弱光性能參數(shù)優(yōu)化

1、PVsyst軟件組件弱光性能參數(shù)的優(yōu)化探討2015-03-25天合光能光伏能源摘要：組件弱光損失是組件在弱光條件下轉(zhuǎn)換效率的降低帶來(lái)發(fā)電量的損失，不同類(lèi)型的組件產(chǎn)品由于電池片制造技術(shù)的不同其弱光性能的表現(xiàn)會(huì)有一定的差異，對(duì)弱光性能有重要影響的兩個(gè)參數(shù)為組件串聯(lián)電阻值Rs和并聯(lián)電阻值 Rsh。由于光伏組件的理論模型較為復(fù)雜，對(duì)其輸岀特性的研究一般采用仿真實(shí)驗(yàn)的模式，目前PVsyst仿真建模在弱光參數(shù)的設(shè)置上默認(rèn)以該軟件自身提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和美國(guó) Sandia數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，但在實(shí)際建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，使用默認(rèn)的數(shù)據(jù)和 預(yù)期的結(jié)果存在一定的差異，因此不能很準(zhǔn)確地反映真實(shí)的弱光性能。在此前提下本文基于多晶組

2、件弱光200W/m 2條件下的第三方測(cè)試數(shù)據(jù)，嘗試對(duì)組件PAN文件中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使得在弱光下的發(fā)電量預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確，除此，文中參考PVsyst用戶手冊(cè)展示了 Rs和Rsh優(yōu)化調(diào)整的方法。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下（STC ）太陽(yáng)能模擬器的光強(qiáng)為1000W/m 2，而大部分地區(qū)戶外的實(shí)際輻照度都要小于這個(gè)值，一般將輻照度低于1000W/m 2的光照定義為弱光。比如圖 1為南京地區(qū)年水平輻照強(qiáng)度的分布，可以看岀輻照度低于200W/m 2約占38.18%，在400-600 W/m 2之間約占20%，600-800 W/m 2約占11%，所以光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量的大小就取決于組件在弱 光下的發(fā)電能力，尤其對(duì)

3、于輻照度水平較低的國(guó)家和地區(qū)。晶硅組件在弱光下主要體現(xiàn)在電池片的開(kāi)路電壓 Voc的降低，進(jìn)而導(dǎo)致電池片的效率降低，如圖2為不同并聯(lián)電阻值的多晶組件在戶外測(cè)試條件下 Voc隨輻照的變化趨勢(shì)，組件并聯(lián)電阻越低，Voc下降幅度越大，當(dāng)并聯(lián)電阻值在141 Q或220 Q左右時(shí)Voc降低不明顯，即使降到50 W/m 2-100W/m 2 一般只減少 2V左右。從圖2的結(jié)果也從側(cè)面說(shuō)明了相同功率的不同組件在STC條件下的轉(zhuǎn)換效率可能有很小的性能的一個(gè)重要參數(shù)， 另外還包括串聯(lián)電阻值 Rs和二極管理想因子， 因?yàn)槎O管理想因子和 Rs 相互關(guān)聯(lián)，Rs值改變后，二極管理想因子也會(huì)隨著改變，所以本文主要探討Rs

4、h和Rs這兩個(gè)參數(shù)對(duì)組件弱光性能的影響以及優(yōu)化調(diào)整的方法。圖1南京地區(qū)年水平輻照度分布（%）（數(shù)據(jù)來(lái)源：Mete on orm6.1氣象軟件）圖2弱光下多晶組件的 Voc隨太陽(yáng)輻照的變化趨勢(shì)（南京地區(qū)）1、串聯(lián)電阻值對(duì)弱光性能的影響在PVsyst模型中，組件實(shí)際測(cè)試的串聯(lián)電阻值被定義為Series Resista nee(appare nt ), 簡(jiǎn)寫(xiě)為Rs ( apparent )，而SeriesResistanee ( module )為單二極管模型有關(guān)的電阻值，簡(jiǎn) 寫(xiě)為Rs( module )，這個(gè)值無(wú)法從組件的 Datasheet得到，一般需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。以XXX-240P多

5、晶組件為例，在 PVsyst默認(rèn)的組件 PAN文件參數(shù)里面，該組件標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的Rs (apparent )值為0.48 Q，Rs ( module )為0.281 Q，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下并聯(lián)電阻值Rsh(Gref )為 250 Q?，F(xiàn)將 Rsh (Gref )固定為 250 Q，Rsh (0)默認(rèn)為 Rsh(Gref)的 4 倍，Rsh (exp ) =5.5， 這里的Rsh (0)和Rsh (exp )會(huì)在第三部分詳細(xì)說(shuō)明，假設(shè)Rs (module )值分別取為 0.35Q和0.413 Q,和默認(rèn)的0.281 Q進(jìn)行比較，使用 PVsyst軟件可得到不同輻照度下組件的峰值功 率和NOCT條件

