局部陰影遮擋下太陽電池串聯(lián)組輸出特性實驗研究打印

1、西安理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）局部陰影遮擋下太陽電池串聯(lián)組件輸出特性實驗研究專業(yè)：電子科學與技術班級：電子092班作者：指導教師：職稱：副教授答辯日期：2013-06-24摘 要太陽能發(fā)電作為一種新型的綠色能源，以其永不枯竭，無污染，不受地域限制等優(yōu)點，得到迅速的推廣應用。然而在光伏系統(tǒng)實際使用的過程中，由于受到天空云層，周圍的建筑物，樹木遮擋，光伏陣列表面灰塵等因素的影響，光伏陣列受到的光照不均勻產(chǎn)生陰影問題,陰影面積較大時會嚴重影響輸出功率的。通過了解電池工作原理，學習熱斑熱效應，熟悉太陽電池測試儀的使用來確定實驗方案。設計太陽電池組件遮擋實驗，對組件的輸出特性進行實際的測試。分別在有

2、無旁路二極管的情況下對遮擋面積相同的組件進行實驗，最后對實驗進行總結和分析。結果表明遮擋面積小于10%時，最大輸出功率基本不變。有旁路二極管時在連續(xù)遮擋多片時，它的最大輸出功率基本不變，而無旁路二極管時則急劇下降。有旁路二極管時遮擋面積達到70%以后最大輸出功率就基本不變，而無旁路二極管時則一直呈下降趨勢，只是在遮擋面積達到70%以后下降幅度變緩。如果電池長時間遭到遮擋就會導致熱斑效應，甚至造成電池不可逆的損毀，因此根據(jù)旁路二極管選擇原則，每27片并聯(lián)一個旁路二極管。關鍵詞：太陽電池組件、陰影遮擋、輸出特性、旁路二極管、熱斑效應AbstractSolar power as a new type

3、 of green energy, with its endless, no pollution, is not subject to regional restriction etc, and get the rapid popularization and application. However in the photovoltaic (pv) system in the process of actual use, due to the sky clouds, surrounding buildings, trees, shade, photovoltaic array surface

4、 dust, the influence of such factors as photovoltaic array problem caused by uneven illumination of the shadow. Will seriously affect the output power of the shadow area is larger. By understanding the battery working principle,learning hot spot heating, familiar with the use of the solar cell teste

5、r is to determine the experiment scheme. Block experimental design solar cell components, the output characteristics of components for the actual test. Respectively in the presence of the bypass diode to shade the area under the condition of the same component testing, finally carries on the summary

6、 and analysis about the experiment.Shade the area is less than 10%, the results show that the maximum output power basically remain unchanged. Have a bypass diode in continuous barrier, more basic unchanged, and its maximum power output without a sharp drop in the bypass diode. Have the bypass diode

7、 shade the area reached 70% after the maximum output power is basically remain unchanged, but without the bypass diode has been a downward trend, just after the keep out area reached 70% decline was slowing. If the battery for a long time been sheltered leads to a hot spot effect, even causes irreve

8、rsible damage to batteries, so according to the bypass diode choice principle, every 27 pieces of a bypass diode in parallel.Keywords: solar cell components, shadow shade, output characteristics, the bypass diode, hot spot effect目 錄第1章 緒論11.1 研究背景11.2 光伏發(fā)電的應用情況31.3 本文的主要內(nèi)容4第2章 太陽電池理論基礎52.1太陽電池工作原理52

9、.1.1 光伏效應952.1.2 太陽電池的單二極管等效電952.1.3 太陽電池表征參數(shù)962.2熱斑效應108第3章.太陽電池輸出特性實驗研究103.1測試儀器及組件103.1.1 XJCM系列太陽電池測試儀的工作原理103.1.2 XJCM系列太陽電池測試儀使用123.2實驗研究143.2.1 陰影設計方案143.2.2 遮擋面積的確定153.2.3 實驗步驟153.2.4 實驗數(shù)據(jù)分析163.2.5 如何提高太陽電池組件輸出功率243.4.陰影遮擋下太陽電池組件數(shù)學模型25第4章 總結28致謝.30參考文獻.31附錄.Iiii第1章 緒論1.1 研究背景聯(lián)合國氣候變化框架條約締約國簽訂

10、的京都議定書在2005年2月16日生效，簽署的國家已達185個。中國是第37個簽約國。議定書主要反映了人類應對地球變暖這一有害現(xiàn)象進行有效控制的迫切需要，規(guī)定主要工業(yè)國(發(fā)達國家)在2008-2012年期間將二氧化碳等6種溫室氣體排放量從 1990年的水平進行削減。全球削減溫室氣體排放的京都議定書重新引起了世界范圍內(nèi)對可再生能源的重視。我國擁有豐富的新能源與可再生能源可供開發(fā)利用，近十年來的高速經(jīng)濟增長使我國迫切需要加大對新能源和可再生能源的開發(fā)利用，以解決能源短缺問題，保障能源供應安全1。太陽能是一種能量巨大的可再生能源，據(jù)估算，太陽能傳送到地球上的能源，每40秒鐘就有相當于210億桶石油的

11、能量傳送到地球，相當于全球一天所消耗的能源。在目前的幾種新能源技術中，太陽能以其突出的優(yōu)勢被定位為最具前景的未來能源，有無盡的潛力。太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能電池將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電方式，太陽能電池單元是光電轉(zhuǎn)化的最小單位，是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心，其開發(fā)、生產(chǎn)直接影響到太陽能發(fā)電的普及和發(fā)展。將太陽能電池單元進行串并聯(lián)并封裝后可以做成太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦到幾百瓦，這種太陽能電池組件是可以單獨作為電源使用的最小單元，可以將太陽能電池組件進行進一步的串并聯(lián)，構成太陽能電池方陣，以滿足負載所需要的功率輸出。和常規(guī)能源相比較，太陽能資源具有如下5個優(yōu)越性2:1.取之不盡，用之不竭

