组件电子学

SunSolve Yield 使用基于物理的电路方法对光伏组件的完整电气行为进行建模。 每个太阳能电池由单二极管等效电路表示，连接在复制组件真实电气布局的网络中——包括串联和并联串、互连和可选旁路二极管。 每个电池的光生电流直接来自光线追踪的光学吸收，而温度相关的电气参数在每个时间步长求解，以确定电流-电压（IV）特性和组件输出。这种方法在仿真中提供了光学、热学和电气域之间一致的、基于物理的联系。

太阳能电池等效电路

本页重点介绍 SunSolve Yield 如何在组件级别连接和求解电池模型（串、互连和旁路二极管）。 底层太阳能电池等效电路模型（包括假设和控制方程）在等效电路模型中单独记录。

组件电路

组件电路包括通过节点点矩阵连接的”连接器”和”电池串”阵列（见下图）。

连接器定义了电池串如何连接在一起，可以是四种类型之一：

• 开路：没有电流流过连接器，两侧的节点电气隔离。

• 短路：无损连接（即电阻 = 0 Ω），电流可以在相邻节点之间流动。

• 旁路二极管：如下文所述的单个SPICE二极管，二极管可以面向任一方向。

• 组件端子：将组件电路连接到外部负载的端点，每个面板必须有一个正端子和一个负端子。

电池串包含从正端子到负端子连接的一个或多个太阳能电池等效电路。电池可以排列成在照明下电流沿任一方向流过串。

已实现三种不同的电路布局：

• 传统c-Si：交替的”连接器”和”电池串”行。该模型可配置以匹配各种c-Si光伏组件。

• 具有返回路径的奇数列：具有包含返回路径的额外列（实现为短路）的奇数个电池串列。这用于对具有较大半切电池尺寸的面板进行建模。

• 水平串：两列”连接器”，中间有一列并联”电池串”。这种布局更常用于薄膜组件，例如FirstSolar CdTe产品。

传统c-Si布局如下所示，它包括交替的连接器和电池串行。至少需要一个电池串和四个连接器。可以在X和Y方向上添加更多电池串。对于添加的每个新列，向每行添加一组新的连接器。请注意，许多外部连接器通常设置为开路。

“传统c-Si”选项的通用电路布局。矩阵包括交替的连接器和电池串行。

下面显示了两个传统c-Si组件电路的示例。两者都具有用三个旁路二极管连接的并联电池串组。

“传统c-Si”选项的示例组件电路。

水平串布局如下所示，它包括两列连接器和中间的并联电池串列。至少需要一个串和一对连接器（组件端子）。可以添加具有一对连接器（短路）的新并联电池串作为新行。

“水平串”选项的通用电路布局。矩阵包括两列连接器和中间的并联电池串列。

“水平串”选项的示例组件电路。在这种情况下，有三个并联串，每个串有268个串联电池。

旁路二极管模型

旁路二极管有两个可用模型，两者都基于用于二极管建模的常见SPICE方法。

“简单”模型没有温度依赖性、没有串联电阻、没有反向击穿。通过旁路二极管的电流（IB）由以下确定：

$$I_B = \begin{cases} I_{S,B} \cdot \left[ \exp \left( \frac{V_{BD}}{N_B V_T} \right) - 1 \right], & V_{BD} > -3 \cdot N V_T \\ -I_{S,B} \cdot \left[ 1 + \exp \left( \frac{3 \cdot N_B V_T}{V_{BD} \cdot e} \right)^3 \right], & V_{BD} \le -3 \cdot N V_T \end{cases}$$

其中*I_S,B*是饱和电流，NB是二极管理想因子。

“SPICE Level 1”模型允许定义R_S,B，这是与二极管串联的欧姆电阻器。它还允许定义”导通拐点”反向偏置击穿电压BV，此时二极管电流转向流动反向偏置击穿”拐点”电流IBV。饱和电流的温度依赖性通过定义带隙电压（EG）和温度指数XTI来实现，如以下方程所示：

$$I_s(T) = I_s \exp \left( \left( \frac{T}{T_{NOM}} - 1.0 \right) \cdot \frac{EG}{N V_T(T)} + \frac{XTI}{N} \cdot \ln \left( \frac{T}{T_{NOM}} \right) \right)$$ $$V_T(T) = \frac{kT}{q}$$

请注意，太阳能组件中的旁路二极管通常在它们通常经历的反向电压范围内没有反向击穿行为，因此BV的值可以设置得很高。

下图演示了将二极管模型拟合到典型太阳能旁路二极管。

使用完整 SPICE level 1 模型（符号）模拟典型太阳能旁路二极管与数据表上报告的正向（右）和反向（左）二极管特性（线）之间的比较。

有关电池模型如何在产量运行期间进行参数化和更新的详情，请参阅：

• 电池光生电流的确定
• 串联电阻的确定
• 电气电路的温度依赖性

电池间失配

SunSolve 使用以下程序在产量仿真的每个时间步长计算电池间失配。

对于每个组件：

1. 从光线追踪和电池收集效率确定每个太阳能电池中的光生电流 J_L。

2. 如果它们都在自己的最大功率下运行，则确定每个太阳能电池产生的功率（在组件温度下求解单二极管模型）。这些值的总和是 $P_{noMM}$

3. 当所有电池按组件布局连接时，确定组件产生的最大功率，包括与电池串并联的旁路二极管（在组件温度下求解组件的 SPICE 模型）。这给出 PMM。

4. 该组件的绝对失配损失为 $P_{noMM} - P_{MM}$。

然后，对于单位系统：

5. 绝对电池间失配损失是每个组件损失的总和：$ΣP_{noMM} - ΣP_{MM}$

6. 相对电池间失配损失是 $(ΣP_{noMM} - ΣP_{MM}) / ΣP_{noMM}$

摘要

下表提供了组件电子学模型的摘要。

参数	模型	注释	参考文献
电池电流-电压输出特性	带 Rs 和 Rp 的单二极管等效电路	光伏行业事实上的标准。有关 SunSolve 实现，请参阅等效电路模型。	[Chin2015] [McIntosh2001]
辐照度相关分流电阻	PVsyst 辐照度相关分流模型	主要用于非晶硅器件。请参阅光照依赖分流电阻。	[Mermoud2013] [Mermoud2014]
组件电路	DC SPICE 电路	定义并求解组件的完整 SPICE 模型。	[SPICE3f5]
二极管模型	Level 1 SPICE 模型	基于伯克利大学的 SPICE 3f5 实现	[SPICE3f5]
电池串联电阻的计算	一组解析方程	仅适用于复杂组件。请参阅串联电阻的确定。	[Green1982]
电流-电压输出的温度依赖性	PVsyst 模型	请参阅电气电路的温度依赖性。	[Mermoud2014]