6、下組件的峰值功率Pmax，結(jié)果參考表1。表1 XXX-240P 組件在不同 Rs ( module )值和不同輻照度下的Pmax比較(Rsh ( Gref ) =250Q)Irrad.Rs (module ) =0.35 QRs (module ) =0.413 QRs (module ) =0.281 Q(W/m 2)Pm (W)Pm (W)Pm (W)20046.847.945.640095.997.494.3600144.8146.2143.2800193193.91921000240240.1240.1Pmax atNOCT(W)177.1178176.1圖3為不同Rs ( modul

7、e )值在不同輻照下的相對(duì)STC時(shí)轉(zhuǎn)換效率，從表1和圖3模擬結(jié)果可知，和默認(rèn)值 0.281 Q相比，適當(dāng)提高組件的Rs ( module )值，可以提升弱光下的輸出性圖3不同Rs ( module )值在不同輻照下的相對(duì)STC轉(zhuǎn)換效率比較(Rsh (Gref ) =250 Q)表2為基于南京地區(qū)不同Rs (module )的組件系統(tǒng)弱光損失對(duì)比，當(dāng)Rs ( module )以0.005 Q微小變化時(shí)，弱光損失的變化幅度約在0.1%左右，即說(shuō)明了 Rs( module )的微小變化只寸弱光損失的影響很大。表2 XXX-240P 組件系統(tǒng)取不同 Rs( module )值的全年弱光損失比較(Rsh

8、 ( Gref ) =250Q, Pm=96kW )Rs (module(Q)0.350.3450.340.3350.330.3250.320.3150.305弱光損失0.90%1%1.10%1.30%1.40%1.50%1.60%1.70%1.90%2、并聯(lián)電阻值對(duì)弱光性能的影響仍以XXX-240P 為例，當(dāng) Rs (module )固定為 0.35 Q不變，Rsh (Gref )分別取為 200 Q, 400 Q, 600 Q和 1000 Q, Rsh(0)是 Rsh(Gref)的 4 倍，Rsh (exp ) =5.5，使用 PVsyst 軟 件可得到不同輻照度下的峰值功率和NOCT條件

9、下功率Pmax，結(jié)果參考表3。表3 XXX240P 組件在不同 Rsh ( Gref )值和不同輻照度下Pmax比較(Rs ( module ) =0.35Q)Irrad.Rsh (Gref) =200 QRsh (Gref) =400 QRsh (Gref ) =600 QRsh (Gref) =1000 Q(W/m 2)Pm (W)Pm (W)Pm (W)Pm (W)20046.64747.247.340095.696.296.496.6600144.6145.1145.3145.4800192.8193.1193.2193.31000240.1240.1240.1240.1Pmax at

10、NOCT(W)177177.2177.3177.4圖4為組件轉(zhuǎn)化效率及其相對(duì) STC時(shí)效率，從模擬結(jié)果可知提高并聯(lián)電阻后，弱光性能有 定的改善，但是提升幅度非常小。9 91an(GrefF250Q(Gref )=2000tRsh(GFef)=400fi -Rsh(Gref)=600Q 一Fi&h(Gref)=1000G Rs圖4不同Rsh(Gref)值對(duì)應(yīng)的相對(duì) STC弱光效率對(duì)比(Rs (module ) =0.35 Q)表4為不同Rsh (Gref )值的組件系統(tǒng)在南京地區(qū)的弱光損失對(duì)比，當(dāng)Rsh (Gref )較低時(shí)，100 Q-200 Q以下對(duì)弱光損失的影響在1%-2% 之間，

11、當(dāng)大于 200 Q，Rsh (Gref )值越大，弱光損失的比例越小，綜合以上數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，在PVsyst模型中，我們得到一個(gè)重要結(jié)論：串聯(lián)電阻值對(duì)弱光的影響程度要大于并聯(lián)電阻值。表4XXX-240P 組件系統(tǒng)取不同 Rsh ( Gref )值的全年弱光損失比較(Rs ( module ) =0.35 Q，Pm=96kW )Rsh ( Q)1201501601802003003504005006001000弱光損失2%1.60%1.60%1.40%0.9%0.8%0.6%0.5%0.4%0.3%0.2%除了 Rsh (Gref )值外，我們?cè)俜治鯮sh (0)的影響，假設(shè) Rsh (Gref

