山東大學學報（工學版）組件質(zhì)量波動對太陽能電池陣列輸出特性的影響秦敬玉孫成帥U，谷廷坤3（1.山東大學材料科學與工程學院，山東濟南250061；2.煙臺大學光電信息科學技術(shù)學院，山東煙臺264005；3.山東大學電氣工程學院，山東濟南250061）最大功率點附近工作了約1h.中每個小方格代表個單體電池，共計72片（6x12）。3個二極管的跨接方式也表示在組件的上方。將最低溫度21.4°C作為點，標識為0.0，單位是。C.單體電池最高溫度是25.7°C，標識為4.3.環(huán)境溫為19.5C，平均值為23.0C.為了更直觀表示溫度的差別，中使用了灰度階梯法。自0.0到5.0溫度每升高0.5°C，則灰度增加5%；最暗的電池代表溫度最高。表明，溫度較高的區(qū)域有兩個，分別在電池組a和c中，電池組b的各單體電池溫度都較低且均勻。

為了驗證上述溫度分布的客觀性，本研究又測量了組件B中單體電池溫度分布情況，如所示。除環(huán)境溫度外，其它測試條件與基本相同。將最低溫度17.6C作為點，標識為0.0；單體電池最高溫度是22.7C，標識為5.1.環(huán)境溫度為16.0°C，平均值為19.9C.每個單體電池的灰階與溫度差的比例與相同。溫度最低點與組件A的電池位置相同，這可能只是巧合。組件B的高溫區(qū)域分布與組件A明顯不同，高溫區(qū)域在左上角成片分布，跨過了電池組a和b，相對而言電池組c溫度分布更均勻且溫度較低。

二極管a二極管b二極管c組件B的溫度分布把組件A和B串聯(lián)，。在最大功率點左面部分，可以觀察到2個較大不規(guī)則的臺階，這表明組件之間的質(zhì)量差別在串聯(lián)后明顯影響到系統(tǒng)的特性。

3的組件的/"U曲線異?，F(xiàn)象。

當單體電池組裝成組件時，還要經(jīng)過焊接等工藝，因此影響組件質(zhì)量的因素還可能來自焊接等后續(xù)加工環(huán)節(jié)E1‘17，如果將這些因素都歸結(jié)到單體電池中，實際上電池組件中各個單體電池每個電參數(shù)的相對標準差應該大于表1中數(shù)值。但是，形成組件后每個單體電池電參數(shù)的相對標準差并沒有。某廠商所公開的電氣參數(shù)，中模擬所得到曲線的具體參數(shù)為：開路電壓、短路電流、最大功率點電流和電壓平均值分別是33.07V.在模擬中分別取單體電池各參數(shù)的1%作為方差產(chǎn)生正態(tài)分布隨機數(shù)，由此得到這四個參數(shù)的相對標準差分別為1.6%、。6%、。8%和1.7%.這組參數(shù)的相對標準差接近于溫度分布的相對標準差，取這樣的相對標準差很容易得到所示的曲線異常，而且異常處電流臺階接近于。

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1A.在統(tǒng)計分析程序和模擬時正態(tài)分布隨機數(shù)產(chǎn)生程序都是來自于2，具體程序流程見。

由模擬還發(fā)現(xiàn)，電池組a、和c串聯(lián)時，電池組質(zhì)量兩好壞或者兩壞一好的組合都能給出中的/~U曲線異常。根據(jù)電池溫度分布，本研究認為所出現(xiàn)的/"U曲線異常源自于組件A中電池組a和c質(zhì)量較差，而b較好。

在模擬中假設(shè)各個參數(shù)的產(chǎn)生是獨立不相關(guān)的，這也許與真實情況有偏差。對于單體電池，這四個參數(shù)可能會隨電池片材質(zhì)和制造工藝呈現(xiàn)相干而不是獨立波動，但是當單體電池再通過一些復雜工藝連接成電池組件時，會對單體電池產(chǎn)生一些復雜的附加影響。這些附加影響是隨機的，所以在模擬中認為各參數(shù)的波動是隨機的應該是一個較好近似。盡管缺乏明確的理論基礎(chǔ)，通過的模擬發(fā)現(xiàn)將溫度分布的相對標準差作為電池組質(zhì)量波動的相對標準差是比較合理的。

分析和溫度隨機分布特征程序流程（a）和模擬時隨機數(shù)產(chǎn)生流程（b）在串聯(lián)模式下，更多組件組成光伏陣列時，由于跨接二極管的存在，相當于若干個類似于a、b和c的電池組串聯(lián)。進步研究了當光伏陣列總功率是5kW時由于各電池組質(zhì)量波動而帶來的最大功率損失情況。按照光伏組件標稱功率180W計算，大約30個組件串聯(lián)組成5kW光伏陣列，在此沒有考慮串聯(lián)后光伏陣列的耐壓情況。按照與所使用的相同條件，模擬5kW光伏陣列/~U曲線，見。

由可知，當較多的電池組或組件串聯(lián)起來，即使組件之間存在一定的不一致性，總的I-/曲線也不會同少數(shù)幾個組件串聯(lián)時那樣，在低電壓區(qū)域有明顯的電流臺階，而是I-/曲線在該區(qū)域變大；這是數(shù)量較多光伏組件I-/曲線疊加的結(jié)果。此時光伏陣列總的最大功率與最理想情況相比損失約為3.5%（175W），最大可達損失在設(shè)計大功率光伏陣列時已經(jīng)不可忽視了。這也提醒工程人員，發(fā)展光伏發(fā)電技術(shù)首先要保證光伏組件質(zhì)量的致性，有時高質(zhì)量的組件所帶來的功率收益比MPPT算法等技術(shù)發(fā)展還要重要。

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4結(jié)論實驗發(fā)現(xiàn)光伏組件I-/曲線異常，在小電壓大電流處存在臺階，而且各單體電池溫度數(shù)值呈正態(tài)分布。本研究認為電池組件質(zhì)量波動即電參數(shù)不致，導致焦耳熱不同，表現(xiàn)為電池溫度波動。將溫度分布的相對誤差，作為組件質(zhì)量波動的量度具有定合理性。如果單體電池的電參數(shù)數(shù)值在某個平均值附近個不大范圍內(nèi)呈現(xiàn)正態(tài)分布，當它們串聯(lián)組成電池組件時，可以較容易模擬光伏組件I-/曲線異常。如果以本研究使用的組件組成5kW光伏陣列，模擬發(fā)現(xiàn)由組件質(zhì)量波動所帶來的損失將達到200W左右。研究結(jié)果表明，光伏電池組件質(zhì)量波動對光伏陣列性能影響，在設(shè)計光伏陣列工程時是個不可忽略的因素。