太阳能光伏电池发电性能影响因子研究

丁文龙 常静

摘要：以光伏系统模拟软件为平台，利用PVsyst仿真软件对在旁路二极管不同数量、局部电池不同遮挡率情况下模拟仿真光伏组件输出特性。并通过光伏发电供暖实验系统，在自然环境和恒阻发热负荷条件下，分析研究光伏电池本身温度对发电性能的影响。

关键词：光伏电池;旁路二极管;阴影率;输出特性;温度;光电转化效率

中图分类号：TM914.4    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2019）03-0071-05

目前，分布式光伏发电系统已得到广泛应用，越来越多的光伏发电用户开始关注光伏电池的发电性能，并开始探索如何提升光伏系统的发电量。而影响光伏电池发电性能的因素很多，如光伏电池温度、光伏电池表面积灰密度、光照强度、旁路二极管数量等。

近年来对影响光伏电池发电性能因子的研究较多，例如：描述当光伏组件部分电池被遮挡时电池反向击穿的危害后果和光伏电池的反向特性;利用MATLAB组建光伏电池仿真模型，模擬光伏电池的正、反向特性和不同环境条件下的输出特性;研究光伏电池温升率对开路电压、短路电流的影响作用;通过MATLAB模拟光伏电池温度对短路电流、开路电压、光电转化效率限值的影响;从光伏电池材料物理特性视角，在理想条件下研究温度对其输出特性的影响。本课题运用PVsyst（专业光伏发电系统设计仿真软件）仿真研究旁路二极管数量和光伏组件个别电池遮挡率对光伏组件发电性能的影响;并通过光伏发电供暖实验系统，在自然环境和恒阻负荷的条件下，分析研究光伏电池本身温度对发电性能的影响。

1 光伏电池模型

根据相关的电子学理论，得出光伏电池的等效电路（如图1所示）。

2 个别电池被遮挡对组件发电性能影响的模拟研究

以光伏发电系统常用的60个单体电池串联构成的光伏组件（如天合光能有限公司的TSM250-PDG5）为研究对象，仿真参数见表1。

利用PVsyst软件工具箱分别对旁路二极管数量和光伏组件局部电池遮挡率对光伏组件发电性能的影响进行仿真研究。

2.1 旁路二极管对组件发电性能的影响

如果光伏组件中个别电池被严重遮挡且不能发电，则被遮挡电池会承受反向电压，旁路二极管导通，未被遮挡电池产生的电流流过旁路二极管，确保光伏组件仍可发电，不会由于个别电池出现问题导致发电电路断路的故障。

本课题在PVsyst软件工具箱里设置光伏组件表面光照强度S为1 000 W/m2，光伏组件温度T为25 ℃，单个光伏组件中的单块电池遮挡率为90%;当光伏组件分别并联0，2，4，6个旁路二极管（即无旁路二极管、每30块电池片并联1个、每15块并联1个、每10块并联1个）时，仿真模拟光伏组件的U—I输出特性和U—P输出特性，结果如图2和图3所示。

由图2和图3可以看出：当光伏组件表面光照强度、组件温度、个别电池片阴影率一定时，随着光伏组件并联旁路二极管数量增加，光伏组件最大功率点功率明显提升，且功率损失下降显著。可见，增加光伏组件并联旁路二极管数量，对于个别电池被遮挡的光伏组件的功率损耗具有显著降低作用。

本课题在PVsyst软件工具箱中设置光伏组件表面光照强度S为1 000 W/m2，组件温度T为25 ℃，光伏组件中单个电池遮挡率为90%，光伏组件并联旁路二极管数量、组件最大功率点功率Pm、组件功率损失率关系见表2。

由表2可知：随旁路二极管数量增加，光伏组件最大功率点功率显著增加，但功率增加速度逐渐缓慢。可见，确定光伏组件旁路二极管数量要考虑成本效益问题。

2.2 个别电池遮挡率对组件发电性能的影响

1） 本课题在PVsyst工具箱中设置光伏组件表面光照强度S为1 000 W/m2，光伏组件温度T为25 ℃，组件无旁路二极管，单个光伏组件中的单块电池遮挡率η、组件最大输出功率Pm、组件功率损失率关系见表3。

由表3可知：当光伏组件无旁路二极管时，随着个别电池片遮挡率升高，光伏组件最大功率点功率迅速下降。可见，光伏组件无并联旁路二极管时，个别电池被遮挡会严重影响整个光伏组件的功率输出，从而进一步影响光伏组串的功率输出。

