太陽能光伏電池發(fā)電性能影響因子研究

丁文龍 常靜

摘要：以光伏系統(tǒng)模擬軟件為平臺，利用PVsyst仿真軟件對在旁路二極管不同數(shù)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(fā)電供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在自然環(huán)境和恒阻發(fā)熱負(fù)荷條件下，分析研究光伏電池本身溫度對發(fā)電性能的影響。

關(guān)鍵詞：光伏電池;旁路二極管;陰影率;輸出特性;溫度;光電轉(zhuǎn)化效率

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

目前，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，越來越多的光伏發(fā)電用戶開始關(guān)注光伏電池的發(fā)電性能，并開始探索如何提升光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。而影響光伏電池發(fā)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(qiáng)度、旁路二極管數(shù)量等。

近年來對影響光伏電池發(fā)電性能因子的研究較多，例如：描述當(dāng)光伏組件部分電池被遮擋時(shí)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(huán)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(zhuǎn)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(yùn)用PVsyst（專業(yè)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真軟件）仿真研究旁路二極管數(shù)量和光伏組件個(gè)別電池遮擋率對光伏組件發(fā)電性能的影響;并通過光伏發(fā)電供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在自然環(huán)境和恒阻負(fù)荷的條件下，分析研究光伏電池本身溫度對發(fā)電性能的影響。

1 光伏電池模型

根據(jù)相關(guān)的電子學(xué)理論，得出光伏電池的等效電路（如圖1所示）。

2 個(gè)別電池被遮擋對組件發(fā)電性能影響的模擬研究

以光伏發(fā)電系統(tǒng)常用的60個(gè)單體電池串聯(lián)構(gòu)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(shù)見表1。

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

2.1 旁路二極管對組件發(fā)電性能的影響

如果光伏組件中個(gè)別電池被嚴(yán)重遮擋且不能發(fā)電，則被遮擋電池會承受反向電壓，旁路二極管導(dǎo)通，未被遮擋電池產(chǎn)生的電流流過旁路二極管，確保光伏組件仍可發(fā)電，不會由于個(gè)別電池出現(xiàn)問題導(dǎo)致發(fā)電電路斷路的故障。

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

由圖2和圖3可以看出：當(dāng)光伏組件表面光照強(qiáng)度、組件溫度、個(gè)別電池片陰影率一定時(shí)，隨著光伏組件并聯(lián)旁路二極管數(shù)量增加，光伏組件最大功率點(diǎn)功率明顯提升，且功率損失下降顯著?？梢?，增加光伏組件并聯(lián)旁路二極管數(shù)量，對于個(gè)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(shè)置光伏組件表面光照強(qiáng)度S為1 000 W/m2，組件溫度T為25 ℃，光伏組件中單個(gè)電池遮擋率為90%，光伏組件并聯(lián)旁路二極管數(shù)量、組件最大功率點(diǎn)功率Pm、組件功率損失率關(guān)系見表2。

由表2可知：隨旁路二極管數(shù)量增加，光伏組件最大功率點(diǎn)功率顯著增加，但功率增加速度逐漸緩慢?？梢姡_定光伏組件旁路二極管數(shù)量要考慮成本效益問題。

2.2 個(gè)別電池遮擋率對組件發(fā)電性能的影響

1） 本課題在PVsyst工具箱中設(shè)置光伏組件表面光照強(qiáng)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(gè)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(guān)系見表3。

由表3可知：當(dāng)光伏組件無旁路二極管時(shí)，隨著個(gè)別電池片遮擋率升高，光伏組件最大功率點(diǎn)功率迅速下降。可見，光伏組件無并聯(lián)旁路二極管時(shí)，個(gè)別電池被遮擋會嚴(yán)重影響整個(gè)光伏組件的功率輸出，從而進(jìn)一步影響光伏組串的功率輸出。

2） 本課題在PVsyst工具箱中設(shè)置光伏組件表面光照強(qiáng)度S為1 000 W/m2，組件溫度T為25 ℃，組件并聯(lián)旁路二極管數(shù)量分別為0，2，4，6，10，對單塊光伏組件中的單個(gè)電池遮擋率η、光伏組件最大功率點(diǎn)功率Pm特性進(jìn)行模擬預(yù)測仿真，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出：當(dāng)光伏組件并聯(lián)旁路二極管數(shù)量大于等于2時(shí)，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(diǎn)功率Pm降低。當(dāng)電池片遮擋率達(dá)到曲線拐點(diǎn)時(shí)，被遮擋電池所在的支路旁路二極管承受反向電壓并導(dǎo)通。此時(shí)，被遮擋電池所在支路被短路，未被遮擋電池產(chǎn)生的電流從旁路二極管流過;被遮擋電池不再影響整個(gè)組件的功率輸出，光伏組件最大功率點(diǎn)功率Pm最終保持恒定。

