局部阴影遮挡下太阳电池串联组输出特性实验研究打印

1、西安理工大学本科生毕业设计（论文）局部阴影遮挡下太阳电池串联组件输出特性实验研究专业：电子科学与技术班级：电子092班作者：指导教师：职称：副教授答辩日期：2013-06-24摘 要太阳能发电作为一种新型的绿色能源，以其永不枯竭，无污染，不受地域限制等优点，得到迅速的推广应用。然而在光伏系统实际使用的过程中，由于受到天空云层，周围的建筑物，树木遮挡，光伏阵列表面灰尘等因素的影响，光伏阵列受到的光照不均匀产生阴影问题,阴影面积较大时会严重影响输出功率的。通过了解电池工作原理，学习热斑热效应，熟悉太阳电池测试仪的使用来确定实验方案。设计太阳电池组件遮挡实验，对组件的输出特性进行实际的测试。分别在有

2、无旁路二极管的情况下对遮挡面积相同的组件进行实验，最后对实验进行总结和分析。结果表明遮挡面积小于10%时，最大输出功率基本不变。有旁路二极管时在连续遮挡多片时，它的最大输出功率基本不变，而无旁路二极管时则急剧下降。有旁路二极管时遮挡面积达到70%以后最大输出功率就基本不变，而无旁路二极管时则一直呈下降趋势，只是在遮挡面积达到70%以后下降幅度变缓。如果电池长时间遭到遮挡就会导致热斑效应，甚至造成电池不可逆的损毁，因此根据旁路二极管选择原则，每27片并联一个旁路二极管。关键词：太阳电池组件、阴影遮挡、输出特性、旁路二极管、热斑效应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 录第1章 绪论11.1 研究背景11.2 光伏发电的应用情况31.3 本文的主要内容4第2章 太阳电池理论基础52.1太阳电池工作原理52

9、.1.1 光伏效应952.1.2 太阳电池的单二极管等效电952.1.3 太阳电池表征参数962.2热斑效应108第3章.太阳电池输出特性实验研究103.1测试仪器及组件103.1.1 XJCM系列太阳电池测试仪的工作原理103.1.2 XJCM系列太阳电池测试仪使用123.2实验研究143.2.1 阴影设计方案143.2.2 遮挡面积的确定153.2.3 实验步骤153.2.4 实验数据分析163.2.5 如何提高太阳电池组件输出功率243.4.阴影遮挡下太阳电池组件数学模型25第4章 总结28致谢.30参考文献.31附录.Iiii第1章 绪论1.1 研究背景联合国气候变化框架条约缔约国签订

10、的京都议定书在2005年2月16日生效，签署的国家已达185个。中国是第37个签约国。议定书主要反映了人类应对地球变暖这一有害现象进行有效控制的迫切需要，规定主要工业国(发达国家)在2008-2012年期间将二氧化碳等6种温室气体排放量从 1990年的水平进行削减。全球削减温室气体排放的京都议定书重新引起了世界范围内对可再生能源的重视。我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用，近十年来的高速经济增长使我国迫切需要加大对新能源和可再生能源的开发利用，以解决能源短缺问题，保障能源供应安全1。太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上的能源，每40秒钟就有相当于210亿桶石油的

11、能量传送到地球，相当于全球一天所消耗的能源。在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为最具前景的未来能源，有无尽的潜力。太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发电方式，太阳能电池单元是光电转化的最小单位，是太阳能发电系统的核心，其开发、生产直接影响到太阳能发电的普及和发展。将太阳能电池单元进行串并联并封装后可以做成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，这种太阳能电池组件是可以单独作为电源使用的最小单元，可以将太阳能电池组件进行进一步的串并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的功率输出。和常规能源相比较，太阳能资源具有如下5个优越性2:1.取之不尽，用之不竭

12、太阳内部由于氢核的聚变热核反应，从而释放出巨大的光和热，这就是太阳能的来源。根据氢核聚变的反应理论计算，如果太阳像目前这样，稳定地每秒钟向其周围空间发射辐射能，在氢核聚变产能区中，氢核稳定燃烧的时间，可在60亿年以上。也就是说太阳能至少还可像现在这样有60亿年可以稳定地被利用。2.就地可取，不需运输矿物能源中的煤炭和石油资源在地理分布上的不均匀，以及全世界工业布局的不均衡造成了煤炭和石油运输的不均衡。这些矿物能源必须经过开采后长途运送，才能到达目的地，给交通运输造成压力。3.分布广泛，分散使用太阳能年辐射总量一般大于5.04x106kJ/m2，就有实际利用价值，若每年辐射量大于6.3x106k