12、太陽內(nèi)部由于氫核的聚變熱核反應，從而釋放出巨大的光和熱，這就是太陽能的來源。根據(jù)氫核聚變的反應理論計算，如果太陽像目前這樣，穩(wěn)定地每秒鐘向其周圍空間發(fā)射輻射能，在氫核聚變產(chǎn)能區(qū)中，氫核穩(wěn)定燃燒的時間，可在60億年以上。也就是說太陽能至少還可像現(xiàn)在這樣有60億年可以穩(wěn)定地被利用。2.就地可取，不需運輸?shù)V物能源中的煤炭和石油資源在地理分布上的不均勻，以及全世界工業(yè)布局的不均衡造成了煤炭和石油運輸?shù)牟痪?。這些礦物能源必須經(jīng)過開采后長途運送，才能到達目的地，給交通運輸造成壓力。3.分布廣泛，分散使用太陽能年輻射總量一般大于5.04x106kJ/m2，就有實際利用價值，若每年輻射量大于6.3x106k

13、J/m2，則為利用較高的地區(qū)。世界上約有二分之一的地區(qū)可以達到這個數(shù)值。雖然太陽能分布也具有一定的局限性，但與礦物能、水能和地熱能等相比仍可視為分布較廣的一種能源。4.不污染環(huán)境，不破壞生態(tài)人類在利用礦物燃料的過程中，必然釋放出大量有害物質(zhì)，如SO2，CO2等，使人類賴以生存的環(huán)境受到了破壞和污染。此外，其它新能源中水電、核能、地熱能等，在開發(fā)利用的過程中，也都存在著一些不能忽視的環(huán)境問題。但太陽能在利用中不會給空氣帶來污染，也不破壞生態(tài)，是一種清潔安全的能源。5.周而復始，可以再生在自然界可以不斷生成并有規(guī)律地得到補充的能源，稱為可再生能源。太陽能屬于可再生能源。煤炭、石油和天然氣等礦物能源

14、經(jīng)過幾十億年才形成，而且短期內(nèi)無法恢復。當今世界消耗石油、天然氣和煤炭的速度比大自然生成它們的速度要快一百萬倍，如果按照這個消耗速度，在幾十億年時間里所生成的礦物能源將在幾個世紀內(nèi)就被消耗掉。目前太陽能利用的方式有:太陽能光伏發(fā)電，太陽能熱利用，太陽能動力利用，太陽能光化學利用，太陽能生物利用。其中太陽能光伏發(fā)電以其優(yōu)異的特性近年來在全世界范圍得到了快速發(fā)展，被認為是當前世界上最具發(fā)展前景的新能源技術，各發(fā)達國家均投入巨資競相研究開發(fā)，并積極推進產(chǎn)業(yè)化進程，大力開拓太陽能光伏發(fā)電的市場應用。1.2 光伏發(fā)電的應用情況太陽能發(fā)電近年來得到了比較廣泛應用：主要有太陽能光電應用（太陽能光伏發(fā)電，太陽

15、能光熱發(fā)電），太陽能應用光熱（太陽能熱水器，太陽能制冷與制熱空調(diào)等），還有用太陽能的自然采光和傳輸?shù)?。光能發(fā)電是當今世界的尖端科技，將為全人類徹底解決“能源危機”“環(huán)境污染”和“可持續(xù)發(fā)展”等三大世界難題，將做出歷史性、跨世代的偉大貢獻，將為人類利用新能源、新技術方面進入一個嶄新的時代，引發(fā)一場世界科技革命，讓全人類過著健康、幸福、和諧的生活.基于光伏發(fā)電廣闊的市場前景，提高光伏組件的發(fā)電效率即輸出功率是不變的的熱點。太陽電池通常通過串聯(lián)的方式組成太陽電池組件，太陽電池電性能不匹配或使用過程中有陰影遮擋以及光強分布不均勻等因素是導致太陽電池組件輸出功率降低的重要原因13。研究電性能不匹配因素的

16、影響對設計太陽電池組件有指導作用并利于正確判斷光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出降低或失效有重要參考意義4。國內(nèi)科研機構幾年來也開展了相關理論的研究6。考慮到旁路二極管激活后對電路的影響，從理論上推導出了串聯(lián)太陽電池組件被部分遮擋后的I-V曲線和P-V曲線5，但實驗方面的研究還是不夠。因此對太陽電池被部分遮擋下輸出特性的研究將對如何降低陰影的影響具有重大的意義。而且由于在實際環(huán)境太陽電池在工作的時候會經(jīng)常遇到遮擋的情況如果陰影的面積很大對嚴重降低輸出功率，甚至造成太陽電池不可逆的損毀。因此研究局部陰影遮擋下太陽電池輸出特性，通過設計模型，為計算有陰影遮擋的光伏組件實際輸出功率提供依據(jù)；為設計保護電路提供方向。并

