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）

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）

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）和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。

输出性能；PVsyst；光照强度；温度；串联电阻

0 引言

可再生能源是解决环境污染、臭氧层破坏、温室气体排放，能源需求紧张等问题的必由之路[1](P260-271)，可再生能源包括太阳能、风能、生物质能等。利用可再生能源发电特别是太阳能光伏发电，为人们提供能源的同时还给生活带来便利。制约光伏发电技术大面积推广的主要因素有成本和效率，光伏组件工作时存在最大功率点（MPP），为了有效利用太阳能，光伏发电系统必须进行最大功率点跟踪（MPPT），使光伏组件式中输出最大功率，从而提高光电转换效率。

光伏发电系统的主体是光伏方阵，光伏方阵由单元光伏组件串并联而成。光伏组件在使用过程中，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。光伏发电系统设计和安装人员使用较为简单的工具对系统的规模进行设计，而科研人员和工程师使用更加精密的模拟仿真工具进行优化。仿真优化软件应该具备预先可行性分析、系统设计、优化等功能，进一步地，为系统配置所输入和输出的信息能够调整项目进程[2](P24-25)。PVsyst是日内瓦大学开发的一个软件包[3]，已经成为模拟光伏发电系统性能的美国工业标准。

基于PVsyst软件对光伏组件输出性能进行仿真，分析光照强度、温度、串联电阻（暂不考虑并联电阻）对光伏组件输出性能的影响。仿真采用的是中电光伏型号为CSUN320-72M的光伏组件，其在标准测试条件下的特性参数如表1。

表1 CSUN320-72M光伏组件特性参数

1 光照强度效应

保持温度为25℃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Isc逐渐升高，同时开路电压Voc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Φ（λ）的升高，由 Iph=q∫Φ（λ）[1-R（λ）]IQE（λ）dλ[4](P3-25)可知光生电流Iph逐渐升高。

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Pm逐渐增加。由于Pm=IscVocFF[4](P3-25)，光照强度的升高使得Isc、Voc、FF都有不同程度的增加，进而使得Pm增加。

光照强度对光伏组件光电转换效率的影响如图3所示。从图3中可以看出，随着光照强度的增加，光电转换效率逐渐升高。

2 温度效应

保持光照强度为1000W/m2不变，温度对光伏组件I-V特性的影响如图4所示。短路电流Isc与温度之间的关联性并不是很大，随着温度的上升Isc略有增加，这是因为温度与禁带宽度的关系为Eg(T)=Eg(0)-αT2/(T+β)[5](P23-24)，半导体禁带宽度随温度的上升而减小使得光吸收随之增加的缘故。

图2 光照强度对光伏组件P-V特性的影响

图3 光照强度和温度对光伏组件转换效率的影响

图4 温度对光伏组件I-V特性的影响

温度的上升主要影响开路电压Voc，随着温度的上升半导体的禁带宽度Eg变小，本征载流子浓度ni增加，暗饱和电流I0增大，由Voc=kBT/qln(1+Iph/I0)[4](P3-25)可知开路电压Voc最终下降。

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，Voc下降的趋势比Isc升高的趋势更明显，导致最大功率Pm逐渐下降。

图5 电池温度对光伏组件P-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、前电极金属栅线与半导体的接触电阻、栅线之间横向电流对应的电阻、背电极与半导体的接触电阻等。Caballero等人[6](P1388-1391)对晶体硅太阳能电池提出了串联电阻模型，如图6所示。串联电阻表达式为：

Rs=RBase+RBus+RF+RFC+RSheet+RBC

式中：Rs为总的串联电阻；RBase为基区电阻；RBus为主栅线电阻；RF为副栅线体电阻；RFC为前接触电阻；RSheet为硅片表面薄层电阻；RBC为背面接触电阻。

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特性的影响如图7所示。随着串联电阻增大，短路电流Isc减小，开路电压Voc没受到影响。串联电阻越小，则填充因子越大，反映到I-V特性曲线上是该曲线越接近矩形。

串联电阻对光伏组件P-V特性的影响如图8所示。随着串联电阻增大，最大功率Pm逐渐减小。

图7 串联电阻对光伏组件I-V特性的影响

图8 串联电阻光伏组件P-V特性的影响

串联电阻对光伏组件光电转换效率的影响如图9所示。串联电阻越大，短路电流下降越多（而对开路电压没有影响），填充因子也随之减少得越多，最大功率Pm越小，光电转换效率越低。

图9 串联电阻对光伏组件转换效率的影响

4 结论

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的光伏组件输出性能的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现非线性。光伏组件工作时存在最大功率点（MPP），为了有效利用太阳能资源，光伏发电系统必须进行最大功率点跟踪（MPPT），光伏组件输出性能的仿真结果有助于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。

[1]Zeng Ming,Liu Ximei,LiNa,Xue Song.Overallreview of renewable energy tariff policy in China:Evolution,implementation,problems and countermeasures[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2013(25).

[2]M Irwanto,Y M Irwan,I Safwati,et al.Analysis Simulation of the Photovoltaic Output Performance [C]//2014 IEEE 8th International Power Engineering and Optimization Conference(PEOCO2014,Langkawi,The Jewel of Kedah,Malaysia,2014.

[3]PVsyst 6.42[EB/OL].http://www.pvsyst.com/

[4]Tom Markvart,Luis Casta?erb,“Chapter IA-1-Principles of Solar Cell Operation”in Solar CellsMaterials,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,Sánchez-Friera P,et al.Series resistance modelling of industrial screen -printed monocrystalline silicon solar cells and modules including the effect of spot soldering[J].IEEE Solar Cell Processing,2006.

（责任编辑：陈 辉）

Simulation Analysis of the Photovoltaic Output Performance Based on PVsyst

XIAO You-peng
（College of Mechanical Engineering,Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China）

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 efficiency.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 voltage,maximum power point?(MPP)and conversion efficiency vary differently.The simulation results are helpful to implement photovoltaic system’s maximum power point tracking (MPPT),so as to improve the conversion efficiency and maximize the utilization rate of the PV module.

output performance;PVsyst;light intensity;temperature;series resistance

TM615

A

123(2015)01-0030-04

2014-06-19

肖友鹏（1979-），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。