13、J/m2，则为利用较高的地区。世界上约有二分之一的地区可以达到这个数值。虽然太阳能分布也具有一定的局限性，但与矿物能、水能和地热能等相比仍可视为分布较广的一种能源。4.不污染环境，不破坏生态人类在利用矿物燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，如SO2，CO2等，使人类赖以生存的环境受到了破坏和污染。此外，其它新能源中水电、核能、地热能等，在开发利用的过程中，也都存在着一些不能忽视的环境问题。但太阳能在利用中不会给空气带来污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源。5.周而复始，可以再生在自然界可以不断生成并有规律地得到补充的能源，称为可再生能源。太阳能属于可再生能源。煤炭、石油和天然气等矿物能源

14、经过几十亿年才形成，而且短期内无法恢复。当今世界消耗石油、天然气和煤炭的速度比大自然生成它们的速度要快一百万倍，如果按照这个消耗速度，在几十亿年时间里所生成的矿物能源将在几个世纪内就被消耗掉。目前太阳能利用的方式有:太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能光化学利用，太阳能生物利用。其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为是当前世界上最具发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用。1.2 光伏发电的应用情况太阳能发电近年来得到了比较广泛应用：主要有太阳能光电应用（太阳能光伏发电，太阳

15、能光热发电），太阳能应用光热（太阳能热水器，太阳能制冷与制热空调等），还有用太阳能的自然采光和传输等。光能发电是当今世界的尖端科技，将为全人类彻底解决“能源危机”“环境污染”和“可持续发展”等三大世界难题，将做出历史性、跨世代的伟大贡献，将为人类利用新能源、新技术方面进入一个崭新的时代，引发一场世界科技革命，让全人类过着健康、幸福、和谐的生活.基于光伏发电广阔的市场前景，提高光伏组件的发电效率即输出功率是不变的的热点。太阳电池通常通过串联的方式组成太阳电池组件，太阳电池电性能不匹配或使用过程中有阴影遮挡以及光强分布不均匀等因素是导致太阳电池组件输出功率降低的重要原因13。研究电性能不匹配因素的

16、影响对设计太阳电池组件有指导作用并利于正确判断光伏发电系统输出降低或失效有重要参考意义4。国内科研机构几年来也开展了相关理论的研究6。考虑到旁路二极管激活后对电路的影响，从理论上推导出了串联太阳电池组件被部分遮挡后的I-V曲线和P-V曲线5，但实验方面的研究还是不够。因此对太阳电池被部分遮挡下输出特性的研究将对如何降低阴影的影响具有重大的意义。而且由于在实际环境太阳电池在工作的时候会经常遇到遮挡的情况如果阴影的面积很大对严重降低输出功率，甚至造成太阳电池不可逆的损毁。因此研究局部阴影遮挡下太阳电池输出特性，通过设计模型，为计算有阴影遮挡的光伏组件实际输出功率提供依据；为设计保护电路提供方向。并

17、联了旁路二极管的光伏模组6-7，在局部阴影条件下PV特性曲线可能出现多个极点，导致常规的最大功率点跟踪算法失效，因此必需设计为避免陷入局部极大值点的最大功率点跟踪算法，此研究目前仍是研究热点。没有一个完善的模型可与各种比例遮挡下的实验数据相吻合8；如何有效降低阴影的影响目前还没有很好的解决方案；目前实验室里组件的输出测试大多模拟研究的是短时间内阴影对输出特性的影响，但实际环境中例如遇到阴雨天云层的遮挡很多情况下是长时间的，此时电池背遮挡电池会作为负载发热，而温度对太阳电池组件的输出特性影响是非常大的，这时实验室里得到的结论就不能有效的知道实际了，因此对室外环境下长时间的遮挡实验研究还很欠缺。1

18、.3 本文的主要内容太阳电池以及组件简介，太阳电池组件测试仪简介，热斑效应介绍，太阳电池输出功率影响因素以及如何有效减少影响，本实验的设计实际操作过程以及实验结果分析，旁路二极管的选择，现有的误差较小的模型，如何有效降低阴影的影响。研究太阳不同阴影遮挡对太阳电池输出性能的影响规律。利用实验室现有的光伏组件和太阳电池测试系统，设计太阳电池组件局部阴影遮挡下输出特性测试实验，对组件输出性能进行实际测试，分析、总结测试结果，参考相关资料，建立局部阴影遮挡下串联光伏组件输出特性模型。第2章 太阳电池理论基础2.1太阳电池工作原理2.1.1 光伏效应9光照在半导体上时，光子讲进入P-N结区，甚至深入到半