17、聯(lián)了旁路二極管的光伏模組6-7，在局部陰影條件下PV特性曲線可能出現(xiàn)多個極點，導致常規(guī)的最大功率點跟蹤算法失效，因此必需設計為避免陷入局部極大值點的最大功率點跟蹤算法，此研究目前仍是研究熱點。沒有一個完善的模型可與各種比例遮擋下的實驗數(shù)據(jù)相吻合8；如何有效降低陰影的影響目前還沒有很好的解決方案；目前實驗室里組件的輸出測試大多模擬研究的是短時間內(nèi)陰影對輸出特性的影響，但實際環(huán)境中例如遇到陰雨天云層的遮擋很多情況下是長時間的，此時電池背遮擋電池會作為負載發(fā)熱，而溫度對太陽電池組件的輸出特性影響是非常大的，這時實驗室里得到的結論就不能有效的知道實際了，因此對室外環(huán)境下長時間的遮擋實驗研究還很欠缺。1

18、.3 本文的主要內(nèi)容太陽電池以及組件簡介，太陽電池組件測試儀簡介，熱斑效應介紹，太陽電池輸出功率影響因素以及如何有效減少影響，本實驗的設計實際操作過程以及實驗結果分析，旁路二極管的選擇，現(xiàn)有的誤差較小的模型，如何有效降低陰影的影響。研究太陽不同陰影遮擋對太陽電池輸出性能的影響規(guī)律。利用實驗室現(xiàn)有的光伏組件和太陽電池測試系統(tǒng)，設計太陽電池組件局部陰影遮擋下輸出特性測試實驗，對組件輸出性能進行實際測試，分析、總結測試結果，參考相關資料，建立局部陰影遮擋下串聯(lián)光伏組件輸出特性模型。第2章 太陽電池理論基礎2.1太陽電池工作原理2.1.1 光伏效應9光照在半導體上時，光子講進入P-N結區(qū)，甚至深入到半

19、導體內(nèi)部。能量大于禁帶寬度的光子，由本征吸收在結的兩邊產(chǎn)生電子-空穴對。事實是，這種光激發(fā)對少數(shù)載流子濃度的影響很大。另一方面，由于P-N結勢壘區(qū)內(nèi)存在較強的內(nèi)建電場（由n區(qū)指向p區(qū)），少數(shù)載流子將受該場的作用，p區(qū)的電子穿過P-N結進入n區(qū)；n區(qū)的空穴進入p區(qū)，使p端電勢升高，n端電勢降低，于是在P-N結兩端形成了光生電動勢系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電動現(xiàn)象,產(chǎn)生光生電動勢的效應就是光生伏特效應，簡稱光伏效應。圖2-1 太陽電池光照示意圖2.1.2 太陽電池的單二極管等效電9太陽電池相當于具有與受光面平行的極薄的P-N結大面積等效二極管，因此可以假設光電池為一個二極管與太陽光電流發(fā)生源所并聯(lián)的等

20、效電路。但因為材料本身具有一定的電阻率，基層和頂層都不可避免的要引入附加電阻，圖2-2 太陽電池等效電路電流流經(jīng)它們時必然要引入附加電勢。因此太陽電池可用PN結二極管D，恒流源Iph，太陽電池的電極等引起的串聯(lián)電阻Rs和相當于P-N結漏電流的并聯(lián)電阻組成的電路來表示，如圖所示，該電路稱為太陽電池單二極管等效電路，由等效電路圖可以得出太陽電池兩端的電流電壓的關系如下：為了使太陽電池輸出更大的功率，必須盡量減小串聯(lián)電阻Rs，增大并聯(lián)電阻Rsh。2.1.3 太陽電池表征參數(shù)9太陽電池光電流流經(jīng)負載RL ，在負載兩端產(chǎn)生產(chǎn)生電壓V，此電壓又正向偏置于P-N結二極管，因此產(chǎn)生一個與光電流方向相反的電流的

21、暗電流ID，從P區(qū)到N區(qū)，與光生電流方向相反。因此實際獲得的電流I為:式子中的UD為結電壓；I0為二級管反向飽和電流，Iph為與入射光強度成正比的光生電流，其比例系數(shù)是由太陽電池的結構和材料特性決定的；n為理想系數(shù)，是表示PN結特性的參數(shù)，通常在12之間；q為電子電荷，KB為波爾茲曼常數(shù)；T為溫度。如果忽略太陽電池的串聯(lián)電阻RS，UD即為太陽電池兩端的端電壓V，則（2-2）式可寫為：當太陽電池輸出短路時，U=0，由上面的（2-1）和（2-2）式得到短路電流表達式為：簡單的說短路電流就是太陽電池從外部短路時所得到最大電流，用表示。電池的伏安特性曲線它是光電池在一定的光強下，外部電路所能得到的最大

22、電流。在不2-3太陽考慮其它損耗的情況下，太陽電池的短路電流等于光生電流,與入射光強度成正比。當太陽電池輸出端開路時，I=0，得到開路電壓為：簡單的說開路點壓就是受光照的太陽電池處于開路狀態(tài)，光生載流子只能積累與PN結兩端產(chǎn)生光生電動勢時在太陽電池兩端測得的電勢差。當太陽電池接上負載R時，既可以得到的伏安特性曲線如圖（2-3），負載電阻R的阻值從0增大到無窮大。當負載Rm使得太陽電池功率輸出為最圖大時，它對應的最大功率Pm為式子中為分別為最佳工作電流和最佳工作電壓。將和的乘積與最大功率Pm之比定義為填充因子FF，則填充因子表達式為：FF為太陽電池的重要表征參數(shù)，F(xiàn)F越大則輸出功率越高，F(xiàn)F取決