3 光伏電池本身溫度對發(fā)電性能影響的試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方法

在恒阻發(fā)熱負(fù)荷下研究分析光伏電池本身溫度對其發(fā)電性能的影響。光伏發(fā)電供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電源采用多晶硅光伏電池組件，其技術(shù)參數(shù)見表4。

于2018年3—8月進(jìn)行連續(xù)測試，獲取電池本身溫度、光伏電池表面光照強(qiáng)度、輸出電壓、輸出電流等數(shù)據(jù)。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(qiáng)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(qiáng)度。3） 輸出電壓、電流測定。利用DC標(biāo)準(zhǔn)電壓表和標(biāo)準(zhǔn)電流表，同時(shí)測定光伏電池輸出電壓、輸出電流。

3.2 ? 數(shù)據(jù)分析

選取4個(gè)溫度范圍，分別為23～28 ℃，33～38 ℃，43～48 ℃，53～58 ℃，測定不同溫度范圍內(nèi)光伏電池表面的光照強(qiáng)度和對應(yīng)電壓、電流數(shù)據(jù)。光照強(qiáng)度—電壓特性如圖6所示，光照強(qiáng)度—電流特性如圖7所示。

由圖6和圖7可以看出：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光伏組件連接恒阻發(fā)熱負(fù)荷，在相同光照強(qiáng)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(jié)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(shù)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(fā)電供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在自然環(huán)境和恒阻發(fā)熱負(fù)荷條件下分析光伏電池本身溫度對發(fā)電性能的影響，結(jié)論如下：

1） 當(dāng)光伏組件個(gè)別電池被遮擋時(shí)，隨旁路二極管數(shù)量的增加，光伏組件功率損失減小;當(dāng)光伏組件無旁路二極管時(shí)，隨組件個(gè)別電池遮擋率的升高，光伏組件輸出功率持續(xù)降低?？梢?，光伏組件并聯(lián)旁路二極管數(shù)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(shù)量需要考慮組件成本及效益問題。

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

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

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡冬陽，袁越，王敏，等.基于DIgSILENT的光伏電池雙二極管反向模型研究[J].電源技術(shù)，2014，38（4）：700-703.

[2] VENKATESWARLU G，RAJU P.Simulink based model of photovoltaic cell[J].International Journal of Modern Engineering Research，2012，2（4）：2 668-2 671.

[3] RAMABADRAN R，MATHUR B.Effect of shading on series and parallel connected solar PV modules[J].Modern Applied Science，2009，3（10）：32-41.

[4] ALONSO-GARCIA M.C，RUIZ J.M，Chenlo F.Experimental study of mismatch and shading effects in the I-V characteristic of a photovoltaic module[J].Solar Energy Materials and Solar Cells，2006，90（3）：329-340.

[5] 柴亞盼，金新民，童亦斌.局部遮擋下光伏陣列的建模與仿真研究[J].電測與儀表，2013，50（12）：17-20.

[6] 徐保友，黃摯雄，焦曉雷.局部陰影下光伏陣列的建模與仿真分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（4）：73-76.

[7] 吳國盛.太陽能電池的溫度和光強(qiáng)特性研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2013.

[8] 褚玉芳，陳維，沈輝.熱性能對晶體硅太陽能電池的效率影響研究[J].宜春學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，31（4）：10-13.

[9] 趙福鑫，魏彥章.太陽電池及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1985.

[10] 何道清，何濤，丁宏林.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[11] 李善壽，張興，謝東，等.陰影條件下光伏組件旁路二極管優(yōu)化配置研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2013，34（10）：1 768-1 774.

[12] 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.

[13] M.C.ALON SO-GARCIA，J.M.RUIZ，F(xiàn).C HEN LO.Experimental study of mismatch and sh ading effects in the I-V characteristic of a photovoltaic module[J].Solar Energy Materials & SolarCells，2006，90（3）：329-340.