第１０卷第１期 江西科技学院学报 Ｖ０１．１０Ｎｏ．１ ２０１５年３月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＪＩＡＮＧ ＸＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｍａｒｃｈ．２０１５ 基于ＰＶｓｙｓｔ的光伏输出性能仿真分析 肖友鹏 （江西科技学院机械工程学院，江西南昌３３００９８） 摘要：基于ＰＶｓｙｓｔ软件模拟分析了光照强度、温度、串联电阻对中电光伏型号为ＣＳＵＮ３２０—７２Ｍ的光伏组件 Ｉ—Ｖ特性、Ｐ—Ｖ特性和光电转换效率的影响，分析表明光伏组件的输出性能呈非线性，光照强度、温度、串联电阻的变 化均对光伏组件的短路电流、开路电压，最大功率点（ＭＰＰ）￣光电转换效率有影响。通过模拟分析结果，有助于光伏 发电系统进行最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ），使得光伏组件始终输出最大功率，从而提高光电转换效率，进而最大化光伏 组件的利用率。 关麓词：输出性能；ＰＶｓｙｓｔ；光照强度；温度；串联电阻 中圈法分类号：ＴＭ６１５ 文献标识码：Ａ 文章稿号：１２３（２０１５）０１—００３０—０４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｏｕｔｐｕｔ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＶｓｙｓｔ ＸＩＡ０ Ｙｏｕ－ｐｅｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｘｉ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００９８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａ￣Ｔｈｅ ＰＶｓｙｓｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎｃｌｕｄｅｄ Ｉ—Ｖ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｐ－Ｖ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ＰＶ ｍｏｄｕｌｅ ｈａｓ ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｗｉｔｈ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ， ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅ ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｏｐｅｎ－ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌａｔｇｅ，ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ？（ＭＰＰ）ａｎｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｖａｒｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｙ． ｎ１ｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰｅｒ），ＳＯ ａｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｍａｘｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ＰＶ ｍｏｄｕｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｕｔｐｕｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ＰＶｓｙｓｔ；ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ 单元光伏组件串并联而成。光伏组件在使用过程中， Ｏ 引言 其输出性能与光伏组件所受的光照强度、温度和其 寄生电阻特别是串联电阻密切相关。光伏发电系统 可再生能源是解决环境污染、臭氧层破坏、温室 设计和安装人员使用较为简单的工具对系统的规模 气体排放，能源需求紧张等问题的必由之路【 １（Ｐ￣０－２７”， 进行设计，而科研人员和工程师使用更加精密的模拟 可再生能源包括太阳能、风能、生物质能等。利用可 仿真工具进行优化。