鄒佳樸, 翟 涵, 吳子華, 謝華清

(1. 上海第二工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與材料工程學(xué)院,上海201209;2. 南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,南京210094)

0 引言

光伏電池是一種通過光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體薄片,其憑借材料來源廣泛,材料易獲得,運行穩(wěn)定、無污染,制作成本相對較低等優(yōu)點,目前在清潔能源市場上占主導(dǎo)地位[1-2]。光伏電池的輸出性能主要受材料性能、工作溫度及光照條件影響,其中光照條件是影響電池輸出性能的重要因素[3-4]。目前常用的硅太陽能電池由于自身材料特性,其組件在受到局部陰影遮擋時會出現(xiàn)光伏電池陰影效應(yīng),導(dǎo)致電池輸出功率明顯下降[5],且被遮擋的電池片會產(chǎn)生額外焦耳熱,在一定條件下出現(xiàn)熱斑現(xiàn)象[6-8]。該現(xiàn)象將進(jìn)一步降低硅太陽能電池的效率并縮短其工作壽命,嚴(yán)重時會不可逆地?fù)p壞光伏電池組件并引發(fā)光伏系統(tǒng)火災(zāi)[9]。因此在實際工作過程中,考慮到電池陰影等因素的影響,太陽能實際轉(zhuǎn)換效率還要下降20%左右[10]。數(shù)據(jù)表明,現(xiàn)有電池板效率或使用壽命每提升1%,整體上都能帶來約1 GW 的能量增加,相當(dāng)于每天能節(jié)省60 t 標(biāo)準(zhǔn)煤。因此, 研究陰影對光伏電池的影響規(guī)律至關(guān)重要,且具有潛在的商業(yè)價值[11-13]。

光伏組件在運行時,天氣變化和環(huán)境中的遮蔽物產(chǎn)生都會造成光伏電池組件表面出現(xiàn)陰影[14],通常天氣的改變產(chǎn)生的整體陰影會降低太陽能電池的總體入射光強(qiáng),使得光伏電池的輸出性能隨著光強(qiáng)下降而降低,且降低程度與光強(qiáng)存在一定比例關(guān)系[15-16],而由環(huán)境中遮蔽物在電池表面產(chǎn)生的局部陰影則會造成光伏陰影效應(yīng),明顯影響光伏電池模組的輸出性能[17]。相關(guān)研究表明,自然條件下光伏電池表面產(chǎn)生的陰影具有不同陰影面積和陰影分布,會對電池組件輸出性能產(chǎn)生不同影響[18-20], 其中陰影面積是影響光伏電池片的輸出性能的重要因素。Guti′errez 等[21]運用光伏電池簡化電路等效模型,通過數(shù)值計算研究了不同面積陰影對太陽能電池組件輸出性能的影響,計算結(jié)果表明,增大陰影覆蓋率會顯著改變太陽能電池組件的I-V曲線,使得電池片最大輸出電流降低從而降低電池片的最大輸出功率。Nguyen 等[22]運用一種基于自適應(yīng)重構(gòu)方案的分析方法,重點研究了電池板最大輸出功率與光伏電池陣列每列遮擋面積的關(guān)系,實驗結(jié)果表明,光伏電池陣列中串聯(lián)構(gòu)成的每一列被10%面積占比陰影遮擋時,會出現(xiàn)電流失配現(xiàn)象,最大輸出功率下降90%。除陰影面積外, 陰影在光伏電池表面分布是另一項影響光伏電池輸出性能的因素,研究表明,陰影分布對電池片的影響與電池片連接方式和受陰影遮擋電池片在電池模組中電路的位置有關(guān)。例如Lappalainen 等[23]通過MATLAB/Simulink 建模計算研究了相同陰影分布條件下,不同內(nèi)部電池連接方式的電池組件性能的變化,計算結(jié)果表明,3種不同連接方式有著不同的電池功率損耗,其中串聯(lián)最多的連接方式損耗最大。Zhu 等[24]運用了介電參數(shù)理論計算方法,對以串聯(lián)形式構(gòu)成的光伏電池組件進(jìn)行了不同陰影分布遮擋模擬計算實驗,實驗結(jié)果表明,存在兩種不同陰影分布情況,電池組件功率參數(shù)下降比率相近。Kazem 等[25]研究了不同陰影條件對由串并聯(lián)模組構(gòu)成光伏組件性能與溫度的影響,結(jié)果表明,相對于并聯(lián)模組而言,陰影遮擋會造成串聯(lián)模組輸出電壓明顯下降與溫度上升。因此,陰影分布對電池模組的影響不能單純理解為陰影在電池模組表面的位置變化造成的影響,應(yīng)歸結(jié)為陰影條件下電池模組自身電路構(gòu)成與受遮擋電池片在電池模組電路中位置對電池模組的影響。