23、于光強，材料的禁帶寬度,理想系數(shù)，串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等。填充因子是衡量太陽電池輸出特性的重要參數(shù)，它是最大輸出功率與開路電壓與短路電流乘積之比，是代表太陽電池在連接最佳負載時，能輸出的最大功率特性，其值越大表示太陽電池輸出功率越大。FF的值始終小于1，可由經(jīng)驗公式給出式中UOC為歸一化的開路電壓.太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率是指，外部回路上連接上最佳負載電阻時的最大能量轉(zhuǎn)換效率，等于太陽電池的輸出功率與入射到太陽電池表面上的能量之比。光電轉(zhuǎn)化效率是判別電池質(zhì)量的重要參數(shù)，用表示，即電池的最大輸出功率與入射光功率之比。2.2熱斑效應10太陽電池組件通常安裝在地域開闊、陽光充足的地帶。在長期使用中難免落

24、上飛鳥、塵土、落葉等遮擋物，這些遮擋物在太陽電池組件上就形成了陰影，在大型太陽電池組件方針中行間距不適合也能互相形成陰影。由于局部陰影的存在，太陽電池組件中某些電池單片的電流、電壓發(fā)生了變化。其結果使太陽電池組件局部電流與電壓之積增大，從而在這些電池組件上產(chǎn)生了局部溫升。太陽電池組件中某些電池單片本身缺陷也可能使組件在工作時局部發(fā)熱，這種現(xiàn)象叫“熱斑效應”。在實際使用太陽電池中，若熱斑效應產(chǎn)生的溫度超過了一定極限將會使電池組件上的焊點熔化并毀壞柵線，從而導致整個太陽電池組件的報廢。據(jù)國外權威統(tǒng)計，熱斑效應使太陽電池組件的實際使用壽命至少減少10%。熱斑現(xiàn)象是不可避免的，盡管太陽電池組件安裝時都

25、要考慮陰影的影響，并加配保護裝置以減少熱斑的影響。為表明太陽電池能夠在規(guī)定的條件下長期使用，需通過合理的時間和過程對太陽電池組件進行檢測，確定其承受熱斑加熱效應的能力。太陽電池熱斑的形成主要由兩個內(nèi)在因素構成11，分別與內(nèi)阻和太陽電池自身暗電流大小有關。由于一個太陽電池組件一般包含36或72塊太陽電池硅片，不同的硅片的暗電流是不一樣的，在短路情況下，當太陽電池組件其中某個硅片被遮擋時，它就不再正常工作，發(fā)揮太陽電池的作用，而是相當于一個內(nèi)阻，此時由其他太陽電池組件進行供電，P=I2R，可知此硅片生熱主要取決于電流I的大小，I=Id+Ish,可知，此硅片生熱主要取決于電流I的大小，而式中：I為逆

26、電流；Id 為暗電流；Ish為流過并聯(lián)電阻的電流)對于不同的太陽電池硅片來說，每一塊太陽電池硅片的暗電流是不一樣的,逆電流大的，相同的條件下，產(chǎn)生的熱斑可能性大。因為逆電流在現(xiàn)實實驗中較暗電流容易測出，故可用逆電流代替暗電流。第3章.太陽電池輸出特性實驗研究3.1測試儀器及組件3.1.1 XJCM系列太陽電池測試儀的工作原理XJCM系列太陽電池測試儀主要有脈沖模擬光源、電子負載和測量單元三部分，模擬光源為脈沖氙燈，由控制電路控制使其達到可調(diào)恒定光強輸出，電子負載為快速恒電壓電子負載，測量時由測量單元給定電壓信號調(diào)整太陽電池的工作電壓，測量單元測定對應的太陽電池工作電流，計算機是測量單元的主體，

27、它控制整個測量過程，給出各個測量環(huán)節(jié)的控制信號，采集所需測量信號，處理所測數(shù)據(jù)給出測量結果，測試儀采用計算機控制單片機完成測量過程。測試原理圖如圖（3-1）,圖（3-2）與圖(3-3)分別為軟件圖標與工作界面。圖中電源為220V單相交流電，電壓范圍為200-240V，最大工作電流10A；圖中POWER為輔助開關電源，為主控板（MAIN BOARD）提供+12V和-5V電源；圖中主控板（MAIN BOARD）是系統(tǒng)的核心，它通過RS232接口接受上位計算機的指令，控制電子負載完成數(shù)據(jù)采集，并將測量數(shù)據(jù)上傳給計算機，主控板主要由單片機、電子負載和補償電源三部分組成；圖中TEMP為溫度探頭，由AD5

28、90給單片機提供環(huán)境溫度信號，本系統(tǒng)默認太陽電池溫度等于環(huán)境溫度；圖中燈板（LIGHT BOARD）脈沖氙燈控制板，它接受單片機給與的光強信號（REF）與參考電池比較控制光強輸出幅度；其中ZF為脈沖觸發(fā)信號，JDQ為控制充電繼電器的控制信號，在放電期間斷開繼電器停止充電；圖中閃光燈（FLASH LIGHT ）為太陽模擬光源，燈管有正負極之分，更換燈管時應保持原有接線不變，燈管極性接反會嚴重影響使用壽命；圖中E1、E2為儲能電容，提供閃光燈的瞬時脈沖能量；圖中SOLAR+和SOLAR-為測試線，其中粗線為電流線，細線為電壓線，紅線為正，黑線為負；圖中變壓器為燈提供充電電源和燈板輔助供電電源.常見

29、故障及解決辦法：開機后沒有反應：檢查串口線測量結果異常，沒有曲線：接正確即可檢查接好測量結果異常，曲線振蕩，沒有規(guī)律：測量線正負極短路，或電壓檢測線接觸不良圖3-1太陽電池組件測試儀原理示意圖測量結果偏小，曲線異常（組件或電池串）：更換燈管或檢查相應線路，排除故障組件多次測量偏差大：檢查修正值，確保測量位置相圖3-2SunAds841運行軟件圖標圖3-3SunAds841運行軟件工作界面3.1.2 XJCM系列太陽電池測試儀使用 1.點擊SunAds841運行軟件如右圖軟件運行后出現(xiàn)如上圖所示界面2.點擊文件工作目錄，保存數(shù)據(jù)3.點擊數(shù)據(jù)生產(chǎn)信息保存數(shù)據(jù)4.點擊右邊量程選10A，50V5.連接