12、) =250 ，Rsh (exp )=5.5，Rs (module ) =0.35 Q，Rsh (0)是Rsh(Gref)的N倍，當(dāng) N取不同的值時(shí)，得到弱光 損失結(jié)果如表5所示，當(dāng)N取值越高，弱光損失越小。表5不同Rsh (0)下的弱光損失(Pm=96kW )倍數(shù)N1 234567弱光損失2.700%1.800%1.300%0.900%0.700%0.500%0.300%同樣的，保持其他參數(shù)不變，也可以得到Rsh(exp )變量對(duì)弱光的影響,參考表6。表6 Rsh ( exp )對(duì)弱光損失的影響(Pm=96kW）Rsh （exp）11.522.533.544.555.5弱光損失2.7%0.0

13、%0.1%0.2%0.4%0.5%0.6%0.7%0.8%0.9%3、PVsyst弱光參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整方法在光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一般需要通過(guò)PVsyst軟件進(jìn)行發(fā)電量的模擬，該軟件內(nèi)部集成了大部分廠家的組件數(shù)據(jù)庫(kù)， 每種功率規(guī)格的組件對(duì)應(yīng)一個(gè) PAN文件。最新的版本6系列比老版本 5有 了較大的修正，模擬結(jié)果也比老版本更加準(zhǔn)確，尤其在弱光性能部分添加了Rsh (Gref )、Rsh(0)、Rsh(exp )和Rs (module )四大參數(shù)的自定義調(diào)整功能，設(shè)計(jì)人員可以基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。當(dāng)然軟件自身也設(shè)置了默認(rèn)值，對(duì)于晶硅組件默認(rèn)的Rsh(exp)為5.5，Rsh (0)是Rsh(Gref)的4倍

14、，這些數(shù)據(jù)是 PVsyst研究人員基于實(shí)測(cè)的大量數(shù)據(jù)分析得到的。據(jù)PVsyst官方介紹，按照IEC-61853-1 測(cè)試方法，基于不同輻照下的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，晶硅組件的相對(duì)轉(zhuǎn)換效率在 600W/m 2-800 W/m 2輻照區(qū)間比 STC條件下約降低 0.5%至1%，在200 W/m 2降低1%-3%左右。其實(shí)，對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)人員，若僅僅知道組件的 Datasheet上的基本電性能參數(shù)很難去評(píng)估組件的弱光性能，使用默認(rèn)參數(shù)模擬下來(lái)的弱光損失比較高，如果組件供應(yīng)商能給用戶提供比較準(zhǔn)確的弱光數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)PVsyst的修正功能進(jìn)行調(diào)整，可得到更加準(zhǔn)確的組件PAN文件，如果實(shí)在沒(méi)有辦法獲得

15、這些數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)PVsyst研究人員得到的經(jīng)驗(yàn)值來(lái)估算。下文以XXX-240P組件為例并參考 PVsyst用戶使用手冊(cè)詳細(xì)介紹弱光參數(shù)的調(diào) 整方法23.1并聯(lián)電阻值參數(shù)的調(diào)整方法PVsyst軟件是根據(jù)單二極管等效電路模型對(duì)電池和組件的性能進(jìn)行模擬，參考圖圖5 Pvsyst軟件所使用的單二極管模型其中描述單二極管模型的電流和電壓的輸出關(guān)系表達(dá)式如（1）所示。式中Il為光生電流（A），Io為二極管反向飽和電流（ A），n為二極管理想因子。相關(guān)研究成果表明（Mermoud和 Lejeune ， 2010 ； Eikelboom et al., 1997):組件并聯(lián)電阻值和入射光強(qiáng)有一定的關(guān)系,當(dāng)

16、入射光強(qiáng)降低后，并聯(lián)電阻隨光強(qiáng)成指數(shù)變化,公式如（2 ）所示2Rsh= Rsh(Gref) + Rsh(O) -Rsh(Gref)exp(-Rsh(exp) (G / Gref) (2)其中Rsh（Gref）為STC下測(cè)試的并聯(lián)電阻值Rsh (exp):表征并聯(lián)電阻值隨輻照變化的其中一個(gè)變量G為實(shí)際的太陽(yáng)輻照度；Gref為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下光強(qiáng)1000W/m2圖6為Rsh(exp)取不同的值時(shí)，對(duì)公式(2)進(jìn)行曲線繪制，其中 Rsh(Gref)=250 Q,10501DM9509008500007W650600550450400煩3W)250200- ? ?Qsn eocp =1 2sii : e