基于以上分析可以得出,不同陰影條件會對光伏電池組件產(chǎn)生不同的影響,且光伏組件中串聯(lián)模組是造成陰影效應(yīng)的主要部分。然而, 目前相關(guān)研究主要集中在對光伏組件進(jìn)行輸出性能變化分析,缺乏對光伏電池陰影效應(yīng)作用下,電池模組中內(nèi)部電流分配的變化與其作用機(jī)理的研究?；诖? 本文對光伏串聯(lián)模組進(jìn)行了陰影實驗,并結(jié)合光伏電池等效電路進(jìn)行了相關(guān)物理機(jī)制分析。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗測試系統(tǒng)

實驗測試系統(tǒng)如圖1 所示,該系統(tǒng)主要儀器與部件包括單晶硅太陽能電池、太陽光模擬器、標(biāo)準(zhǔn)電阻、標(biāo)準(zhǔn)尺寸遮擋物與數(shù)據(jù)采集裝置。實驗定制了性能穩(wěn)定的商用單晶硅太陽能電池作為實驗對象,由同一片電池切割而成,性能相當(dāng)。將其與標(biāo)準(zhǔn)電阻(阻值1 Ω)連接構(gòu)成工作電路, 并對電池的輸出電流與溫度分布進(jìn)行測試從而研究光伏電池陰影效應(yīng)。光伏電池的光源由太陽光模擬器提供, 太陽光模擬器型號為Sirius-SS150A-L,能為電池模組提供穩(wěn)定的模擬太陽光源,以確保實驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。實驗使用的遮擋物由電火花自走式線切割機(jī)制成, 具有較高的尺寸精度, 用來覆蓋在電池表面設(shè)置好的薄膜上以制造尺寸確定的陰影,以便于后期數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)采集器的型號為Agilent34970A,測量誤差不超過0.1%,將數(shù)據(jù)采集器與電池模組與標(biāo)準(zhǔn)電阻構(gòu)成的電路連接,能實時測量電池模組的輸出電流。

圖1 實驗測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental testing system

1.2 測試方法

實驗測試使用的光伏電池串聯(lián)模組如圖2 所示,模組由兩塊性能接近的光伏電池片構(gòu)成,其中光伏電池A 與B 串聯(lián)連接, 光伏電池B 的負(fù)極與標(biāo)準(zhǔn)電阻連接,光伏電池A 的正極與數(shù)據(jù)采集器連接,模組中電流方向為光伏電池B 流向光伏電池A。實驗中分別使用了小面積遮擋物和大面積遮擋物對光伏電池片進(jìn)行遮擋,單個遮擋物占整個串聯(lián)模組總面積的比率分別為7.4%和18.1%,分別設(shè)計了8 種不同的遮擋條件進(jìn)行實驗,遮擋方式如圖3 所示,不同遮擋方式下的遮擋比率如表1 所示。實驗通過將標(biāo)準(zhǔn)尺寸的遮擋物覆蓋在電池片表面的方式來產(chǎn)生電池表面局部陰影條件,對光伏電池模組在不同陰影條件下電池電壓的變化與模組電流的變化進(jìn)行測試,來研究不同陰影條件對光伏電池模組性能的影響。先將電池模組與標(biāo)準(zhǔn)電阻和數(shù)據(jù)采集器連接構(gòu)成測試電路,打開太陽光模擬器并運行數(shù)據(jù)采集器對光伏電池輸出電流進(jìn)行測量; 待電池輸出電流穩(wěn)定后, 開始以每6 s 記錄一個數(shù)據(jù)點的形式記錄光伏電池片的輸出電流與電池模組中不同電池的電壓;30 s 后采用不同的遮擋方式將遮擋物放置在太陽能電池片表面的薄膜上,并繼續(xù)記錄數(shù)據(jù)30 s。文獻(xiàn)[26-27]中表明, 在光照條件穩(wěn)定時段如正午12:00～1:00 時段,光伏電池輸出功率變化很小,數(shù)值穩(wěn)定。由于室內(nèi)太陽光模擬器能持續(xù)提供穩(wěn)定的光源,因此將測試時間設(shè)定為60 s,在確保實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的同時提高實驗效率。