30、好線路，點擊進行測試6XJCM-8系列太陽電池測試儀為廣大太陽能產(chǎn)品生產(chǎn)廠家?guī)砹撕艽蟮慕?jīng)濟效益，為他們在生產(chǎn)中減少了很多不必要的麻煩與浪費，也為廣大太陽能產(chǎn)品消費者提供了質(zhì)量保障。XJCM-8系列太陽電池測試儀采用脈沖氙燈作為模擬太陽光源，色溫為5600，是目前最接近太陽光譜的模擬光源，XJCM-8系列太陽電池測試儀具有如下優(yōu)點：世界首創(chuàng)單次閃光流水線式的下打光太陽模擬器設計方案，極大地方便流水線生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率，同時該測試儀可以兼作層壓前測試之用，可以大大提高一次封裝成品率，是國際領先水平的太陽電池測試儀。國內(nèi)首創(chuàng)級光譜標準測試儀，確保了測量不同電池的可靠性和準確性。實現(xiàn)了恒定光強單脈沖

31、測試太陽電池特性曲線的功能，恒定光強確保了測試重復精度，重復精度±。單脈沖完成快速測試，測試耗時秒。采用德國進口脈沖氙燈，保證了測試光譜和使用壽命。實驗用測試組件：試驗用太陽電池組件如圖3-4所示圖3-3 實驗用太陽電池測試組件太陽電池組件參數(shù):型號：M12560 尺寸：1200×540×30（mm） 重量：5.2Kg規(guī)格：36片串聯(lián) 電學參數(shù)：Pmax：60W Imp：3.48A Vmp：17.2 Isc：3.76A Voc：21.6VMaximum System Voltage 1000V標準測試條件：AM=1.5 E=1000W/m2 Tc=25oC 圖3-

32、5是54片太陽電池串聯(lián)組件結構示意圖，接線盒有三個旁路二極管本實驗用的是36片串聯(lián)組件，接線盒有兩個旁路二極管。圖3-5 太陽電池串聯(lián)組件示意圖123.2實驗研究3.2.1 陰影設計方案陰影之所以能影響太陽電池組件，是因為陰影影響了單片電池元的輸出電流，陰影不大的時候組件仍然工作在最大功率點，但當陰影變大時將有陰影電流流過被遮擋的電池元，甚至會大于其光生電流，導致電池發(fā)熱，甚至造成電池不可逆的損毀。因此陰影是通過影響串聯(lián)電流進而影響輸出功率。有旁路二極管時電流流經(jīng)旁路二極管而不是電池就可以防止熱斑的產(chǎn)生，因此分別在有旁路二極管和無旁路二極管兩種情況進行陰影遮擋實驗，從而確定旁路二極管的作用。陰

33、影的影響可以從其大小及形狀入手，通過改變陰影的大小或形狀來觀察它對輸出功率的影響。首先是思路的轉(zhuǎn)換，既陰影直接影響的是光照強大的變化，所以改變了光照強度就改變了陰影的大小。因此可以采用濾光片，不透光的紙張等改變光強。比如遮擋20%，那么被遮擋的電池元光照強度就是80%初值，可以采用20%的濾光片。紙張的就可以通過計算其面積來進行。其次是陰影的設計，被遮擋面積小于10%，10%100%連續(xù)變化的，然后是多片的連續(xù)完全遮擋。3.2.2 遮擋面積的確定硅片經(jīng)過切割后邊緣表面有稜角毛刺崩邊甚至有裂縫或其它缺陷，邊緣表面比較粗糙。為了增加硅切片邊緣表面機械強度、減少顆粒污染，就要將其邊緣磨削呈圓弧狀或梯

34、形。倒角就是這個目的，磨平和拋光也都是這個目的。單晶多晶都倒角。單晶一般都為大倒角，是由單晶的工藝決定。單晶是有硅棒切割出來的，為了充分利用硅棒，才會出現(xiàn)大的倒角11。本實驗采用的就是36片串聯(lián)的單晶硅太陽電池組件，因此電池有大的的倒角，而對于不規(guī)則的電池，要知道確切的面積才能確定遮擋面積的大小。由于單晶太陽電池組件是封裝在鋼化玻璃里面，不能直接測量它的大小，所以在實驗之前，我用透明的紙（字帖紙）隔著鋼化玻璃將電池外觀畫了下來，然后通過適當?shù)慕朴嬎愠雒娣e，即先用直尺確定其125×125cm2的外圍大小，由于四個倒角都不是圓弧型，連接相鄰的兩個拐點成一直線，兩個拐點與中間的外圍點構成

35、一個三角型。用正方型的面積減去四個三角形面積再加上相鄰點連接直線與近似圓弧的構成的封閉圖形面積就算出了實際的面積。遮擋的材料選用的是不透明的2mm厚的黑色和紅色紙片。3.2.3 實驗步驟1. 仔細閱讀XJCM8太陽測試系統(tǒng)使用說明書，熟悉太陽電池測試系統(tǒng)使用原理，操作過程。2. 計算出電池的面積，計算出每一次遮擋面積的大小，剪出與遮擋面積大小相對應的遮擋紙片。3. 連接好電路，打開電源。首先進行有旁路二極管的的測試。4. 打開計算機，在桌面上建立一個文件夾，用來保存軟件運行結果。5. 啟動SunAds841運行軟件，進入工作界面,點擊文件工作目錄，打開桌面上已經(jīng)建立的桌面新建文件夾。6. 點擊