17、ip： =1 5 Q莉exp： =2Wsti ； wp； 2.5 g t «xp> -3Qsn Cexp： -3 S 妙 C exp； -4 寸sn . exp： -5 5Qsh . ejtp'- *62韻.ftxp. -BQgJi &xp. -9 1 ft I-T« _JJ?_1j 1星I-T 丄« - l.i -*Tp - * (-9- T*:(1 I-jt彳* * *D 4 J- 4r FJ.a -TtP w*F*Lr<i -i占>/：*.-* A *J®"皇TTf T,-mu-znRsh(0)=1000

18、Q,當(dāng)輻照降低時(shí)并聯(lián)電阻值會(huì)增加。Rsh(Gref)=250 Q, Rsh (0) =1000 Q)圖6不同Rsh (exp )下Rsh隨輻照的變化關(guān)系(在弱光模型中 Rsh(Gref)、Rsh(0)和Rsh (exp)值是可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，其中Rsh(Gref)為STC下測(cè)試的值。目前對(duì)于Rsh(Gref)的實(shí)際測(cè)試有太陽(yáng)能模擬器的I-V測(cè)試法(STC)、DarkReverse I-V測(cè)試法、External Parallel Resista nee測(cè)試法等，從行業(yè)相關(guān)研究文獻(xiàn)1可知，一般使用太陽(yáng)能模擬器測(cè)試岀來(lái)的結(jié)果會(huì)明顯偏低，原因是電流微小變化時(shí)，從IV曲線上獲取Rsh(Gref

19、)，太陽(yáng)能模擬器缺乏足夠的測(cè)試和計(jì)算精度。圖7為對(duì)250個(gè)XXX240-60P 組件樣品使用太陽(yáng)能模擬器(AAA級(jí)光譜)測(cè)試岀來(lái)的 Rsh(Gref )值分布，平均值約 200 Q左右，在軟件中 Rsh (Gref )值一般設(shè)置大于平均測(cè)試值, 者認(rèn)為默認(rèn)的250 Q還是比較保守的。JOD-icoa-so loo15 rzso圖7 250個(gè)樣品組件 Rsh測(cè)試值分布(STC )Rsh(0)圖8為XXX240-60P 組件在PVsyst模型中默認(rèn)的值以及Rsh和輻照度的變化關(guān)系,和Rsh (exp)是根據(jù)不同輻照下的Rsh值進(jìn)行擬合得到。R 曲t - Rsefic 只 S hunt Eptin.

20、7 UfOPCf. GOGlff.EKponential behaviour ot Ash a£ function al incident inadiance.R shunt etcponenlialR常hunt at Ghc = QEzmneruiR parameierDeFauk|l OOO W ohmFitting tool tai known Rsh valuesYou rria fit the e>p. parannetas on a sei of known values. Please creledelete points with right click.圖8P

21、Vsyst中默認(rèn)的 Rsh ( 0)和Rsh (exp )值Rsh(O)和Rsh (exp)值的調(diào)整如圖9所示，比如在不同的弱光下得到了4個(gè)Rsh測(cè)試值，通過(guò)左下方的Fit工具可看到Rsh(0)和Rsh (exp)值已經(jīng)變?yōu)?79 Q和3.9。由于缺乏實(shí)際測(cè)試數(shù) 據(jù)，對(duì)XXX240-60P 組件，Rsh仍采用默認(rèn)值，這里介紹其調(diào)整方法，具體操作可參考PVsyst用戶手冊(cè)2。E xpanential behaviouir ol Rasfunction of incident irradiance.,?lRshunt exponentialFfsluint 砂 Ginc = 0Ewponentia

22、l parameterDeFault(973 I- ohm51廠Fitting tool for known Rsh valuesYou mqy fit the 倘p parameters on a set of known values. Please create/delate points 加th right click.Grcid 1C05pts definedR shunt肆 Fit |?Temper coeff.Hshurit - Hsene R Shunt enpon圖9 Rsh (0 )和Rsh (exp )的調(diào)整方法3.2、串聯(lián)電阻值參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整方法在PVsyst軟件中未提