圖2 光伏電池串聯(lián)模組示意圖Fig.2 Schematic diagram of photovoltaic series module

圖3 不同遮擋方式示意圖Fig.3 Schematic diagrams of different shading mode

表1 不同遮擋方式與遮擋比率Tab.1 Different shading ratio under different shading mode

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同遮擋條件下電池模組輸出電流的變化

電池模組受不同陰影遮擋時, 輸出電流的變化如圖4 所示。由圖4(a) 可見, 電池模組在未被遮擋時輸出電流為96.3 mA, 在被小面積遮擋A片、B 片(遮擋比率7.4%) 和同時遮擋A、B 兩片(遮擋比率14.8%)時,輸出電流分別降為86.9、82.3和82.5 mA,下降比率分別為9.8%、14.5%、14.3%。大面積遮擋時, A4、A5 條件下遮擋比率為18.1%,A6 條件下遮擋比率為36.2%, 上述情況下輸出電流分別變?yōu)?6.3、62.9、63.4 mA, 下降比率分別為31.2%、34.7%、34.2%。通過實驗數(shù)據(jù)可以看出,在對串聯(lián)模組中的不同電池片進(jìn)行單片遮擋時,不同遮擋面積條件下,輸出電流下降比率總高于電池片的遮擋比率。并且,遮擋B 片較遮擋A 片輸出電流下降比率更大,且大面積遮擋較小面積遮擋不同電池片的差異更小。此外, 不同情況下等面積遮擋雙片的結(jié)果基本與單片遮擋B 片的結(jié)果一致,但雙片等面積遮擋時輸出電流的下降比率與遮擋比率相當(dāng)。在使用不同面積遮擋雙片時, 電池模組輸出電流變化情況與大面積遮擋電池的對比如圖4(c) 所示。在使用大面積和小面積遮擋物時,A7、A8 遮擋方式下電池模組電流分別為65.8 和63.1 mA,電流下降程度近似于遮擋方式A4、A5;通過數(shù)據(jù)對比分析可以得出,在不同面積遮擋電池模組中兩片電池時,電池模組電流下降程度相當(dāng)于較大面積的陰影的一側(cè)單片遮擋時的電流值。

圖4 不同遮擋條件下光伏電池模組輸出電流 (a)小面積遮擋(A1,A2,A3);(b)大面積遮擋(A4,A5,A6);(c)不同面積多片遮擋(A7,A8)與大面積遮擋(A4,A5)對比Fig.4 Output current of photovoltaic series module under different shadow conditions (a)small area shading(A1,A2,A3);(b)large area shading(A4,A5,A6);(c)comparison of different areas multichip shading(A7,A8)and large area shading(A4,A5)

2.2 不同陰影條件下電池模組中電池片電壓的變化

不同陰影條件下電池模組中電池片電壓的變化如圖5 所示。圖5(a)為不同遮擋條件下,光伏電池A電壓變化情況, 從圖中可以看出, 在A1、A4、A7遮擋條件下, 光伏電池A 的電壓由57.2 mV 分別變?yōu)?72.5、-206.6、-161.4 mV, 下降比率為226.7%、461.2%、382.2%。由此可見光伏電池A 的電壓明顯下降且變?yōu)樨?fù)值,即出現(xiàn)了電壓反偏的情況。反偏電壓的出現(xiàn)勢必會降低光伏電池模組的輸出性能,造成光伏電池功率損失[28],進(jìn)而導(dǎo)致額外的光伏電池輸出電流的下降。而A2、A5、A8 遮擋條件下,光伏電池A 出現(xiàn)了電壓升高的現(xiàn)象,電壓值由57.2 mV 分別升高到231.8、351.7、316.1 mV,升高比率為305.2%、514.9%、452.6%。A3 和A6 遮擋條件下, 光伏電池A 相較于其他遮擋情況有略微提升, 電壓分別為60.7 和63.5 mV, 分別升高了6.1%、11.0%。圖5(b) 為不同遮擋條件下, 光伏電池B 電壓變化情況,與光伏電池A 的電壓變化相反,A1、A4、A7 遮擋條件下, 光伏電池B 的電壓明顯升高, 由44.1 mV 升高至174.5、308.9、263.6 mV,升高比率為295.7%、600.5%、497.7%。而在A2、A5、A8 的遮擋條件下, 光伏電池B 的電壓下降至-130.1、-249.4、-214.8 mV, 下降比率為395.0%、665.5%、587.1%,均明顯高于A1、A4、A7條件時A 片的電壓下降比率,產(chǎn)生了更多的功率損失,造成單片遮擋B 片較遮擋A 片時, 模組的輸出電流更小。A3 與A6 條件下,電池電壓相較于其他遮擋情況稍有下降。結(jié)合以上實驗數(shù)據(jù), 可以得出陰影遮擋電池模組中單片時會導(dǎo)致遮擋后的電池片電壓降低, 未遮擋的電池片電壓升高。不同面積雙片遮擋時也會出現(xiàn)類似于單片遮擋的情形,而相同面積遮擋模組內(nèi)兩片電池則電壓變化不大。這表明電壓變化的原因取決于電池模組中各電池有效工作面積的差別。