19、导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子-空穴对。事实是，这种光激发对少数载流子浓度的影响很大。另一方面，由于P-N结势垒区内存在较强的内建电场（由n区指向p区），少数载流子将受该场的作用，p区的电子穿过P-N结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在P-N结两端形成了光生电动势系统吸收光能后两端产生电动现象,产生光生电动势的效应就是光生伏特效应，简称光伏效应。图2-1 太阳电池光照示意图2.1.2 太阳电池的单二极管等效电9太阳电池相当于具有与受光面平行的极薄的P-N结大面积等效二极管，因此可以假设光电池为一个二极管与太阳光电流发生源所并联的等

20、效电路。但因为材料本身具有一定的电阻率，基层和顶层都不可避免的要引入附加电阻，图2-2 太阳电池等效电路电流流经它们时必然要引入附加电势。因此太阳电池可用PN结二极管D，恒流源Iph，太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs和相当于P-N结漏电流的并联电阻组成的电路来表示，如图所示，该电路称为太阳电池单二极管等效电路，由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流电压的关系如下：为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻Rs，增大并联电阻Rsh。2.1.3 太阳电池表征参数9太阳电池光电流流经负载RL ，在负载两端产生产生电压V，此电压又正向偏置于P-N结二极管，因此产生一个与光电流方向相反的电流的

21、暗电流ID，从P区到N区，与光生电流方向相反。因此实际获得的电流I为:式子中的UD为结电压；I0为二级管反向饱和电流，Iph为与入射光强度成正比的光生电流，其比例系数是由太阳电池的结构和材料特性决定的；n为理想系数，是表示PN结特性的参数，通常在12之间；q为电子电荷，KB为波尔兹曼常数；T为温度。如果忽略太阳电池的串联电阻RS，UD即为太阳电池两端的端电压V，则（2-2）式可写为：当太阳电池输出短路时，U=0，由上面的（2-1）和（2-2）式得到短路电流表达式为：简单的说短路电流就是太阳电池从外部短路时所得到最大电流，用表示。电池的伏安特性曲线它是光电池在一定的光强下，外部电路所能得到的最大

22、电流。在不2-3太阳考虑其它损耗的情况下，太阳电池的短路电流等于光生电流,与入射光强度成正比。当太阳电池输出端开路时，I=0，得到开路电压为：简单的说开路点压就是受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累与PN结两端产生光生电动势时在太阳电池两端测得的电势差。当太阳电池接上负载R时，既可以得到的伏安特性曲线如图（2-3），负载电阻R的阻值从0增大到无穷大。当负载Rm使得太阳电池功率输出为最图大时，它对应的最大功率Pm为式子中为分别为最佳工作电流和最佳工作电压。将和的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子FF，则填充因子表达式为：FF为太阳电池的重要表征参数，FF越大则输出功率越高，FF取决

23、于光强，材料的禁带宽度,理想系数，串联电阻和并联电阻等。填充因子是衡量太阳电池输出特性的重要参数，它是最大输出功率与开路电压与短路电流乘积之比，是代表太阳电池在连接最佳负载时，能输出的最大功率特性，其值越大表示太阳电池输出功率越大。FF的值始终小于1，可由经验公式给出式中UOC为归一化的开路电压.太阳电池的光电转化效率是指，外部回路上连接上最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳电池的输出功率与入射到太阳电池表面上的能量之比。光电转化效率是判别电池质量的重要参数，用表示，即电池的最大输出功率与入射光功率之比。2.2热斑效应10太阳电池组件通常安装在地域开阔、阳光充足的地带。在长期使用中难免落

24、上飞鸟、尘土、落叶等遮挡物，这些遮挡物在太阳电池组件上就形成了阴影，在大型太阳电池组件方针中行间距不适合也能互相形成阴影。由于局部阴影的存在，太阳电池组件中某些电池单片的电流、电压发生了变化。其结果使太阳电池组件局部电流与电压之积增大，从而在这些电池组件上产生了局部温升。太阳电池组件中某些电池单片本身缺陷也可能使组件在工作时局部发热，这种现象叫“热斑效应”。在实际使用太阳电池中，若热斑效应产生的温度超过了一定极限将会使电池组件上的焊点熔化并毁坏栅线，从而导致整个太阳电池组件的报废。据国外权威统计，热斑效应使太阳电池组件的实际使用寿命至少减少10%。热斑现象是不可避免的，尽管太阳电池组件安装时都

