；當(dāng)由于一片太陽電池組件受到遮擋時(shí)，在小負(fù)載狀態(tài)下，太陽電池陣輸出I-V曲線與單獨(dú)的未受到遮擋的太陽電池組件的I-V曲線近似；在大負(fù)載狀態(tài)下，太陽電池陣輸出I-V曲線為兩個(gè)受遮擋狀態(tài)下太陽電池組件的I-V曲線疊加。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證情況

通過上面的分析，可以看出在有遮擋或者太陽電池組件開路狀態(tài)下，太陽電池陣的輸出I-V特性曲線會(huì)發(fā)生變化，其變化是有規(guī)律的，根據(jù)受遮擋的情況而呈階梯狀。根據(jù)這個(gè)原理，可以檢測太陽電池陣旁路二極管的好壞狀態(tài)。針對(duì)這種情況對(duì)FY-2衛(wèi)星三結(jié)砷化鎵太陽電池陣進(jìn)行檢查，檢查狀態(tài)下太陽電池陣輸出I-V曲線如圖5～圖8所示。太陽電池陣輸出I-V特性曲線規(guī)律與分析一致，與遮擋的多少有關(guān)系，遮擋fffb60個(gè)太陽電池片即會(huì)出現(xiàn)fffb5f個(gè)階梯狀態(tài)。

圖5 未受遮擋太V陽/V電池陣輸出I-V曲線

圖6 遮擋一片狀態(tài)下太陽電池陣輸出I-V曲線

3 結(jié)論

上述方法以太陽電池陣輸出I-V特性曲線為基礎(chǔ)，對(duì)其理論進(jìn)行了詳盡分析，可以測試集成于太陽電池片上的三結(jié)砷化鎵旁路二極管，同時(shí)針對(duì)FY-2衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，測試方法可行。

圖7 遮擋二片狀態(tài)下太陽電池陣輸出I-V曲線

圖8 遮擋三片狀態(tài)下太陽電池陣輸出I-V曲線

[1]陳如亮，崔巖，李大勇，等.光照不均勻情況下光伏組件仿真模型的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20(7):1681-1685.

[2]翟載騰，程曉舫，丁金磊，等.被部分遮擋的串聯(lián)光伏組件輸出特性[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,39(4):398-402.

Research of controller of solar array simulator base on Labview

Solar Array Simulator was key part of the satellite,and the power of the whole satellite was supplied by it, also the energy was charged by it.The realibility of the satellite was decided by the quality and realibility of Solar Array Simulator.The Controller Systom of the Solar Array Simulator based on the Labview was proposed.The testing of I-V curves was done through the method of the batteries cell's shelter, and then the stand or fall of Controller Systom was determined.

solar array simulator;controller system;Labview expansibility

TM 914

A

1002-087 X(2015)10-2182-02

2015-07-31

焦黎斌(1984—)，男，甘肅省人，工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g電源系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品的研究、設(shè)計(jì)和管理。