36、數(shù)據(jù)生產(chǎn)信息保存。7. 量程選擇10A，50V。8. 為了避免因位置的變化帶來測量誤差，在太陽電池的兩個拐角處做好標記。9. 用準備好的紙片遮擋太陽電池，用透明膠帶固定好。10. 點擊參數(shù)測試，對每一次測試進行編號，同時記錄與編號對應的遮擋面積。11. 有旁路二極管時所有的測試完成后，用大功率的電烙鐵斷開旁路二極管重復上述步驟。3.2.4 實驗數(shù)據(jù)分析a. 有無旁路二極管比較分析有旁路二極管時：Pm在遮擋比例為08%下降幅度小于2%；10%時下降4%；20%下降8%；在20%70%間Pm隨遮擋比例線性減??；80100%基本不變。如表3-1所示表3-1有旁路二極管時輸出隨遮擋率的變化遮擋率% 單

37、片VocI scV mI mPm019.3234.305714.9753.89058.2815819.3844.303415.5023.701357.37891019.3884.302515.7923.536255.84432019.3744.306316.1563.314753.57223019.3754.304316.6092.926048.59924019.3584.302816.9552.56043.48995019.3564.303417.2562.201537.98916019.3134.302517.4771.828831.96297019.2794.305117.7341.42

38、6525.29758019.4904.30515.8873.804322.47299019.7074.30165.8263.812822.212810016.8294.30515.9743.823922.7389多片 兩片100%9.0954.32526.67343.889026.1901三片100%9.0784.32896.6773.918326.2212四片100%9.0744.33106.6973.902926.1387五片100%9.0714.33386.7173.90926.2601實驗室溫度 T=250C+30C無旁路二極管時：陰影遮擋率08%，Pm下降幅度小于2%；2060%Pm

39、近似的線性減?。?5%100%，陰影遮擋率每變化一次，Pm下降2V左右。如表3-2所示表3-2無旁路二極管時輸出隨遮擋率的變化 遮擋率% VocI scV mI mPm單片019.3234.305714.9743.80958.2815819.3854.263615.3223.758757.58971019.3884.255115.8443.500755.46402019.3874.248316.1493.301653.31713019.3914.239616.5722.926748.50204019.3804.192417.1062.350440.20775019.3804.178217.22

40、92.201637.93206019.3734.144617.4771.831532.00766519.3724.122012.3002.289328.15837019.3824.117711.2352.393526.89088019.3624.095410.2342.388024.43858519.4824.10659.6632.297322.19899020.5494.09629.0072.169719.425510017.7263.91568.5662.018117.2865多片 兩片10019.2870.534616.4370.18743.0779三片10019.0470.349114

41、.6380.18182.6606四片10018.8740.237413.1410.15442.0288五片10018.7400.198215.2790.12741.9460基于表3-1和表3-2繪制功率損耗隨遮擋比例變化關系曲線圖3-6有旁路二極管時Pm-a曲線圖3-7無旁路二極管時Pm-a曲線有無旁路二極管情況下，對組件單片電池不同比例遮擋，組件的輸出短路電流Isc與開路電壓Voc均無明顯的變化。有旁通二極管時，電流可以流過旁通二極管，而不通過遮擋電池，因此短路電流不隨遮擋比例的增加而下降。無旁路二極管時，由于電池串聯(lián)則通過每片電池的電流相等，陰影遮擋電池光生電流Iph1大幅下降，而整個組件

42、的短路電流不變，說明該電池有Iph2-Iph1（Iph2無遮擋電池的光生電流）的雪崩擊穿電流流過，說明無旁路二極管比有旁路二極管更易受遮擋影響。當組件沒有反向并聯(lián)旁路二極管時，其中有部分單元太陽電池被遮擋，其光生電流源的數(shù)值減少，而其他單元太陽電池的光生電流源的數(shù)值沒有變化，使整個串聯(lián)支路中的短路電流下降到接近被遮擋單元太陽電池的電流，使這條支路的總功率下降許多，不能簡單認為總功率的損失只有該單元太陽電池的電功率，這是因為短路電流是在端電壓等于零時得到的，由于被遮擋單元太陽電池的光生電流源無法提供原來的電流，在這條支路的電流就有一部分流經(jīng)并聯(lián)電阻，使并聯(lián)電阻上的電壓為負數(shù)，在整個回路中滿足基爾

43、霍夫電壓定律，這樣未被遮擋單元太陽電池的并聯(lián)電阻上的電壓數(shù)值提高且為正數(shù)，使其并聯(lián)在光生電流源邊的二極管D導通能力增強，并聯(lián)電阻的正電壓數(shù)值越大，流過二極管D的暗電流越大，分流了未被遮擋光生電流源的電流，這條支路的電流最后達到動態(tài)平衡，接近被遮擋單元太陽電池的光生電流源數(shù)值。單元太陽電池被遮擋后的光強越弱，其他單元太陽電池的二極管D分流能力越強。反向并聯(lián)旁路二極管所起的作用，當出現(xiàn)遮擋時，其短路電流沒有發(fā)生變化，而最大輸出功率有點變化，特別是選擇導通電壓低的二極管，可以提高其輸出功率。另外由于旁路二極管的分流作用，使一部分的電流不經(jīng)過太陽電池的并聯(lián)電阻和二極管D，不會產(chǎn)生功耗，太陽電池的工作溫

