山東大學學報（工學版）組件質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，。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量差別在串聯后明顯影響到系統(tǒng)的特性。

3的組件的/"U曲線異常現象。

當單體電池組裝成組件時，還要經過焊接等工藝，因此影響組件質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的相對標準差應該大于表1中數值。但是，形成組件后每個單體電池電參數的相對標準差并沒有。某廠商所公開的電氣參數，中模擬所得到曲線的具體參數為：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的1%作為方差產生正態(tài)分布隨機數，由此得到這四個參數的相對標準差分別為1.6%、。6%、。8%和1.7%.這組參數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。

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

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

在模擬中假設各個參數的產生是獨立不相關的，這也許與真實情況有偏差。對于單體電池，這四個參數可能會隨電池片材質和制造工藝呈現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，通過的模擬發(fā)現將溫度分布的相對標準差作為電池組質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）和模擬時隨機數產生流程（b）在串聯模式下，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。進步研究了當光伏陣列總功率是5kW時由于各電池組質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個組件串聯組成5kW光伏陣列，在此沒有考慮串聯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-/曲線也不會同少數幾個組件串聯時那樣，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；這是數量較多光伏組件I-/曲線疊加的結果。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），最大可達損失在設計大功率光伏陣列時已經不可忽視了。這也提醒工程人員，發(fā)展光伏發(fā)電技術首先要保證光伏組件質量的致性，有時高質量的組件所帶來的功率收益比MPPT算法等技術發(fā)展還要重要。

4結論實驗發(fā)現光伏組件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值呈正態(tài)分布。本研究認為電池組件質量波動即電參數不致，導致焦耳熱不同，表現為電池溫度波動。將溫度分布的相對誤差，作為組件質量波動的量度具有定合理性。如果單體電池的電參數數值在某個平均值附近個不大范圍內呈現正態(tài)分布，當它們串聯組成電池組件時，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)現由組件質量波動所帶來的損失將達到200W左右。研究結果表明，光伏電池組件質量波動對光伏陣列性能影響，在設計光伏陣列工程時是個不可忽略的因素。