【技术贴】串并联电阻对光伏组件电性能的影响

浏览数量:10     作者:本站编辑     发布时间: 2021-08-13      来源:本站

光伏组件的输出功率受很多因素的影响,其中包括光伏组件标称功率、组件的老化衰减、组件的实际温度、组件表面灰尘遮挡、组件串联失配等等,但除此之外,经常被人们所忽视的重要因数就是光伏组件的串联电阻(Rs)和并联电阻(Rsh)。华阳检测作为光伏行业专业检验检测机构,对组件串、并联电阻与组件电性能之间的关系进行了深入的研究。


一、什么是串联电阻(Rs)和并联电阻(Rsh

Rs主要是电池片的自身电阻,加上片与片之间的连接电阻构成。片与片之间的连接电阻包括栅线造成的横向电阻、导电银浆造成的电极电阻以及电极印刷和烧结造成的接触电阻。Rsh的存在主要是P-N结有缺陷造成的,这些缺陷可能会导致短路,虽对短路电流基本没有影响,但是会导致开路电压降低,因此Rsh反映的是光伏组件电池片的漏电水平。


二、串、并联电阻对光伏组件在STC条件下电性能的影响

为了搞清楚串、并联电阻对光伏组件在STC条件下输出功率的影响,我们从太阳能电池片的等效电路图来进行分析,见下图:

微信图片_20210816105354

图1:理想太阳能电池等效电路图

微信图片_20210816105356


图2:实际太阳能电池等效电路图


在理想太阳能电池中(见图1),把光照下的P-N结看做一个恒流源G和理想二极管并联,光生电流Iph,R为外负载。而在实际太阳能电池中(见图2),将电池材料本身以及不可避免引入的附加电阻用串联电阻Rs来表示,将漏电流等其他缺陷造成的电阻用并联电阻Rsh来表示,电路中电流之间的关系为:

微信图片_20210816105402

当外负载电阻趋于无穷大,即电池两端开路,此时流过R的电流I=0,此时V即为开路电压Voc,因此:

微信图片_20210816105408

由此可以看出,开路电压Voc随着并联电阻Rsh的增大而增大,不受串联电阻Rs的影响。

当外负载电阻趋于0,即电池两端短路,此时I即为短路电流Isc,因此短路电流Isc随着Rs的减小而增大,而不会受到并联电阻的影响。

根据电池的转换效率公式:

微信图片_20210813093756

要想增大光伏组件的输出功率,如何做到减小串联电阻Rs而增大其并联电阻Rsh是至关重要的。下图展示了华阳检测的分析研究结果:

微信图片_20210813093907

图3:并联电阻对输出性能的影响


微信图片_20210813093909

图4:串联电阻对输出性能的影响


除了理论分析,华阳检测也考察了大量的实际检测数据,结果的确与上述分析一致(由于行业保密制度,此处不展示实际数据),但在下图中展示了新南威尔士大学晶硅太阳电池的数据,从图可知,在标准光强下,当Rsh<100Ω时,对开路电压的影响非常大;随着Rsh的增大,电池片的填充因子FF和最大输出功率均在变大。

微信图片_20210813094114

图5:标准光强下并联电阻对开路电压的影响对比(T=300K)


    因此,为了提升光伏组件在标准条件下的功率,电池和组件厂家一直在提升并联电阻Rsh的同时降低串联电阻Rs


三、串、并联电阻对光伏组件在弱光条件下电性能的影响


前面分析了串、并联电阻对光伏组件在STC条件下输出功率的影响,但是在实际环境中,大部分地区户外的实际辐照度都要小于1000W/m2,一般将辐照度低于1000W/m2的光照定义为弱光,晶硅组件在弱光条件的发电能力称为弱光性能。下图为南京地区年水平辐照强度的分布,可以看出辐照度低于200W/m2约占38.18%,在400-600 W/m2之间约占20%,600-800 W/m2约占11%,所以光伏系统全年发电量的大小取决于组件在弱光下的发电能力,尤其对于辐照度水平较低的国家和地区。因此,对于光伏电站投资者,不单单要关注光伏组件的铭牌参数(STC条件下的电性能参数),更要关注光伏组件在弱光条件下的发电性能。

