弱光性能参数优化

PVsyst 软件组件弱光性能参数的优化探讨 2015 03 25 天合光能光伏能源 摘要 组件弱光损失是组件在弱光条件下转换效率的降低带来发电量的损失 不同类型的组件 产品由于电池片制造技术的不同其弱光性能的表现会有一定的差异 对弱光性能有重要影响的 两个参数为组件串联电阻值 Rs 和并联电阻值 Rsh 由于光伏组件的理论模型较为复杂 对其 输出特性的研究一般采用仿真实验的模式 目前 PVsyst 仿真建模在弱光参数的设置上默认以 该软件自身提供的实验数据和美国 Sandia 数据作为基础 但在实际建模过程中发现 使用默 认的数据和预期的结果存在一定的差异 因此不能很准确地反映真实的弱光性能 在此前提下 本文基于多晶组件弱光 200W m2条件下的第三方测试数据 尝试对组件 PAN 文件中的参数 进行优化调整 使得在弱光下的发电量预测更加准确 除此 文中参考 PVsyst 用户手册展示 了 Rs 和 Rsh 优化调整的方法 在标准测试条件下 STC 太阳能模拟器的光强为 1000W m2 而大部分地区户外的实际 辐照度都要小于这个值 一般将辐照度低于 1000W m2的光照定义为弱光 比如图 1 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就取决于 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 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 如图 2 为不同并联电阻值 的多晶组件在户外测试条件下 Voc 随辐照的变化趋势 组件并联电阻越低 Voc 下降幅度越大 当并联电阻值在 141 或 220 左右时 Voc 降低不明显 即使降到 50 W m2 100W m2一般 只减少 2V 左右 从图 2 的结果也从侧面说明了相同功率的不同组件在 STC 条件下的转换效率 可能有很小的差异 但是由于并联电阻不同 在 200W m2下可能就有很大差别 其中 Rsh 是 影响组件弱光性能的一个重要参数 另外还包括串联电阻值 Rs 和二极管理想因子 因为二极 管理想因子和 Rs 相互关联 Rs 值改变后 二极管理想因子也会随着改变 所以本文主要探讨 Rsh 和 Rs 这两个参数对组件弱光性能的影响以及优化调整的方法 图 1 南京地区年水平辐照度分布 数据来源 Meteonorm6 1 气象软件 图 2 弱光下多晶组件的 Voc 随太阳辐照的变化趋势 南京地区 1 串联电阻值对弱光性能的影响 在 PVsyst 模型中 组件实际测试的串联电阻值被定义为 Series Resistance apparent 简写为 Rs apparent 而 SeriesResistance module 为单二极管模型有关的电阻值 简 写为 Rs module 这个值无法从组件的 Datasheet 得到 一般需要根据实际情况进行调整 以 XXX 240P 多晶组件为例 在 PVsyst 默认的组件 PAN 文件参数里面 该组件标准测试条件 下的 Rs apparent 值为 0 48 Rs module 为 0 281 标准测试条件下并联电阻值 Rsh Gref 为 250 现将 Rsh Gref 固定为 250 Rsh 0 默认为 Rsh Gref 的 4 倍 Rsh exp 5 5 这里的 Rsh 0 和 Rsh exp 会在第三部分详细说明 假设 Rs module 值分别取 为 0 35 和 0 413 和默认的 0 281 进行比较 使用 PVsyst 软件可得到不同辐照度下组件 的峰值功率和 NOCT 条件下组件的峰值功率 Pmax 结果参考表 1 表 1 XXX 240P 组件在不同 Rs module 值和不同辐照度下的 Pmax 比较 Rsh Gref 250 Rs module 0 35 Rs module 0 413 Rs module 0 281 Irrad W m Pm W Pm W Pm W 20046 847 945 6 40095 997 494 3 600144 8146 2143 2 800193193 9192 1000240240 1240 1 Pmax at NOCT W 177 1178176 1 图 3 为不同 Rs module 值在不同辐照下的相对 STC 时转换效率 从表 1 和图 3 模拟 结果可知 和默认值 0 281 相比 适当提高组件的 Rs module 值 可以提升弱光下的输 出性能 图 3 不同 Rs module 值在不同辐照下的相对 STC 转换效率比较 Rsh Gref 250 表 2 为基于南京地区不同 Rs module 的组件系统弱光损失对比 当 Rs module 以 0 005 微小变化时 弱光损失的变化幅度约在 0 1 左右 即说明了 Rs module 的微小变 化对弱光损失的影响很大 表 2 XXX 240P 组件系统取不同 Rs module 值的全年弱光损失比较 Rsh Gref 250 Pm 96kW Rs module 0 350 3450 340 3350 330 3250 320 3150 305 弱光损失 0 90 1 1 10 1 30 1 40 1 50 1 60 1 70 1 90 2 并联电阻值对弱光性能的影响 仍以 XXX 