仿真优化软件应该具备预先可 再生能源发电特别是太阳能光伏发电，为人们提供 行性分析、系统设计、优化等功能，进一步地，为系统 能源的同时还给生活带来便利。制约光伏发电技术 配置所输人和输出的信息能够调整项目进程【２］（ ∞。 大面积推广的主要因素有成本和效率，光伏组件工 ＰＶｓｙｓｔ是日内瓦大学开发的一个软件包［３１，已经成为 作时存在最大功率点（ＭＰＰ），为了有效利用太阳能， 模拟光伏发电系统性能的美国工业标准。 光伏发电系统必须进行最大功率点跟踪（ＭＰ ），使光 基于ＰＶｓｙｓｔ软件对光伏组件输出性能进行仿 伏组件式中输出最大功率，从而提高光电转换效率。 真，分析光照强度、温度、串联电阻（暂不考虑并联电 光伏发电系统的主体是光伏方阵，光伏方阵由 阻）对光伏组件输出性能的影响。仿真采用的是中电 收稿日期：２０１４—０６—１９ 作者简介：肖友鹏（１９７９一），男，江西萍乡人，江西科技学院机械工程学院，讲师，硕士。研究方向：光伏材料与器件。 江西科技学院学报（２ｏ１５） ・３１・ 光伏型号为ＣＳＵＮ３２０—７２Ｍ的光伏组件，其在标准测 件Ｉ—Ｖ特性的影响如图４所示。短路电流Ｉ 与温度 试条件下的特性参数如表１。 之间的关联性并不是很大，随着温度的上升Ｉ 略有 表１ ＣＳＵＮ３２０—７２Ｍ光伏组件特性参数 增加，这是因为温度与禁带宽度的关系为Ｅｇ∞＝Ｅｇ 项目 短路电流ＵＡ （０）一 竹（ｒｒ ）［ｓｌ（Ｐ２３－￣），半导体禁带宽度随温度的上升而 开路电压Ｖ Ⅳ 减小使得光吸收随之增加的缘故。 最大功率点电流Ｉ ／Ａ 最大功率点电压Ｖ Ｖ 最大功率ＰＩ，／ｗ 组件效率 ｍ ∞加 ＂串 片 组件电池片数量，片 联 １ 光照强度效应 保持温度为２５ｃｃ不变，光照强度对光伏组件Ｉ—Ｖ 特性的影响如图１所示。从图１中可以看出，随着光 照强度的升高，光伏组件的短路电流Ｉ 逐渐升高，同 ｖｏ Ｍ 图２ 光照强度对光伏组件Ｐ—Ｖ特性的影响 时开路电压Ｖ 也缓慢升高，Ｉ—Ｖ曲线的方形程度也 在增加，这说明填充因子ＦＦ也在升高。短路电流是 最大的光生电流，随着光照强度即光子通量 （Ａ）的 升高，由ＩｐＩｌ＝ｑ』 （入）［１一Ｒ（Ｘ）ＪＩＱＥ（Ａ） ［４ｌ 可知光 生电流Ｉ 逐渐升高。 ｈ■■■■●■柙 —Ｉ 图３ 光照强度和温度对光伏组件转换效率的影响 Ｖ０■｝一ＩＶｌ 图１光照强度对光伏组件Ｉ－Ｖ特性的影响 光照强度对光伏组件Ｐ—Ｖ特性的影响如图２所 示。从图２中可以看出，随着光照强度的上升，最大 功率Ｐ加逐渐增加。由于Ｐｍ＝Ｉ ＦｍｔＰ￣ｍ，光照强度的 升高使得Ｉ 、Ｖ ＦＦ都有不同程度的增加，进而使得 Ｖ●■口●ｆⅥ Ｐｍ增加。 图４温度对光伏组件Ｉ－Ｖ特性的影响 光照强度对光伏组件光电转换效率的影响如图 温度的上升主要影响开路电压Ｖ ，随着温度的 ３所示。从图３中可以看出，随着光照强度的增加，光 上升半导体的禁带宽度Ｅ 变小，本征载流子浓度ｎｉ 电转换效率逐渐升高。 增加，暗饱和电流１０增大，由Ｖ ＝ｋｓＴ／ｑｌｎ（１＋Ｉ￣１０）嗍 可知开路电压Ｖ 最终下降。 ２ 温度效应 温度对光伏组件Ｐ—Ｖ特性的影响如图５所示。 可见，随着温度的上升，Ｖ 下降的趋势比Ｉ 升高的 保持光照强度为ｌＯ００Ｗ／ｍ 不变，温度对光伏组 趋势更明显，导致最大功率Ｐｍ逐渐下降。 ・３２・ 肖友鹏：基于ＰＶｓｙｓｔ的光伏输出性能仿真分析 ｖ岬Ｍ 图５电池温度对光伏组件Ｐ—Ｖ特性的影响 图７串联电阻对光伏组件Ｉ－Ｖ特性的影响 温度对光伏组件光电转换效率的影响如图３所 示。可见随着温度的上升，光伏组件的转换效率逐渐 下降。 ３ 串联电阻效应 光伏组件由光伏电池组成，光伏电池功率损耗 主要包括电学损耗和光学损耗，电学损耗主要有串 联电阻损耗和载流子复合损耗。光伏电池的串联电 阻主要来源于半导体材料的体电阻、前电极金属栅 图８ 串联电阻光伏组件Ｐ—Ｖ特性的影响 线与半导体的接触电阻、栅线之间横向电流对应的 串联电阻对光伏组件光电转换效率的影响如图 电阻、背电极与半导体的接触电阻等。Ｃａｂａｌｌｅｒｏ等人 ９所示。串联电阻越大，短路电流下降越多（而对开路 ［￣３ｓｓ－ 对晶体硅太阳能电池提出了串联电阻模型， 电压没有影响），填充因子也随之减少得越多，最大 如图６所示。串联电阻表达式为： 功率Ｐｍ越小，光电转换效率越低。 Ｒ自：ＲＢ ＋ＲＢｌｌＢ＋Ｒｒ＋Ｒ ＋Ｒ５ ＋Ｒｓｃ 式中：Ｒ日为总的串联电阻；Ｒ 为基区电阻；Ｒ陆 为主栅线电阻；Ｒ 为副栅线体电阻；Ｒ陀为前接触电 阻；Ｒ 为硅片表面薄层电阻；Ｒ眦为背面接触电阻。 主檑线电阻 电阻 图９串联电阻对光伏组件转换效率的影响 图６光伏电池串联电阻示意图 并联电阻保持不变，串联电阻对光伏组件Ｉ—Ｖ ４ 结论 特性的影响如图７所示。随着串联电阻增大，短路电 流Ｉ 减小，开路电压Ｖ 没受到影响。串联电阻越小， 基于ＰＶｓｙｓｔ软件模拟分析了光照强度、温度、串 则填充因子越大，反映到Ｉ—Ｖ特性曲线上是该曲线 联电阻对中电光伏型号为ＣＳＵＮ３２０—７２Ｍ的光伏组 越接近矩形。 