44、度不會因遮擋而上升。b. 小比例遮擋比較有無旁通二極管兩種情況下，遮擋面積8%時，Pm下降都不超過2%。如圖3-8.圖3-9所示。I m與I sc下降比例也小于2%。在同樣的光譜條件下，光生電流Iph與光照強度成正比，而實驗測得一片電池遮擋8%時組件的I m仍能達到98%以上，說明組件工作在最大功率點時，被遮擋電池有98%-（1-8%）Iph=0.06Iph的電流從等效的二極管與并聯(lián)電阻上反向通過。圖3-8有旁路二極管單片遮擋8% 圖3-9無旁路二極管單片遮擋8%c. 多片電池陰影遮擋實驗分析組件有旁路二極管時，單片完全遮擋時,和曲線如圖3-10所示，無旁路二極管，和曲線如圖3-11。圖3-1

45、0有旁路二極管遮擋率100%圖3-11無旁路二極管遮擋率100%從圖3-11與圖3-10比較看出，無旁通二極管時，單片電池100%遮擋后，組件的短路電流仍為4A，由于該電池本身并不產(chǎn)生光生電流，4A的短路電流都應該通過被遮擋的電池。結合圖2-2可知，這7A的電流有ID與Ish組成，等效二極管的反向飽和電流遠小于4A，假設這4A的電流都有Ish提供，則被遮擋電池電池兩端存在4A×Rsh的反向電壓，單片電池的Rsh約為20,反向電壓即為80V。組件本省不可能產(chǎn)生如此高的電壓，剩下的可能是等效二極管的反向擊穿12。遮擋統(tǒng)一串的兩片時，Pm繼續(xù)大幅下降，如圖3-8所示，能達到4A的工作移至4

46、.8V，這樣通過等效二極管的反向電壓為19-4.8=14.8V，若單個電池的開路電壓為0.53V(19/36)，則應對小于組件14.8/0.53=27片并聯(lián)一個旁路二極管，否則出現(xiàn)陰影遮擋時，被遮擋電池會被擊穿產(chǎn)生大的反向電流，從而造成高溫損毀組件現(xiàn)象即熱斑效應。無旁路二極管多片遮擋時，從圖3-12看出I-V曲線不在光滑出現(xiàn)毛刺。圖3-12 無旁路二極管時組件同一串中連續(xù)三片電池完全遮擋這是因為電池組件電池串之間的不均勻和模擬光的不均勻造成的13，不均勻度越高，不光滑現(xiàn)象越明顯。硅太陽電池具有非線性特性，即使相同的電池，在不同的光照強度下，它的等效匹配電阻也是不同的。當光照改變時其端口的等效匹

47、配電阻發(fā)生變化，光照減小時，電流光強的減小大幅度的減小。隨著遮擋片數(shù)的增多，電池不匹配問題越來越嚴重,多片電池已經(jīng)不能像單片電池一樣看成單純的電阻，被遮擋電池的阻值是在變化的。d. 組建工作點分析有旁路二極管時，單片電池遮擋面積低于70%時，Pm下降比例隨遮光面積增大而線性增加，70%以后下降趨勢就不明顯，80%以后可以說是完全不變。80%的單片遮擋面積是影響組件輸出功率的轉(zhuǎn)折點。如圖3-13所示。而在沒有旁路二級管的時，組件的輸出功率在陰影遮擋面積達到80%以后還是在單調(diào)遞減，只是減小的幅度變小。臺階效應：從圖3-13可以看出，組件中并聯(lián)二極管，輸出V-I曲線就會有臺階，由于圖3-13有旁路

48、二極管遮擋率為80%在V-I曲線中出現(xiàn)兩個拐點，則在V-P曲線中出現(xiàn)兩個峰值，這是因為在組件端電壓接近零時，被遮擋部分太陽電池的端電壓為負，旁路二極管開始工作，為其它光生電流源提供通路，這樣整個支路的電流是以未遮擋部分的太陽電池的V-I曲線變化，隨著組件端電壓的提高，旁路二極管兩端電壓逐漸減小，旁路二極管的分流能力下降，由于任何種類的二極管都具有導通電壓，這個電壓在電路中起著鉗位作用，使其它未被遮擋的太陽電池的端電壓上升，結果流經(jīng)二極管D的暗電流增高，致使組件的輸出電流減小，一旦旁路二極管端電壓數(shù)值小于導通電壓，電壓迅速為正，旁路二極管停止工作，這時相當于沒有旁路二極管時的工作狀態(tài)，支路電流就

49、移到以遮擋部分的太陽電池的V-I曲線，所以在V-I曲線中出現(xiàn)兩個拐點。在遮擋嚴重的情況下，如果旁路二極管的導通電壓低，引起旁路二極管工作時間較長，使組件輸出電流大，從而形成組件輸出功率比導通電壓的高旁路二極管組件輸出功率略大一些。提高二極管D的導通電壓，可以減小電池暗電流提高太陽電池的輸出功率，選擇導通電壓低的旁路二極管可以提高組件或光伏陣列的輸出功率。遮擋后曲線在低電壓處和高電壓處各有一個極值點，遮擋較少時如圖3-8所示，極值點2處對應的工作電流和功率較大，組件最大功率取2處的值。遮擋較高時極值點1處對應的輸出功率大，取極值點1對應的功率。無旁通二極管的情況下，當工作在極值點1附近時，工作點