25、要考虑阴影的影响，并加配保护装置以减少热斑的影响。为表明太阳电池能够在规定的条件下长期使用，需通过合理的时间和过程对太阳电池组件进行检测，确定其承受热斑加热效应的能力。太阳电池热斑的形成主要由两个内在因素构成11，分别与内阻和太阳电池自身暗电流大小有关。由于一个太阳电池组件一般包含36或72块太阳电池硅片，不同的硅片的暗电流是不一样的，在短路情况下，当太阳电池组件其中某个硅片被遮挡时，它就不再正常工作，发挥太阳电池的作用，而是相当于一个内阻，此时由其他太阳电池组件进行供电，P=I2R，可知此硅片生热主要取决于电流I的大小，I=Id+Ish,可知，此硅片生热主要取决于电流I的大小，而式中：I为逆

26、电流；Id 为暗电流；Ish为流过并联电阻的电流)对于不同的太阳电池硅片来说，每一块太阳电池硅片的暗电流是不一样的,逆电流大的，相同的条件下，产生的热斑可能性大。因为逆电流在现实实验中较暗电流容易测出，故可用逆电流代替暗电流。第3章.太阳电池输出特性实验研究3.1测试仪器及组件3.1.1 XJCM系列太阳电池测试仪的工作原理XJCM系列太阳电池测试仪主要有脉冲模拟光源、电子负载和测量单元三部分，模拟光源为脉冲氙灯，由控制电路控制使其达到可调恒定光强输出，电子负载为快速恒电压电子负载，测量时由测量单元给定电压信号调整太阳电池的工作电压，测量单元测定对应的太阳电池工作电流，计算机是测量单元的主体，

27、它控制整个测量过程，给出各个测量环节的控制信号，采集所需测量信号，处理所测数据给出测量结果，测试仪采用计算机控制单片机完成测量过程。测试原理图如图（3-1）,图（3-2）与图(3-3)分别为软件图标与工作界面。图中电源为220V单相交流电，电压范围为200-240V，最大工作电流10A；图中POWER为辅助开关电源，为主控板（MAIN BOARD）提供+12V和-5V电源；图中主控板（MAIN BOARD）是系统的核心，它通过RS232接口接受上位计算机的指令，控制电子负载完成数据采集，并将测量数据上传给计算机，主控板主要由单片机、电子负载和补偿电源三部分组成；图中TEMP为温度探头，由AD5

28、90给单片机提供环境温度信号，本系统默认太阳电池温度等于环境温度；图中灯板（LIGHT BOARD）脉冲氙灯控制板，它接受单片机给与的光强信号（REF）与参考电池比较控制光强输出幅度；其中ZF为脉冲触发信号，JDQ为控制充电继电器的控制信号，在放电期间断开继电器停止充电；图中闪光灯（FLASH LIGHT ）为太阳模拟光源，灯管有正负极之分，更换灯管时应保持原有接线不变，灯管极性接反会严重影响使用寿命；图中E1、E2为储能电容，提供闪光灯的瞬时脉冲能量；图中SOLAR+和SOLAR-为测试线，其中粗线为电流线，细线为电压线，红线为正，黑线为负；图中变压器为灯提供充电电源和灯板辅助供电电源.常见

29、故障及解决办法：开机后没有反应：检查串口线测量结果异常，没有曲线：接正确即可检查接好测量结果异常，曲线振荡，没有规律：测量线正负极短路，或电压检测线接触不良图3-1太阳电池组件测试仪原理示意图测量结果偏小，曲线异常（组件或电池串）：更换灯管或检查相应线路，排除故障组件多次测量偏差大：检查修正值，确保测量位置相图3-2SunAds841运行软件图标图3-3SunAds841运行软件工作界面3.1.2 XJCM系列太阳电池测试仪使用 1.点击SunAds841运行软件如右图软件运行后出现如上图所示界面2.点击文件工作目录，保存数据3.点击数据生产信息保存数据4.点击右边量程选10A，50V5.连接

