光伏错配特性仿真模型和实验研究

【摘 要】为了减小光伏错配对光伏电池功率的耗散，尤其是热斑效应，建立光伏电池实际等效电路的理论模型，考虑光伏电池组件光照、串联电阻对输出特性的影响，对光伏电池组件不一致性进行输出采样，旁路二极管对光伏电池的影响进行仿真和电路性能检测。发现了旁路二极管数目变化与光伏电池效率的相关性。

【关键词】光伏错配 热斑效应 旁路二极管 功率耗散

光伏电池遇到灰尘、树木的影响造成阴影，同时光伏电池自身的老化和损坏都会造成光伏电池输出特性的降低。在由伏安特性差异大的光伏电池构成的串联阵列中，在接近短路电流处，可能造成光伏电池焊接处的融化。因此研究光伏电池组件的串并联错配的特性，提高光伏电池错配的性能，显得尤为重要。

1 光伏电池的数学模型

光伏电池中流过的电流与加在二极管两端的电压之间的关系是光伏电池的U-I特性。光伏电池的U-I特性类似于二极管的U-I特性曲线。光伏电池电压是由光生伏特效应产生的。图1示出光伏电池的U-I特性。

图1 光伏电池的等效电路

考虑到光伏电池的电阻效应可以影响电池的发电效率，串联电阻通路流过的电流是Ish。光伏电池的伏安特性曲线是光生电流和二极管暗电流以及串联电阻耗散电流的叠加。

2光伏电池串联错配

2.1短路电流变化的影响

光伏电池板是由多块光伏电池片构成的，当各个电池片性能不相同时，互相串联的电池片就产生了错配。实验中，用2块电池板串联使用测试数据。电池板A开路电压22.1V，短路电流5.2A，Pmax=87.0W。如果选用电池板A和电池板B进行串联连接，电池板B只有短路电流参数发生改变，其他各参数如开路电压、温度、光照等都保持不变。表1示出光伏电池性能不同对电池各参数的影响。

对于2块性能相同的电池板，在光照强度1000W/m2，温度为25。C得到2块电池板串联的最大功率点是175W。当电池下降程度严重时，最大功率损失会很严重。光伏电池会工作在反向偏置工作状态，产生热斑效应，加速对电池的损坏。

2.2串联电阻变化的影响

光伏组件的I-U特性曲线在短路电流处差异很小，在最大功率点范围内曲线变化较大。内阻Rs越小，最大功率点越大；内阻Rs越大，最大功率点越小。串联电阻越大，在开路电压附近与理想光伏电池I-U特性曲线相近，具有较好的稳压特性。图2示出串联电阻Rs对光伏电池I-U特性的影响。

图2 Rs对光伏电池I-U特性的影响

3旁路二极管对光伏电池特性的影响

3.1反向偏置状态下光伏电池的I-U曲线

光伏电池加上反向电压时，反向电流数值很小。当反向电压超过某一电压时，反向电流将迅速变大。串联电路出现错配，就意味着单片电池最小电流决定串联组件的电流数值。单片电池处于反向偏压状态时，可能引起局部过热效应。严重时会造成光伏电池组件的损坏。图3示出光伏电池反向偏压的伏安特性曲线。

图3 光伏电池反向偏压的伏安特性曲线

在电流匹配的情况下，旁路二极管对电池组件没有任何影响。当光伏电池处于反向偏压时，旁路二极管对光伏电池片产生作用，旁路二极管导通，电流不经过单个光伏电池，而是流过旁路二极管。

3.2所加旁路二极管数目对功率输出效率的影响

在串联电池短路电流错配下，可以使用旁路二极管与光伏电池并联。当有一节电池发生电流错配时，此问题电池被反向偏置，那么正常电池的电流就会流向旁路二极管电路。由36块电池片组成的光伏组件，分别并联0、3、9、18、36个旁路二极管，假定有一块电池短路电流下降为一半。只要串联电池中有电池性能下降，导致电压反向偏置，则正常电池发电电流导通旁路二极管，使电流通过。实验结果得出表2旁路二极管个数和功率输出效率的关系。

由表2可以得知，当光伏组件中每一块电池片都并联旁路二极管时，即使发生错配，功率输出效率高达98.%。考虑到光伏组件并联3―6个旁路二极管，功率输出效率达到83.3%―91.7%，每个光伏电池片都并联二极管，成本增高。因此，在光伏组件中并联3―6个旁路二极管是效率最合理的选择。

4结语

当光伏电池短路电流下降时，电池阵列出现串联错配。串联错配会带来较大的功率下降。光伏电池反向偏置时，光伏电池短路电流小于要通过的电流，旁路二极管导通，保护了性能下降的电池，避免了功率的耗散，尤其是热斑效应。旁路二极管对光伏电池有较好的保护作用。

参考文献：

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