2） 本课题在PVsyst工具箱中设置光伏组件表面光照强度S为1 000 W/m2，组件温度T为25 ℃，组件并联旁路二极管数量分别为0，2，4，6，10，对单块光伏组件中的单个电池遮挡率η、光伏组件最大功率点功率Pm特性进行模拟预测仿真，结果如图4所示。

由图4可以看出：当光伏组件并联旁路二极管数量大于等于2时，随着光伏组件中单块电池遮挡率升高，光伏组件最大功率点功率Pm降低。当电池片遮挡率达到曲线拐点时，被遮挡电池所在的支路旁路二极管承受反向电压并导通。此时，被遮挡电池所在支路被短路，未被遮挡电池产生的电流从旁路二极管流过;被遮挡电池不再影响整个组件的功率输出，光伏组件最大功率点功率Pm最终保持恒定。

3 光伏电池本身温度对发电性能影响的试验研究

3.1 试验方法

在恒阻发热负荷下研究分析光伏电池本身温度对其发电性能的影响。光伏发电供暖实验系统如图5所示，实验系统电源采用多晶硅光伏电池组件，其技术参数见表4。

于2018年3—8月进行连续测试，获取电池本身温度、光伏电池表面光照强度、输出电压、输出电流等数据。1） 温度测定。采用专用温度记录仪测定记录光伏电池本身温度。2） 光照强度测定。采用专用太阳能功率表测定光伏组件表面的光照强度。3） 输出电压、电流测定。利用DC标准电压表和标准电流表，同时测定光伏电池输出电压、输出电流。

3.2   数据分析

选取4个温度范围，分别为23～28 ℃，33～38 ℃，43～48 ℃，53～58 ℃，测定不同温度范围内光伏电池表面的光照强度和对应电压、电流数据。光照强度—电压特性如图6所示，光照强度—电流特性如图7所示。

由图6和图7可以看出：实验系统光伏组件连接恒阻发热负荷，在相同光照强度条件下，随着光伏组件本身温度的升高，光伏组件的输出电压、输出电流显著减小。因此光伏电池本身温度的升高会明显抑制输出电压、电流。

4 结论

以250Wp多晶硅光伏电池组件为研究对象，利用PVsyst仿真软件对在旁路二极管不同数量、局部电池不同遮挡率情况下模拟仿真光伏组件输出特性，并通过光伏发电供暖实验系统，在自然环境和恒阻发热负荷条件下分析光伏电池本身温度对发电性能的影响，结论如下：

1） 当光伏组件个别电池被遮挡时，随旁路二极管数量的增加，光伏组件功率损失减小;当光伏组件无旁路二极管时，随组件个别电池遮挡率的升高，光伏组件输出功率持续降低。可见，光伏组件并联旁路二极管数量的增加对于降低存在局部遮挡的光伏组件功率损失具有显著作用，并且确定光伏组件旁路二极管数量需要考虑组件成本及效益问题。

2） 为了减少热斑效应给光伏组件带来的危害，应尽量采用带有并联旁路二极管的光伏组件。

3） 通过本课题试验研究可以看出光伏电池本身温度已对其发电性能造成了很大的负面影响，因此对光伏组件进行降温处理很有必要。

参考文献

[1] 蔡冬阳，袁越，王敏，等.基于DIgSILENT的光伏电池双二极管反向模型研究[J].电源技术，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.局部遮挡下光伏阵列的建模与仿真研究[J].电测与仪表，2013，50（12）：17-20.

[6] 徐保友，黄挚雄，焦晓雷.局部阴影下光伏阵列的建模与仿真分析[J].电网与清洁能源，2012，28（4）：73-76.

[7] 吴国盛.太阳能电池的温度和光强特性研究[D].太原：太原科技大学，2013.

[8] 褚玉芳，陈维，沈辉.热性能对晶体硅太阳能电池的效率影响研究[J].宜春学院学报，2009，31（4）：10-13.

[9] 赵福鑫，魏彦章.太阳电池及其应用[M].北京：国防工业出版社，1985.

[10] 何道清，何涛，丁宏林.太阳能光伏发电系统原理与应用技术[M].北京：化学工业出版社，2012.

[11] 李善寿，张兴，谢东，等.阴影条件下光伏组件旁路二极管优化配置研究[J].太阳能学报，2013，34（10）：1 768-1 774.

[12] 翟载腾，程晓舫，丁金磊，等.被部分遮挡的串联光伏组件输出特性[J].中国科学技术大学学报，2009，39（4）：398-402.

[13] M.C.ALON SO-GARCIA，J.M.RUIZ，F.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.