30、好线路，点击进行测试6XJCM-8系列太阳电池测试仪为广大太阳能产品生产厂家带来了很大的经济效益，为他们在生产中减少了很多不必要的麻烦与浪费，也为广大太阳能产品消费者提供了质量保障。XJCM-8系列太阳电池测试仪采用脉冲氙灯作为模拟太阳光源，色温为5600，是目前最接近太阳光谱的模拟光源，XJCM-8系列太阳电池测试仪具有如下优点：世界首创单次闪光流水线式的下打光太阳模拟器设计方案，极大地方便流水线生产、提高生产效率，同时该测试仪可以兼作层压前测试之用，可以大大提高一次封装成品率，是国际领先水平的太阳电池测试仪。国内首创级光谱标准测试仪，确保了测量不同电池的可靠性和准确性。实现了恒定光强单脉冲

31、测试太阳电池特性曲线的功能，恒定光强确保了测试重复精度，重复精度±。单脉冲完成快速测试，测试耗时秒。采用德国进口脉冲氙灯，保证了测试光谱和使用寿命。实验用测试组件：试验用太阳电池组件如图3-4所示图3-3 实验用太阳电池测试组件太阳电池组件参数:型号：M12560 尺寸：1200×540×30（mm） 重量：5.2Kg规格：36片串联 电学参数：Pmax：60W Imp：3.48A Vmp：17.2 Isc：3.76A Voc：21.6VMaximum System Voltage 1000V标准测试条件：AM=1.5 E=1000W/m2 Tc=25oC 图3-

32、5是54片太阳电池串联组件结构示意图，接线盒有三个旁路二极管本实验用的是36片串联组件，接线盒有两个旁路二极管。图3-5 太阳电池串联组件示意图123.2实验研究3.2.1 阴影设计方案阴影之所以能影响太阳电池组件，是因为阴影影响了单片电池元的输出电流，阴影不大的时候组件仍然工作在最大功率点，但当阴影变大时将有阴影电流流过被遮挡的电池元，甚至会大于其光生电流，导致电池发热，甚至造成电池不可逆的损毁。因此阴影是通过影响串联电流进而影响输出功率。有旁路二极管时电流流经旁路二极管而不是电池就可以防止热斑的产生，因此分别在有旁路二极管和无旁路二极管两种情况进行阴影遮挡实验，从而确定旁路二极管的作用。阴

33、影的影响可以从其大小及形状入手，通过改变阴影的大小或形状来观察它对输出功率的影响。首先是思路的转换，既阴影直接影响的是光照强大的变化，所以改变了光照强度就改变了阴影的大小。因此可以采用滤光片，不透光的纸张等改变光强。比如遮挡20%，那么被遮挡的电池元光照强度就是80%初值，可以采用20%的滤光片。纸张的就可以通过计算其面积来进行。其次是阴影的设计，被遮挡面积小于10%，10%100%连续变化的，然后是多片的连续完全遮挡。3.2.2 遮挡面积的确定硅片经过切割后边缘表面有稜角毛刺崩边甚至有裂缝或其它缺陷，边缘表面比较粗糙。为了增加硅切片边缘表面机械强度、减少颗粒污染，就要将其边缘磨削呈圆弧状或梯

34、形。倒角就是这个目的，磨平和抛光也都是这个目的。单晶多晶都倒角。单晶一般都为大倒角，是由单晶的工艺决定。单晶是有硅棒切割出来的，为了充分利用硅棒，才会出现大的倒角11。本实验采用的就是36片串联的单晶硅太阳电池组件，因此电池有大的的倒角，而对于不规则的电池，要知道确切的面积才能确定遮挡面积的大小。由于单晶太阳电池组件是封装在钢化玻璃里面，不能直接测量它的大小，所以在实验之前，我用透明的纸（字帖纸）隔着钢化玻璃将电池外观画了下来，然后通过适当的近似计算出面积，即先用直尺确定其125×125cm2的外围大小，由于四个倒角都不是圆弧型，连接相邻的两个拐点成一直线，两个拐点与中间的外围点构成

35、一个三角型。用正方型的面积减去四个三角形面积再加上相邻点连接直线与近似圆弧的构成的封闭图形面积就算出了实际的面积。遮挡的材料选用的是不透明的2mm厚的黑色和红色纸片。3.2.3 实验步骤1. 仔细阅读XJCM8太阳测试系统使用说明书，熟悉太阳电池测试系统使用原理，操作过程。2. 计算出电池的面积，计算出每一次遮挡面积的大小，剪出与遮挡面积大小相对应的遮挡纸片。3. 连接好电路，打开电源。首先进行有旁路二极管的的测试。4. 打开计算机，在桌面上建立一个文件夹，用来保存软件运行结果。5. 启动SunAds841运行软件，进入工作界面,点击文件工作目录，打开桌面上已经建立的桌面新建文件夹。6. 点击