微信图片_20210813094213

图6:南京地区年水平辐照度分布(%)(数据来源:Meteonorm6.1气象软件)


晶硅组件在弱光下主要体现在电池片的开路电压Voc的降低,进而导致电池片的效率降低,下图是不同并联电阻值的多晶组件在户外测试条件下组件开路电压Voc随辐照的变化趋势,结果表明,高辐照度下Voc相差较小的6块组件,当处在相同的弱光条件下时,Rsh越低,Voc下降幅度越大。

微信图片_20210813094216

图7:弱光下多晶组件的Voc随太阳辐照的变化趋势(供参考)


接下来我们使用PVsyst 6.8.5软件,分析探讨Rsh和Rs这两个参数对组件弱光条件下输出功率的影响。直接调用软件数据库中XXX-380M组件,将Rsh(Gref)固定为800Ω,Rsh(0)默认为Rsh(Gref)的4倍,Rsh(exp)=5.5,将Rs(module)值分别手动设置为0.25Ω和0.30Ω和0.35Ω,使用PVsyst软件可得到不同辐照度下组件的峰值功率Pmax,结果参考下表。

辐照

强度

RsModule)(Ω)

电池片

温度

0.25

0.30

0.35

W/m²

Pmax

(W)

Pmax

(W)

Pmax

(W)

(℃)

200

72.7

73.9

75.1

25

400

149.4

151.1

152.8

25

600

226.7

228.3

230.0

25

800

303.7

304.8

306.0

25

1000

380.0

380.2

380.4

25

微信图片_20210813094336

图8:Rs对光伏组件弱光性能的影响(Rsh=800Ω)


从以上结果可以发现,当Rs(module)以0.05Ω变化时,弱光损失的变化幅度约在1%左右(400W/m²),即Rs(module)的对光伏组件弱光性能的影响很大,Rs越大,弱光性能越好。

仍以XXX-380M为例,当Rs(module)固定为0.30Ω不变,Rsh(Gref)分别取为400Ω,600Ω和800Ω,Rsh (0)是Rsh(Gref)的4倍,Rsh(exp)=5.5,使用PVsyst软件可得到不同辐照度下的峰值功率Pmax,结果参考下表。

辐照

强度

Rsh(Gref)(Ω)

电池片

温度

400

600

800

W/m²

Pmax

(W)

Pmax

(W)

Pmax

(W)

(℃)

200

73.5

73.7

73.9

25

400

150.5

150.9

151.2

25

600

227.8

228.1

228.4

25

800

304.5

304.7

304.9

25

1000

380.0

380.1

380.2

25

微信图片_20210813094433

图9:Rsh对光伏组件弱光性能的影响(Rs=0.30Ω)



从以上模拟结果可知提高并联电阻Rsh后,组件的弱光性能有一定的改善,但是提升幅度非常小。


综上所述,并联电阻增大、串联电阻提高均有利于组件弱光性能的提升。而并联电阻主要与电池结构有关,如单晶PERC电池由于更高的并联电阻因而弱光发电能力优于多晶组件。但对于同类型电池,且并联电阻大于400Ω时,并联电阻对弱光性能的影响则较小,此时串联电阻的影响则非常显著。光伏电站实际运行中,绝大部分时间工作在弱光条件下,低辐照度下组件的输出特性,很大程度上影响系统的发电能力,因此,低辐照度下组件的性能测试就显得更加重要,应该作为光伏组件选型时的重要指标之一


华阳检测作为光伏行业专业检验检测机构,拥有全球领先的AAA级光伏组件脉冲模拟器,在评估组件低辐照度下的电性能特性有着多年的研究经验,下图为光伏组件脉冲模拟器实物照片。

微信图片_20210813094550



技术实力

核心业务

联系我们

地址:江苏省常州市西太湖科技产业园兰香路8号

电话:0519-85503573  0519-86767918 
          0519-86767922  0519-85503571

邮箱:hyjc@hyjc-solar.com(客户投诉及人力资源专用)
 2020常州华阳检验检测技术有限公司 版权所有      苏ICP备12014738号-1      技术支持:通睿信息