240P 为例 当 Rs module 固定为 0 35 不变 Rsh Gref 分别取为 200 400 600 和 1000 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和 NOCT 条件下功率 Pmax 结果参考表 3 表 3 XXX240P 组件在不同 Rsh Gref 值和不同辐照度下 Pmax 比较 Rs module 0 35 Rsh Gref 200 Rsh Gref 400 Rsh Gref 600 Rsh Gref 1000 Irrad W m Pm W Pm W Pm W Pm W 20046 64747 247 3 40095 696 296 496 6 600144 6145 1145 3145 4 800192 8193 1193 2193 3 1000240 1240 1240 1240 1 Pmax at NOCT W 177177 2177 3177 4 图 4 为组件转化效率及其相对 STC 时效率 从模拟结果可知提高并联电阻后 弱光性能有 一定的改善 但是提升幅度非常小 图 4 不同 Rsh Gref 值对应的相对 STC 弱光效率对比 Rs module 0 35 表 4 为不同 Rsh Gref 值的组件系统在南京地区的弱光损失对比 当 Rsh Gref 较低 时 100 200 以下对弱光损失的影响在 1 2 之间 当大于 200 Rsh Gref 值越大 弱光损失的比例越小 综合以上数据不难发现 在 PVsyst 模型中 我们得到一个重要结论 串联电阻值对弱光的影响程度要大于并联电阻值 表 4XXX 240P 组件系统取不同 Rsh Gref 值的全年弱光损失比较 Rs module 0 35 Pm 96kW Rsh 1201501601802003003504005006001000 弱光损失 2 1 60 1 60 1 40 0 9 0 8 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 除了 Rsh Gref 值外 我们再分析 Rsh 0 的影响 假设 Rsh Gref 250 Rsh exp 5 5 Rs module 0 35 Rsh 0 是 Rsh Gref 的 N 倍 当 N 取不 同的值时 得到弱光损失结果如表 5 所示 当 N 取值越高 弱光损失越小 表 5 不同 Rsh 0 下的弱光损失 Pm 96kW 倍数 N 1234567 弱光损失 2 700 1 800 1 300 0 900 0 700 0 500 0 300 同样的 保持其他参数不变 也可以得到 Rsh exp 变量对弱光的影响 参考表 6 表 6 Rsh exp 对弱光损失的影响 Pm 96kW Rsh exp 11 522 533 544 555 5 弱光损失 2 7 0 0 0 1 0 2 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 3 PVsyst 弱光参数的优化调整方法 在光伏系统设计时一般需要通过 PVsyst 软件进行发电量的模拟 该软件内部集成了大部 分厂家的组件数据库 每种功率规格的组件对应一个 PAN 文件 最新的版本 6 系列比老版本 5 有了较大的修正 模拟结果也比老版本更加准确 尤其在弱光性能部分添加了 Rsh Gref Rsh 0 Rsh exp 和 Rs module 四大参数的自定义调整功能 设计人员可以基于实 测数据进行修改 当然软件自身也设置了默认值 对于晶硅组件默认的 Rsh exp 为 5 5 Rsh 0 是 Rsh Gref 的 4 倍 这些数据是 PVsyst 研究人员基于实测的大量数据分析得到的 据 PVsyst 官方介绍 按照 IEC 61853 1 测试方法 基于不同辐照下的大量实测数据显示 晶硅 组件的相对转换效率在 600W m2 800 W m2辐照区间比 STC 条件下约降低 0 5 至 1 在 200 W m2降低 1 3 左右 其实 对于大多数设计人员 若仅仅知道组件的 Datasheet 上 的基本电性能参数很难去评估组件的弱光性能 使用默认参数模拟下来的弱光损失比较高 如 果组件供应商能给用户提供比较准确的弱光数据 设计人员可以根据 PVsyst 的修正功能进行 调整 可得到更加准确的组件 PAN 文件 如果实在没有办法获得这些数据 也可以根据 PVsyst 研究人员得到的经验值来估算 下文以 XXX 240P 组件为例并参考 PVsyst 用户使用手 册详细介绍弱光参数的调整方法 2 3 1 并联电阻值参数的调整方法 PVsyst 软件是根据单二极管等效电路模型对电池和组件的性能进行模拟 参考图 5 图 5 Pvsyst 软件所使用的单二极管模型 其中描述单二极管模型的电流和电压的输出关系表达式如 1 所示 1 式中 IL为光生电流 A I0为二极管反向饱和电流 A n 为二极管理想因子 相关研 究成果表明 Mermoud 和 Lejeune 2010 Eikelboom et al 1997 组件并联电阻值和 入射光强有一定的关系 当入射光强降低后 并联电阻随光强成指数变化 公式如 2 所示 2 Rsh Rsh Gref Rsh 0 Rsh Gref exp Rsh exp G Gref 2 其中 Rsh Gref 为 STC 