36、数据生产信息保存。7. 量程选择10A，50V。8. 为了避免因位置的变化带来测量误差，在太阳电池的两个拐角处做好标记。9. 用准备好的纸片遮挡太阳电池，用透明胶带固定好。10. 点击参数测试，对每一次测试进行编号，同时记录与编号对应的遮挡面积。11. 有旁路二极管时所有的测试完成后，用大功率的电烙铁断开旁路二极管重复上述步骤。3.2.4 实验数据分析a. 有无旁路二极管比较分析有旁路二极管时：Pm在遮挡比例为08%下降幅度小于2%；10%时下降4%；20%下降8%；在20%70%间Pm随遮挡比例线性减小；80100%基本不变。如表3-1所示表3-1有旁路二极管时输出随遮挡率的变化遮挡率% 单

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 两片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实验室温度 T=250C+30C无旁路二极管时：阴影遮挡率08%，Pm下降幅度小于2%；2060%Pm

39、近似的线性减小；65%100%，阴影遮挡率每变化一次，Pm下降2V左右。如表3-2所示表3-2无旁路二极管时输出随遮挡率的变化 遮挡率% VocI scV mI mPm单片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 两片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绘制功率损耗随遮挡比例变化关系曲线图3-6有旁路二极管时Pm-a曲线图3-7无旁路二极管时Pm-a曲线有无旁路二极管情况下，对组件单片电池不同比例遮挡，组件的输出短路电流Isc与开路电压Voc均无明显的变化。有旁通二极管时，电流可以流过旁通二极管，而不通过遮挡电池，因此短路电流不随遮挡比例的增加而下降。无旁路二极管时，由于电池串联则通过每片电池的电流相等，阴影遮挡电池光生电流Iph1大幅下降，而整个组件

42、的短路电流不变，说明该电池有Iph2-Iph1（Iph2无遮挡电池的光生电流）的雪崩击穿电流流过，说明无旁路二极管比有旁路二极管更易受遮挡影响。当组件没有反向并联旁路二极管时，其中有部分单元太阳电池被遮挡，其光生电流源的数值减少，而其他单元太阳电池的光生电流源的数值没有变化，使整个串联支路中的短路电流下降到接近被遮挡单元太阳电池的电流，使这条支路的总功率下降许多，不能简单认为总功率的损失只有该单元太阳电池的电功率，这是因为短路电流是在端电压等于零时得到的，由于被遮挡单元太阳电池的光生电流源无法提供原来的电流，在这条支路的电流就有一部分流经并联电阻，使并联电阻上的电压为负数，在整个回路中满足基尔

43、霍夫电压定律，这样未被遮挡单元太阳电池的并联电阻上的电压数值提高且为正数，使其并联在光生电流源边的二极管D导通能力增强，并联电阻的正电压数值越大，流过二极管D的暗电流越大，分流了未被遮挡光生电流源的电流，这条支路的电流最后达到动态平衡，接近被遮挡单元太阳电池的光生电流源数值。单元太阳电池被遮挡后的光强越弱，其他单元太阳电池的二极管D分流能力越强。反向并联旁路二极管所起的作用，当出现遮挡时，其短路电流没有发生变化，而最大输出功率有点变化，特别是选择导通电压低的二极管，可以提高其输出功率。另外由于旁路二极管的分流作用，使一部分的电流不经过太阳电池的并联电阻和二极管D，不会产生功耗，太阳电池的工作温

44、度不会因遮挡而上升。b. 小比例遮挡比较有无旁通二极管两种情况下，遮挡面积8%时，Pm下降都不超过2%。如图3-8.图3-9所示。I m与I sc下降比例也小于2%。在同样的光谱条件下，光生电流Iph与光照强度成正比，而实验测得一片电池遮挡8%时组件的I m仍能达到98%以上，说明组件工作在最大功率点时，被遮挡电池有98%-（1-8%）Iph=0.06Iph的电流从等效的二极管与并联电阻上反向通过。图3-8有旁路二极管单片遮挡8% 图3-9无旁路二极管单片遮挡8%c. 多片电池阴影遮挡实验分析组件有旁路二极管时，单片完全遮挡时,和曲线如图3-10所示，无旁路二极管，和曲线如图3-11。图3-1