23、到串聯(lián)電阻值 Rs和輻照度的變化關(guān)系，相關(guān)文獻(xiàn)中34給岀了晶硅電池串聯(lián)電阻值隨著輻照變化的趨勢(shì)，從圖10可知當(dāng)輻照降低時(shí)，電池的串聯(lián)電阻也有微小的變化，同時(shí)和 Rsh的對(duì)比可知，Rs降低幅度比 Rsh要小很多。0,0圖11 Rs (module )弱光參數(shù)定義窗口Rs (module )的調(diào)整參考圖11定義窗口，默認(rèn)提供了兩種輸入模式，第一種只需要輸入組件在不同光強(qiáng)和溫度下的相對(duì)STC條件轉(zhuǎn)換效率(可選 800, 600, 400 and 200 W/m 2和25圖10電池并聯(lián)電阻值和串聯(lián)電阻值隨輻照變化關(guān)系3(單位：1 suns代表 200mW/m2)條件)，第二種模式是輸入具體的光強(qiáng)、溫度

24、、Isc、Voc、Impp和Vmpp值，參考圖12同0”占 300020006琮(suns)Relative effic. by respect ! STCValues for the selected operating pointr Hel. efficiency from STCRel. effic |0.00No additional data availableLi Delete'* Define paints EfficienciesEffie, errorsIrrdidnce 2ao-°Lci-light data Measured bV Curve Custo

25、mised I AM | SMordary p-aeterDefinition of Low-light performance dataMove a point by dragging? Add pointW/nu Temperature 5l0Cell 祥 1f/ 壬£ Jx JF r,. 土匕-r匚El匕了匚1才冃匕從Valuei for the selected operating pointIn-adiance 叩°° WAn3Rel. effic -2.76he pTCS AImpp |1.59 ATemperaluie 25.0*C【J Rel. e

26、fficiency horn ST匚Vco I討-創(chuàng)V圖12 Rs ( module )弱光參數(shù)定義輸入窗口以XXX240-60P 多晶組件為例，參考第三方權(quán)威測(cè)試機(jī)構(gòu)提供的低輻照測(cè)試結(jié)果(測(cè)試條件：200W/m 2，25 °C, AM1.5 )，在200W/m 2下的電性能參數(shù)如表7所示，將 Vm、Im、Isc和Voc輸入到PVsyst軟件，同時(shí)軟件自動(dòng)計(jì)算在200W/m 2時(shí)的轉(zhuǎn)換效率和其相對(duì)于STC下的轉(zhuǎn)換效率，其衰減比例為2.76%，完成后如圖13所示，點(diǎn)擊"OPtimizeRs "可獲得Rs( module ) 值，軟件自動(dòng)進(jìn)行擬合得到Rs值為0.345

27、 Q,同時(shí)600-800W/m 2輻照區(qū)間的弱光損失結(jié)果顯示0.5%以內(nèi)。表7第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)提供的低輻照測(cè)試結(jié)果T=25 C,輻照條件 200w/m 2Module typePmpp(W)Vmpp(V)Impp(A)Voc(V)Isc(A)XXX240-60p46.929.551.58834.811.684Efficiencies (model and points)oRel. efficTC,砌；&Q0 W/m2. 0.44%-6tM)W/m2, 0.42%J+0'C W/m2, -O.SU.-25.0 ZO'C W/H12. -2.75%200400,才 60(Ir

28、radiance8001000Optimise RsRgerie|0.345ohmR丹；hm圖13 Rs (module )優(yōu)化結(jié)果4、優(yōu)化后不同輻照下的電性能模擬結(jié)果和弱光損失比例上文對(duì)XXX240-60P 多晶組件的弱光參數(shù)優(yōu)化，Rsh缺少相關(guān)數(shù)據(jù)仍保留為默認(rèn)值，根據(jù)第三方測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì) Rs (module )進(jìn)行了優(yōu)化，表 8為優(yōu)化后該組件在不同輻照度下和25 C條件的模擬結(jié)果，200W/m 2時(shí)的數(shù)據(jù)基本上和第三方的測(cè)試結(jié)果較為吻合。表 8 優(yōu)化后的結(jié)果(Rs (module ) =0.345 Q， Rsh (Gref ) =250 Q，Rsh (0) =1000 Q，Rsh (exp ) =5.5，Tm=25 °C)20046.729.201.6034.421.7330071.2029.552.4135.042.6040095.7029.763.2235.483.47500120.2529.824.0335.834.34600144.6429.824.8536.115.20700168.8729.805.6736.356.07800192.8729.786.4836.566.94lrrad.(W/m 2)Pmpp (W)Vmpp (V