下测试的并联电阻值 Rsh 0 为辐照为 0 时的并联电阻值 在曲线上为 Y 轴的截距 Rsh exp 表征并联电阻值随辐照变化的其中一个变量 G 为实际的太阳辐照度 Gref 为标准测试条件下光强 1000W m2 图 6 为 Rsh exp 取不同的值时 对公式 2 进行曲线绘制 其中 Rsh Gref 250 Rsh 0 1000 当辐照降低时并联电阻值会增加 图 6 不同 Rsh exp 下 Rsh 随辐照的变化关系 Rsh Gref 250 Rsh 0 1000 在弱光模型中 Rsh Gref Rsh 0 和 Rsh exp 值是可以根据实际情况进行调整 其中 Rsh Gref 为 STC 下测试的值 目前对于 Rsh Gref 的实际测试有太阳能模拟器的 I V 测试法 STC DarkReverse I V 测试法 External Parallel Resistance 测试法等 从行业相关研 究文献 1 可知 一般使用太阳能模拟器测试出来的结果会明显偏低 原因是电流微小变化时 从 IV 曲线上获取 Rsh Gref 太阳能模拟器缺乏足够的测试和计算精度 图 7 为对 250 个 XXX240 60P 组件样品使用太阳能模拟器 AAA 级光谱 测试出来的 Rsh Gref 值分布 平均值约 200 左右 在软件中 Rsh Gref 值一般设置大于平均测试 值 笔者认为默认的 250 还是比较保守的 图 7 250 个样品组件 Rsh 测试值分布 STC 图 8 为 XXX240 60P 组件在 PVsyst 模型中默认的值以及 Rsh 和辐照度的变化关系 Rsh 0 和 Rsh exp 是根据不同辐照下的 Rsh 值进行拟合得到 图 8PVsyst 中默认的 Rsh 0 和 Rsh exp 值 Rsh 0 和 Rsh exp 值的调整如图 9 所示 比如在不同的弱光下得到了 4 个 Rsh 测试值 通过左下方的 Fit 工具可看到 Rsh 0 和 Rsh exp 值已经变为 979 和 3 9 由于缺乏实际测 试数据 对 XXX240 60P 组件 Rsh 仍采用默认值 这里介绍其调整方法 具体操作可参考 PVsyst 用户手册 2 图 9 Rsh 0 和 Rsh exp 的调整方法 3 2 串联电阻值参数的优化调整方法 在 PVsyst 软件中未提到串联电阻值 Rs 和辐照度的变化关系 相关文献中 3 4 给出了晶 硅电池串联电阻值随着辐照变化的趋势 从图 10 可知当辐照降低时 电池的串联电阻也有微 小的变化 同时和 Rsh 的对比可知 Rs 降低幅度比 Rsh 要小很多 图 10 电池并联电阻值和串联电阻值随辐照变化关系 3 单位 1 suns 代表 200mW m2 Rs module 的调整参考图 11 定义窗口 默认提供了两种输入模式 第一种只需要输入 组件在不同光强和温度下的相对 STC 条件转换效率 可选 800 600 400 and 200 W m 和 25 条件 第二种模式是输入具体的光强 温度 Isc Voc Impp 和 Vmpp 值 参考图 12 图 11 Rs module 弱光参数定义窗口 图 12 Rs module 弱光参数定义输入窗口 以 XXX240 60P 多晶组件为例 参考第三方权威测试机构提供的低辐照测试结果 测试条 件 200W m2 25 AM1 5 在 200W m2下的电性能参数如表 7 所示 将 Vm Im Isc 和 Voc 输入到 PVsyst 软件 同时软件自动计算在 200W m2时的转换效率和其 相对于 STC 下的转换效率 其衰减比例为 2 76 完成后如图 13 所示 点击 OPtimizeRs 可获得 Rs module 值 软件自动进行拟合得到 Rs 值为 0 345 同时 600 800W m2辐照区间的弱光损失结果显示 0 5 以内 表 7 第三方测试机构提供的低辐照测试结果 T 25 辐照条件 200w m2 Module type Pmpp W Vmpp V Impp A Voc V Isc A XXX240 60p46 929 551 58834 811 684 图 13 Rs module 优化结果 4 优化后不同辐照下的电性能模拟结果和弱光损失比例 上文对 XXX240 60P 多晶组件的弱光参数优化 Rsh 缺少相关数据仍保留为默认值 根据 第三方测试数据对 Rs module 进行了优化 表 8 为优化后该组件在不同辐照度下和 25 条件的模拟结果 200W m2时的数据基本上和第三方的测试结果较为吻合 表 8 优化后的结果 Rs module 0 345 Rsh Gref 250 Rsh 0 1000 Rsh exp 5 5 Tm 25 Irrad W m Pmpp W Vmpp V Impp A Voc V Isc A 20046 7 29 20 1 60 34 42 1 73 30071 20 29 55 2 41 35 04 2 60 40095 70 29 76 3 22 35 48 3 47 500120 25 29 82 4 03 35 83 4 34 600144 64 29 82 4 85 36 11 5 20 700168 87 29 80 5 67 36 35 6 07 800192 87 29 78 6 48 36 56 6 94 900216 62 29 69 7 30