45、0有旁路二极管遮挡率100%图3-11无旁路二极管遮挡率100%从图3-11与图3-10比较看出，无旁通二极管时，单片电池100%遮挡后，组件的短路电流仍为4A，由于该电池本身并不产生光生电流，4A的短路电流都应该通过被遮挡的电池。结合图2-2可知，这7A的电流有ID与Ish组成，等效二极管的反向饱和电流远小于4A，假设这4A的电流都有Ish提供，则被遮挡电池电池两端存在4A×Rsh的反向电压，单片电池的Rsh约为20,反向电压即为80V。组件本省不可能产生如此高的电压，剩下的可能是等效二极管的反向击穿12。遮挡统一串的两片时，Pm继续大幅下降，如图3-8所示，能达到4A的工作移至4

46、.8V，这样通过等效二极管的反向电压为19-4.8=14.8V，若单个电池的开路电压为0.53V(19/36)，则应对小于组件14.8/0.53=27片并联一个旁路二极管，否则出现阴影遮挡时，被遮挡电池会被击穿产生大的反向电流，从而造成高温损毁组件现象即热斑效应。无旁路二极管多片遮挡时，从图3-12看出I-V曲线不在光滑出现毛刺。图3-12 无旁路二极管时组件同一串中连续三片电池完全遮挡这是因为电池组件电池串之间的不均匀和模拟光的不均匀造成的13，不均匀度越高，不光滑现象越明显。硅太阳电池具有非线性特性，即使相同的电池，在不同的光照强度下，它的等效匹配电阻也是不同的。当光照改变时其端口的等效匹

47、配电阻发生变化，光照减小时，电流光强的减小大幅度的减小。随着遮挡片数的增多，电池不匹配问题越来越严重,多片电池已经不能像单片电池一样看成单纯的电阻，被遮挡电池的阻值是在变化的。d. 组建工作点分析有旁路二极管时，单片电池遮挡面积低于70%时，Pm下降比例随遮光面积增大而线性增加，70%以后下降趋势就不明显，80%以后可以说是完全不变。80%的单片遮挡面积是影响组件输出功率的转折点。如图3-13所示。而在没有旁路二级管的时，组件的输出功率在阴影遮挡面积达到80%以后还是在单调递减，只是减小的幅度变小。台阶效应：从图3-13可以看出，组件中并联二极管，输出V-I曲线就会有台阶，由于图3-13有旁路

48、二极管遮挡率为80%在V-I曲线中出现两个拐点，则在V-P曲线中出现两个峰值，这是因为在组件端电压接近零时，被遮挡部分太阳电池的端电压为负，旁路二极管开始工作，为其它光生电流源提供通路，这样整个支路的电流是以未遮挡部分的太阳电池的V-I曲线变化，随着组件端电压的提高，旁路二极管两端电压逐渐减小，旁路二极管的分流能力下降，由于任何种类的二极管都具有导通电压，这个电压在电路中起着钳位作用，使其它未被遮挡的太阳电池的端电压上升，结果流经二极管D的暗电流增高，致使组件的输出电流减小，一旦旁路二极管端电压数值小于导通电压，电压迅速为正，旁路二极管停止工作，这时相当于没有旁路二极管时的工作状态，支路电流就

49、移到以遮挡部分的太阳电池的V-I曲线，所以在V-I曲线中出现两个拐点。在遮挡严重的情况下，如果旁路二极管的导通电压低，引起旁路二极管工作时间较长，使组件输出电流大，从而形成组件输出功率比导通电压的高旁路二极管组件输出功率略大一些。提高二极管D的导通电压，可以减小电池暗电流提高太阳电池的输出功率，选择导通电压低的旁路二极管可以提高组件或光伏阵列的输出功率。遮挡后曲线在低电压处和高电压处各有一个极值点，遮挡较少时如图3-8所示，极值点2处对应的工作电流和功率较大，组件最大功率取2处的值。遮挡较高时极值点1处对应的输出功率大，取极值点1对应的功率。无旁通二极管的情况下，当工作在极值点1附近时，工作点

50、电压V1较低，如图3-14所示，组件产生的大部分电压（）聚集在被遮挡电池两端，且有电流（较大接近短路电流）通过，从而被遮挡电池产生大量的热，出现热斑效应；在极值点2附近时，工作点电压较高，太阳电池组件损失的功率较均匀地分布在组件各个未遮挡的电池上组件中每片电池两端电压均不高通过电流不大，不会产生温度过高的现象。图3-14 无旁路二极管遮挡率为80%e. 旁路二极管选择原则14：）耐压容量为最大反向工作电压的两倍；）电流容量为最大反向工作电流的两倍；）结温温度应高于实际结温温度；）热阻小；）压降小；原则上每个电池片应并联一个旁路二极管，以便更好保护并减少在非正常状态下无效电池片数目，但因为旁路二

