劉冬梅 方小坤

【摘 要】為了減小光伏錯配對光伏電池功率的耗散，尤其是熱斑效應(yīng)，建立光伏電池實際等效電路的理論模型，考慮光伏電池組件光照、串聯(lián)電阻對輸出特性的影響，對光伏電池組件不一致性進行輸出采樣，旁路二極管對光伏電池的影響進行仿真和電路性能檢測。發(fā)現(xiàn)了旁路二極管數(shù)目變化與光伏電池效率的相關(guān)性。

【關(guān)鍵詞】光伏錯配 熱斑效應(yīng) 旁路二極管 功率耗散

光伏電池遇到灰塵、樹木的影響造成陰影，同時光伏電池自身的老化和損壞都會造成光伏電池輸出特性的降低。在由伏安特性差異大的光伏電池構(gòu)成的串聯(lián)陣列中，在接近短路電流處，可能造成光伏電池焊接處的融化。因此研究光伏電池組件的串并聯(lián)錯配的特性，提高光伏電池錯配的性能，顯得尤為重要。

1 光伏電池的數(shù)學模型

光伏電池中流過的電流與加在二極管兩端的電壓之間的關(guān)系是光伏電池的U-I特性。光伏電池的U-I特性類似于二極管的U-I特性曲線。光伏電池電壓是由光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生的。圖1示出光伏電池的U-I特性。

圖1 光伏電池的等效電路

考慮到光伏電池的電阻效應(yīng)可以影響電池的發(fā)電效率，串聯(lián)電阻通路流過的電流是Ish。光伏電池的伏安特性曲線是光生電流和二極管暗電流以及串聯(lián)電阻耗散電流的疊加。

2光伏電池串聯(lián)錯配

2.1短路電流變化的影響

光伏電池板是由多塊光伏電池片構(gòu)成的，當各個電池片性能不相同時，互相串聯(lián)的電池片就產(chǎn)生了錯配。實驗中，用2塊電池板串聯(lián)使用測試數(shù)據(jù)。電池板A開路電壓22.1V，短路電流5.2A，Pmax=87.0W。如果選用電池板A和電池板B進行串聯(lián)連接，電池板B只有短路電流參數(shù)發(fā)生改變，其他各參數(shù)如開路電壓、溫度、光照等都保持不變。表1示出光伏電池性能不同對電池各參數(shù)的影響。

對于2塊性能相同的電池板，在光照強度1000W/m2，溫度為25。C得到2塊電池板串聯(lián)的最大功率點是175W。當電池下降程度嚴重時，最大功率損失會很嚴重。光伏電池會工作在反向偏置工作狀態(tài)，產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，加速對電池的損壞。

2.2串聯(lián)電阻變化的影響

光伏組件的I-U特性曲線在短路電流處差異很小，在最大功率點范圍內(nèi)曲線變化較大。內(nèi)阻Rs越小，最大功率點越大；內(nèi)阻Rs越大，最大功率點越小。串聯(lián)電阻越大，在開路電壓附近與理想光伏電池I-U特性曲線相近，具有較好的穩(wěn)壓特性。圖2示出串聯(lián)電阻Rs對光伏電池I-U特性的影響。

圖2 Rs對光伏電池I-U特性的影響

3旁路二極管對光伏電池特性的影響

3.1反向偏置狀態(tài)下光伏電池的I-U曲線

光伏電池加上反向電壓時，反向電流數(shù)值很小。當反向電壓超過某一電壓時，反向電流將迅速變大。串聯(lián)電路出現(xiàn)錯配，就意味著單片電池最小電流決定串聯(lián)組件的電流數(shù)值。單片電池處于反向偏壓狀態(tài)時，可能引起局部過熱效應(yīng)。嚴重時會造成光伏電池組件的損壞。圖3示出光伏電池反向偏壓的伏安特性曲線。

圖3 光伏電池反向偏壓的伏安特性曲線

在電流匹配的情況下，旁路二極管對電池組件沒有任何影響。當光伏電池處于反向偏壓時，旁路二極管對光伏電池片產(chǎn)生作用，旁路二極管導通，電流不經(jīng)過單個光伏電池，而是流過旁路二極管。

3.2所加旁路二極管數(shù)目對功率輸出效率的影響

在串聯(lián)電池短路電流錯配下，可以使用旁路二極管與光伏電池并聯(lián)。當有一節(jié)電池發(fā)生電流錯配時，此問題電池被反向偏置，那么正常電池的電流就會流向旁路二極管電路。由36塊電池片組成的光伏組件，分別并聯(lián)0、3、9、18、36個旁路二極管，假定有一塊電池短路電流下降為一半。只要串聯(lián)電池中有電池性能下降，導致電壓反向偏置，則正常電池發(fā)電電流導通旁路二極管，使電流通過。實驗結(jié)果得出表2旁路二極管個數(shù)和功率輸出效率的關(guān)系。

由表2可以得知，當光伏組件中每一塊電池片都并聯(lián)旁路二極管時，即使發(fā)生錯配，功率輸出效率高達98.%?？紤]到光伏組件并聯(lián)3—6個旁路二極管，功率輸出效率達到83.3%—91.7%，每個光伏電池片都并聯(lián)二極管，成本增高。因此，在光伏組件中并聯(lián)3—6個旁路二極管是效率最合理的選擇。

4結(jié)語

當光伏電池短路電流下降時，電池陣列出現(xiàn)串聯(lián)錯配。串聯(lián)錯配會帶來較大的功率下降。光伏電池反向偏置時，光伏電池短路電流小于要通過的電流，旁路二極管導通，保護了性能下降的電池，避免了功率的耗散，尤其是熱斑效應(yīng)。旁路二極管對光伏電池有較好的保護作用。

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