件输出性能的Ｉ—ｖ特性、Ｐ—Ｖ特性和光电转换效率 串联电阻对光伏组件Ｐ—Ｖ特性的影响如图８所 的影响，分析表明光伏组件的输出性能呈现非线性。 示。随着串联电阻增大，最大功率Ｐｍ逐渐减小。 光伏组件工作时存在最大功率点（ＭＰＰ），为了有效利 江西科技学院学报（２０１５） 用太阳能资源，光伏发电系统必须进行最大功率点 参考文献： ｌｌＺｅｎｇ Ｍｉｎｇ， 跟踪（ＭＰＰＩ＇），光伏组件输出性能的仿真结果有助于 【・３３・ Ｘｉｍｅｉ，Ｌｉ Ｎａ，Ｘｕｅ Ｓｏｎｇ．Ｏｖｅｒａｌｌ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ 进行最大功率点跟踪，使光伏组件始终输出最大功 率，最大化光伏组件的利用率。 ４．１随着光照强度的升高，短路电流逐渐升高、开路 电压也有所升高，最大功率逐渐增加，光电转换效率 也在升高。因此，光伏方阵应该按最佳倾斜角进行布 ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｔａｒｉｆｆ ｐｏｌｉｃｙ ｉｎ Ｃｈｉｎａ；Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ， ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｉｔｏｎ，ｐｍ￣ｅｍｓ ａｎｄ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ【Ｊ】．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ａｎｄ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｖｉｅｗｓ，２０１３（２５）． ［２］Ｍ Ｉｒｗａｎｔｏ，Ｙ Ｍ Ｉｒｗａｎ，Ｉ Ｓａｆｗａｔｉ，ｅｔ ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｏｕ￣ｕｔ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ 【Ｃ］／／２０１４ ＩＥＥＥ ８ｔｈ 置，太阳能资源直射比较大时还可安装太阳能跟踪 系统，充分利用太阳能辐射资源。 ４．２随着温度的升高，短路电流稍有上升、开路电压 逐渐下降，开路电压下降的趋势比短路电流升高的 趋势更明显，导致最大功率逐渐下降，光电转换效率 也在下降。因此，可以选择合适的冷却方式来降低光 伏组件的温度，选择规格一致的光伏组件，方阵布置 时应该规避阴影带来的热斑效应的影响。 ４＿３串联电阻的增大会降低短路电流、最大功率，而 对开路电压影响很小，最终会降低光电转换效率。因 此，应该提高光伏电池和光伏组件选用材料的品质， 提高光伏电池和光伏组件的制造工艺，降低光伏组 件的串联电阻，提高光伏组件的转换效率。 Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＰＥＯＣＯ２０１４，Ｌａｎｇｋａｗｉ，Ｔｈｅ Ｊｅｗｅｌ ｆｏ Ｋｅｄａｂ，Ｍａｌａｙｓｉａ，２０１４． ［３］ＰＶｓｙｓｔ ６．４２［ＥＢ／ＯＵ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｖｓｙｓｔ．ｃｏｒｎ／ ［４￣ｏｍ Ｍａｒｋｖａｒｔ，Ｌｕｉｓ Ｃａｓｔａ？ｅｒｂ，“Ｃｈａｐｔｅｒ ＩＡ－１－Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ”ｉｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ Ｍａｔｅｒｉｌａｓ，Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ）［Ｍ】．Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌｔｄ，２０１３． ［５】刘恩科，朱秉升，罗晋生．半导体物理学【Ｍ】．北京：电子工业出 版社．２０１３． 【６］Ｃａｂａｌｌｅｒｏ Ｌ Ｊ，Ｉｓｏｆｏｔｏｎ Ｓ Ａ，Ｓ６ｎｃｈｅｚ－Ｆｒｉｅｒａ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｓｃｒｅｅｎ －ｐｒｉｎｔｅｄ ｍｏｎｏｃｒｙｓｔｌａｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ａｎｄ ｍｏｄｕｌｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｅｃｔ ｏｆ ｓｐｏｔ ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００６． （责任鳊辑：陈辉）