圖5 模組內(nèi)部電池片兩端電壓 (a)光伏電池A;(b)光伏電池BFig.5 Voltage of cells in module (a) photovoltaic cell A; (b)photovoltaic cell B

2.3 實驗結(jié)果分析

以上實驗數(shù)據(jù)可以通過光伏電池Rsh等效電路來進(jìn)行分析[29],Rsh模型作為Rs模型[30]的改進(jìn)型,在電路模型中增加了代表電池內(nèi)部損耗的并聯(lián)電阻,具有更高的泛用性,適用于光伏電池陰影效應(yīng)的研究分析。該等效電路模型包含一個電流源、一個與電流源串聯(lián)的電阻、一個與電流源并聯(lián)的電阻和二極管。該模型等效電路圖如圖6 所示,其中IP為光伏電池光生電流;Io為流過等效二極管的電流;Ih為流過等效并聯(lián)電阻的電流;I為光伏電池輸出電流;Rsh和Rs分別為等效并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻。

圖6 光伏電池Rsh 等效電路圖Fig.6 Rsh equivalent circuit of photovoltaic cell

通過以上輸出電壓和電池電壓實驗數(shù)據(jù),并結(jié)合Rsh模型與基爾霍夫電流定律,可以得到該串聯(lián)電池模組的等效電路圖與內(nèi)部電流流向與分布情況如圖7 所示。

圖7(a)為電池模組未被遮擋或相同面積同時遮擋(A3, A6)時光伏電池模組等效電路與電流方向,其中不同電池內(nèi)部電路電流流向相同,不會出現(xiàn)反偏電壓與功率損失。圖7(b)為A2、A5 和A8 情況下該模組的等效電路,由于此時電池B 具有更低的有效工作面積,電池B 的光生電流相對于電池降低,電池B 的輸出電流IB1小于電池A 的輸出電流IA1,相當(dāng)于出現(xiàn)了兩個不同電流源串聯(lián)的情況。為滿足基爾霍夫電流定律,即流入電池B 中的電流IA2與流出電流IB2一致,IA2的一部分電流會分流到電池B 的等效并聯(lián)電阻上,IhB1方向發(fā)生改變,從而造成額外的功率損失與電壓反偏的現(xiàn)象。同時, A 電池產(chǎn)生的電流會分流更多到其等效并聯(lián)模組上,使得IhA2增大進(jìn)而導(dǎo)致電池A 兩端的電壓升高。圖7(c)顯示了A1、A4 和A7 情況下該電池模組的等效電路,分析方式與圖7(b)類似,為平衡電流,IhA2電流變向,導(dǎo)致電池A 出現(xiàn)反偏電壓;IhB2增大,導(dǎo)致電池B 電壓上升。

圖7 不同條件下串聯(lián)電池模組等效電路圖 (a)未被遮擋或A3、A6 遮擋條件;(b)A2、A5、A8 遮擋條件;(c)A1、A4、A7遮擋條件Fig.7 Equivalent circuit diagrams of photovoltaic series module under different conditions (a)not covered or covered as A3,A6;(b)covered as A2,A5,A8;(c)covered as A1,A4,A7

3 結(jié)論

本文通過對光伏電池模組進(jìn)行相關(guān)陰影遮擋實驗,分析了不同陰影情況對光伏電池輸出性能的影響,并結(jié)合光伏電池等效電路,探尋了陰影對光伏串聯(lián)模組造成影響的成因,結(jié)論如下:

(1)串聯(lián)模組在單片遮擋條件下,遮擋面積越大,光伏電池輸出電流下降越多,且下降比率均明顯大于陰影面積占比;

(2)串聯(lián)模組在單片遮擋條件下,陰影的遮擋會導(dǎo)致被遮擋電池片的電壓下降甚至出現(xiàn)反偏電壓,而未遮擋的電池會出現(xiàn)電壓升高的現(xiàn)象。遮擋面積越大,電壓變化越明顯,電池模組功率損失越多;

(3)光伏電池串聯(lián)模組在受到陰影遮擋時,內(nèi)部電池的電壓變化幅度取決于電池模組中不同電池有效面積的差值。差值越大,變化幅度越大,功率損失越多; 未出現(xiàn)差值時,電壓變化幅度很小,功率損失可以忽略。