50、電壓V1較低，如圖3-14所示，組件產(chǎn)生的大部分電壓（）聚集在被遮擋電池兩端，且有電流（較大接近短路電流）通過，從而被遮擋電池產(chǎn)生大量的熱，出現(xiàn)熱斑效應；在極值點2附近時，工作點電壓較高，太陽電池組件損失的功率較均勻地分布在組件各個未遮擋的電池上組件中每片電池兩端電壓均不高通過電流不大，不會產(chǎn)生溫度過高的現(xiàn)象。圖3-14 無旁路二極管遮擋率為80%e. 旁路二極管選擇原則14：）耐壓容量為最大反向工作電壓的兩倍；）電流容量為最大反向工作電流的兩倍；）結溫溫度應高于實際結溫溫度；）熱阻??；）壓降??；原則上每個電池片應并聯(lián)一個旁路二極管，以便更好保護并減少在非正常狀態(tài)下無效電池片數(shù)目，但因為旁路二

51、極管價格成本的影響和暗電流損耗以及工作狀態(tài)下壓降的存在，對于硅電池，每十五個電池片可并聯(lián)一個旁路二極管為最佳。遮蔽一個電池片與遮蔽兩塊電池片各一半的效果不同，所以遮蔽不可避免時，盡量使遮蔽盡可能多的電池，每個電池盡可能少的陰影。幾乎在所有的電子電路中，都要用到半導體二極管，它在許多的電路中起著重要的作用，它是誕生最早的半導體器件之一，其應用也非常廣泛。例如：耐壓容量為30的旁路二極管最多可保護125×125電池片數(shù)目為：30/（2×0.513）29.243.2.5 如何提高太陽電池組件輸出功率本次實驗雖然是對有陰影遮擋的太陽電池輸出特性的研究，但是在實驗室的條件下，只能知道

52、陰影對輸出特性在數(shù)值變化上是如何影響的，并不能確切的知道陰影遮擋對電池組件造成了怎樣的危害。因為，實驗室條件下太陽電池組件測試系統(tǒng)是在閃光條件下而不是長期光照的條件下測試的。在實際環(huán)境中，很多情況下，太陽電池組件是安裝在空曠的野外，那么組件就會經(jīng)常遇到云層灰塵的遮擋，并且這些遮擋往往都是長期的。因此，為提高有陰影影響光伏組件輸出效率，有以下策略15：（1）有陰影的情況下，必須對光伏電池板的輸出特性進行全局掃描才能真正確定真正最大功率點。（2）在設計光伏系統(tǒng)時,應避免大規(guī)模地對光伏電池板進行串聯(lián),如果遇到陰影遮擋將會使系統(tǒng)效率嚴重下降。（3) 在相同型號光伏電池板的光伏系統(tǒng)中，可以通過考察短路電

53、流法系數(shù)和開路電壓法系數(shù)的變化來判斷光伏電池板是否受到陰影的影響，為光伏系統(tǒng)診斷提供新思路。（4）按照國際標準的規(guī)定，太陽電池組件的標稱功率是在一定的溫度及標準太陽光強度條件下（AM 1.5，100mW/2）下測量的，是目前公認的對太陽電池組件的度量衡16。實際應用中，在地球表面上的某一點，由于太陽光的入射角隨時間的變化而變化,同時受到 諸如云層,季節(jié),緯度等因素的影響,地球表面接收到的太陽光能量是不斷改變的。按照物理學正交分解分析法，太陽電池組件在一天中，垂直組件正上方的光強分量是時間的函數(shù)。對平行光源來說，要改變太陽組件的入射光強，可以改變?nèi)肷涔鈴姸?，或者改變?nèi)肷浣恰?）一般來說，電池的方

54、位角取正南方向（0o）。以使電池單位容量的發(fā)電量最大。如果受到電池設置場所，如屋頂，土地，建筑物的陰影等的限制時，則考慮與屋頂，土地，建筑物等的方位角一致。如果旁邊的建筑物或者樹木等的陰影有可能對電池陣列產(chǎn)生影響時，則應極力避免，以適當?shù)姆轿唤窃O置。另外為了滿足晝間最大發(fā)電要，應將電池陣列的設置方向與晝間最大負載出現(xiàn)的時刻相對應進行設置。因此，電池的方位角可以選擇南向，屋頂或土地的方位角，避開建筑物或樹木等陰影的角度以及晝間最大負載出現(xiàn)時的時角。2）最理想的傾角可以根據(jù)電池年間發(fā)電最大時的年間最大傾斜角來選擇。但是，在已經(jīng)建好的屋頂設置傾斜角時可與屋頂傾斜角一致。有積雪的地區(qū)，為了使積雪能夠自

55、動滑落，傾斜角一般選擇在50o60o。所以，電池陣列的傾斜角可以選擇年間最大傾斜角，屋頂?shù)膬A斜角以及使積雪自動滑落的傾斜角。(5) 為了達到高的轉(zhuǎn)換效率，光伏組件的單體電池須具有相似的特性。在實際使用的過程中可能出現(xiàn)電池裂紋或不匹配17，內(nèi)部鏈接失效，局部遮光或弄臟等情況，導致一個或一組電池特性與整體不協(xié)調(diào)。失諧電池不但對組件輸出沒有貢獻，而且導致局部過熱。因此導致熱斑效應的出了局部遮擋，還有電池的失配。更重要的是陰影遮擋有時存在，而電池的失配是無法把避免的，因此避免失配也提高輸出功率的重要途徑。3.4.陰影遮擋下太陽電池組件數(shù)學模型通過查閱相關文獻，有關研究表明17，太陽電池的單二極管等效電路不能很好的模擬太陽電池的特性參數(shù)，太陽電池的雙二極管模型能較好的模擬太陽電池參數(shù)。雙二極管模型如圖3-15，組件中電池被遮擋時得模擬電路如圖3-16圖3-