光伏组件带旁路二极管的太阳能组件遮挡特性的研究概要

带旁路二极管的太阳能组件遮挡特性研究

郭泽，徐林，彭小静，刘锋，杜丽芳

（上海交通大学物理系太阳能研究所, 上海 200240）

摘要：本文建立了带旁路二极管保护的太阳能电池组件的数学模型，研究了有遮挡发生或者组件失配时模型中的各个参数对I-V 曲线的影响，并结合实际分析了如何减小遮挡对带旁路二极管的组件的影响。关键词：旁路二极管、太阳电池组件、遮挡特性。

0 引言

晶体硅太阳电池组件的表面阴影、焊接不良及单体电池功率不匹配等因素是导致输出功

率降低的主要原因。在工业上，为了防止由以上原因造成的热斑效应和功率消耗，在组件制造时一般都会在每十几片串联的单片两端并上旁路二极管。这样做虽可减小组件的热斑效应，但同时也会使组件的整体性能出现畸变，最明显的就是体现在组件的IV 特性曲线上。

因此，研究带旁路二极管的太阳电池组件遮挡时的输出特性就变得十分有现实意义，可以为工业生产和科学研究提供帮助。

1各种失配情况模型建立及结果分析

带旁路二极管保护的太阳电池组件当发生遮挡或其他事故时会出现失配，其I-V 曲线会出现畸变，并会对最大功率造成影响。究竟是哪些原因影响着畸变的大小，怎样才能减小它对功率的影响呢？于是我们需要建立一个带旁路二极管保护的太阳电池组件的模型。而通过改变模型中一些参数的具体数值来分析这些参数对畸变的影响。由于各种组件和电池连接方式失配情况各有不同，所以需要分别建立不同的几个模型来进行考虑。 1、1 每片电池片都并联旁路二极管的情况 1、1、1 模型描述

一般的太阳能电池组件都是串联，因此，本文的模型采用11个太阳能电池单片串联的模型，其中，10个单片是正常的电池，而第11片电池则是模拟的受遮挡的电池，或者说是适配性不好的电池。而除了等效恒流源的电流之外这11个电池的其它参数是完全一样的，这是因为平时的组件各个单片经过分选都是基本相同的，而遮挡的情况只是影响到其等效的恒流源的大小。

具体到每个太阳电池单片的模型则是采用经典的也是用的最多的单指数模型。本来是每个单片都并联一个旁路二极管，但是考虑到只有遮挡的那个单片旁路二极管才有可能导通，所以其他10片单片的旁路二极管可以省略。于是得到如图一所示的模型图。

R

图一、有一个单片遮挡的模型图

Fig.1 one cell mismatch

根据模型中各个元件的数学表达式和电路图，可以列出如下关系式。

I =I L 1-I 0{exp[K 0(I 12*R P ]-1}-I 12

I =I 0{exp[K 0(I 24*R S -I 23*R P ]-1}+I L 2-I 0{exp[K 0(I 23*R P ]-1}-I 23I 24=I L 2-I 0{exp[K 0(I 23*R P ]-1}-I 23

R *I -10*R P *I 12+10*R S *I -R P *I 23+R S *I 24=0V =R *I

使用MAPLE 进行计算，使用以下参数作为计算：

每次改变其中一个参数的值，所得的结果进行作图比较，可以得出每种情况下的I-V 曲线。

1、1、2数据分析

根据上面所建立的模型分几种情况改变不同的参数进行计算可以得到下面的结果。 1、1、2、1遮挡程度与电池I-V 曲线的变化

2.5

2.0

I (A

1.5

1.0

0.5

0.0

-101234567

V(V

图二、各种遮挡程度下的IV 曲线

Fig.2 IV curve at different mismatch

参数I L 2是第

11个也就是带旁路二极管保护的单片的等效恒流源的电流值。由于它和

被遮挡程度是这个值的大小实际上就相当于太阳电池遮挡程度的大小，因此改变该参数就相当于改变遮挡程度。由图二可以看出，随着遮挡程度的增加，I-V 曲线的畸变会越来越大，对太阳电池的影响显然也越来越大。其中当参数等于2.4A 时也就是完全没遮挡时，正是一条正常的I-V 曲线。

该结果表明，即使安装了旁路二极管，仍然是单片遮挡范围越大对于整体组件的影响越大。这个结论很自然能想到的，因为旁路二极管并不能维持被遮挡电池的性能，它只是使电流从别处流走，使这片被遮挡的电池不再消耗其他电池产生的功率。 1、1、2、2 等效并联电阻与电池I-V 曲线的变化

2.5

2.0

1.5

I (A

1.0

0.5

0.0

-101234567

v(V

图三、各个等效并联电阻下的IV 曲线

Fig.3 IV curve at different

R P

参数R P 是太阳电池单片的等效并联电阻。由图三可以看出，随着等效并联电阻的增大，

整体I-V 曲线会变得更好，同时畸变也会变得更小。

该结果表明，工艺上如果把太阳能电池的等效并联电阻做大的话不仅能提高无遮挡时太阳电池的整体性能，同时也会提高发生遮挡时的太阳电池性能。 1、1、2、3 等效串联电阻与电池I-V 曲线的变化

2.5

2.0

1.5

I (A

1.0

0.5

0.0

-101234567

V(V

图四、各个等效串联电阻下的IV 曲线Fig4 IV curve at different

R S

参数R S 是太阳电池单片的等效串联电阻。由图四可以看出，随着等效并联电阻的减小，整体I-V 曲线会变得更好，同时畸变也会变得更小。

该结果表明，工艺上如果把太阳能电池的等效串联电阻做小的话不仅能提高无遮挡时太阳电池的整体性能，同时也会提高发生遮挡时的太阳电池性能。

1、1、

2、4 旁路二极管的反向饱和电流与I-V 曲线的变化

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 图五、各个反向饱和电流下的 IV 曲线 Fig5 IV curve at different I0 参数 I 0 是受遮挡的单片所并入的保护旁路二极管的反向饱和电流，该电流是旁路二极管的重要参数。由图五可以看出，该参数对电池的 IV 曲线影响不是很大，但是当这个值较大时曲线相对较好。 1、1、3 模型推广、、这个模型虽然只是带旁路二极管的单个太阳能单片遮挡的情况，但实际上，组件的等效电路和输出曲线和单片的所有特征都是一样的。因此这个模型可以适用于多个有旁路二极管的组件串联，其中有一块组件发生失配的情况。 1、2 多个单片并联一个旁路二极管的情况、 1、2、1 模型描述、、这种情况下的模型跟第一种情况的区别在于多个单片并联一个二极管，其中前面十个电池片参数彼此相同，并在旁路二极管内的十个电池片参数彼此相同，这十片电池片的输出电流比较小，相当于模拟串在一起的十片电池有遮挡的情况。如图六所示

I21 I L1 8个电池 IL2 I22 RS 8个电池 ... 。。。。。。。 ... 。。。。。。。

I11 I12 RP I 23 RP I R 图六、十片单片出现遮挡的模型 Fig6 ten cells mismatch 根据模型中的电路图可以列出如下关系式： I = I L1 I 0 {exp[ K 0 ( I 12 * RP ] 1} I 12 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 10 * RP * I 12 + 10 * RS * I 10 * RP * I 23 + 10 * RS * I 24 = 0 V = R*I 同样使用： RP 3.32ohm RS 0.008ohm I L1 2.4A I L2 1A I0 4* 10 8 K0 A 29.4 使用 maple 进行计算，得到的结果用 origin 进行分析可得如下图型。