51、极管价格成本的影响和暗电流损耗以及工作状态下压降的存在，对于硅电池，每十五个电池片可并联一个旁路二极管为最佳。遮蔽一个电池片与遮蔽两块电池片各一半的效果不同，所以遮蔽不可避免时，尽量使遮蔽尽可能多的电池，每个电池尽可能少的阴影。几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。例如：耐压容量为30的旁路二极管最多可保护125×125电池片数目为：30/（2×0.513）29.243.2.5 如何提高太阳电池组件输出功率本次实验虽然是对有阴影遮挡的太阳电池输出特性的研究，但是在实验室的条件下，只能知道

52、阴影对输出特性在数值变化上是如何影响的，并不能确切的知道阴影遮挡对电池组件造成了怎样的危害。因为，实验室条件下太阳电池组件测试系统是在闪光条件下而不是长期光照的条件下测试的。在实际环境中，很多情况下，太阳电池组件是安装在空旷的野外，那么组件就会经常遇到云层灰尘的遮挡，并且这些遮挡往往都是长期的。因此，为提高有阴影影响光伏组件输出效率，有以下策略15：（1）有阴影的情况下，必须对光伏电池板的输出特性进行全局扫描才能真正确定真正最大功率点。（2）在设计光伏系统时,应避免大规模地对光伏电池板进行串联,如果遇到阴影遮挡将会使系统效率严重下降。（3) 在相同型号光伏电池板的光伏系统中，可以通过考察短路电

53、流法系数和开路电压法系数的变化来判断光伏电池板是否受到阴影的影响，为光伏系统诊断提供新思路。（4）按照国际标准的规定，太阳电池组件的标称功率是在一定的温度及标准太阳光强度条件下（AM 1.5，100mW/2）下测量的，是目前公认的对太阳电池组件的度量衡16。实际应用中，在地球表面上的某一点，由于太阳光的入射角随时间的变化而变化,同时受到 诸如云层,季节,纬度等因素的影响,地球表面接收到的太阳光能量是不断改变的。按照物理学正交分解分析法，太阳电池组件在一天中，垂直组件正上方的光强分量是时间的函数。对平行光源来说，要改变太阳组件的入射光强，可以改变入射光强度，或者改变入射角。1）一般来说，电池的方

54、位角取正南方向（0o）。以使电池单位容量的发电量最大。如果受到电池设置场所，如屋顶，土地，建筑物的阴影等的限制时，则考虑与屋顶，土地，建筑物等的方位角一致。如果旁边的建筑物或者树木等的阴影有可能对电池阵列产生影响时，则应极力避免，以适当的方位角设置。另外为了满足昼间最大发电要，应将电池阵列的设置方向与昼间最大负载出现的时刻相对应进行设置。因此，电池的方位角可以选择南向，屋顶或土地的方位角，避开建筑物或树木等阴影的角度以及昼间最大负载出现时的时角。2）最理想的倾角可以根据电池年间发电最大时的年间最大倾斜角来选择。但是，在已经建好的屋顶设置倾斜角时可与屋顶倾斜角一致。有积雪的地区，为了使积雪能够自

55、动滑落，倾斜角一般选择在50o60o。所以，电池阵列的倾斜角可以选择年间最大倾斜角，屋顶的倾斜角以及使积雪自动滑落的倾斜角。(5) 为了达到高的转换效率，光伏组件的单体电池须具有相似的特性。在实际使用的过程中可能出现电池裂纹或不匹配17，内部链接失效，局部遮光或弄脏等情况，导致一个或一组电池特性与整体不协调。失谐电池不但对组件输出没有贡献，而且导致局部过热。因此导致热斑效应的出了局部遮挡，还有电池的失配。更重要的是阴影遮挡有时存在，而电池的失配是无法把避免的，因此避免失配也提高输出功率的重要途径。3.4.阴影遮挡下太阳电池组件数学模型通过查阅相关文献，有关研究表明17，太阳电池的单二极管等效电路不能很好的模拟太阳电池的特性参数，太阳电池的双二极管模型能较好的模拟太阳电池参数。双二极管模型如图3-15，组件中电池被遮挡时得模拟电路如图3-16图3-