【技术贴】串并联电阻对光伏组件电性能的影响

光伏组件的输出功率受很多因素的影响，其中包括光伏组件标称功率、组件的老化衰减、组件的实际温度、组件表面灰尘遮挡、组件串联失配等等，但除此之外，经常被人们所忽视的重要因数就是光伏组件的串联电阻（R_s）和并联电阻（R_sh）。华阳检测作为光伏行业专业检验检测机构，对组件串、并联电阻与组件电性能之间的关系进行了深入的研究。

一、什么是串联电阻（R_s）和并联电阻（R_sh）

R_s主要是电池片的自身电阻，加上片与片之间的连接电阻构成。片与片之间的连接电阻包括栅线造成的横向电阻、导电银浆造成的电极电阻以及电极印刷和烧结造成的接触电阻。R_sh的存在主要是P-N结有缺陷造成的，这些缺陷可能会导致短路，虽对短路电流基本没有影响，但是会导致开路电压降低，因此R_sh反映的是光伏组件电池片的漏电水平。

二、串、并联电阻对光伏组件在STC条件下电性能的影响

为了搞清楚串、并联电阻对光伏组件在STC条件下输出功率的影响，我们从太阳能电池片的等效电路图来进行分析，见下图：

图1：理想太阳能电池等效电路图

图2：实际太阳能电池等效电路图

在理想太阳能电池中（见图1），把光照下的P-N结看做一个恒流源G和理想二极管并联，光生电流I_ph，R为外负载。而在实际太阳能电池中（见图2），将电池材料本身以及不可避免引入的附加电阻用串联电阻R_s来表示，将漏电流等其他缺陷造成的电阻用并联电阻R_sh来表示，电路中电流之间的关系为：

当外负载电阻趋于无穷大，即电池两端开路，此时流过R的电流I=0，此时V即为开路电压Voc，因此：

由此可以看出，开路电压Voc随着并联电阻R_sh的增大而增大，不受串联电阻R_s的影响。

当外负载电阻趋于0，即电池两端短路，此时I即为短路电流Isc，因此短路电流Isc随着R_s的减小而增大，而不会受到并联电阻的影响。

根据电池的转换效率公式：

要想增大光伏组件的输出功率，如何做到减小串联电阻R_s而增大其并联电阻R_sh是至关重要的。下图展示了华阳检测的分析研究结果：

图3：并联电阻对输出性能的影响

图4：串联电阻对输出性能的影响

除了理论分析，华阳检测也考察了大量的实际检测数据，结果的确与上述分析一致（由于行业保密制度，此处不展示实际数据），但在下图中展示了新南威尔士大学晶硅太阳电池的数据，从图可知，在标准光强下，当R_sh＜100Ω时，对开路电压的影响非常大；随着R_sh的增大，电池片的填充因子FF和最大输出功率均在变大。

图5：标准光强下并联电阻对开路电压的影响对比（T=300K）

    因此，为了提升光伏组件在标准条件下的功率，电池和组件厂家一直在提升并联电阻R_sh的同时降低串联电阻R_s。

三、串、并联电阻对光伏组件在弱光条件下电性能的影响

前面分析了串、并联电阻对光伏组件在STC条件下输出功率的影响，但是在实际环境中，大部分地区户外的实际辐照度都要小于1000W/m²，一般将辐照度低于1000W/m²的光照定义为弱光，晶硅组件在弱光条件的发电能力称为弱光性能。下图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。因此，对于光伏电站投资者，不单单要关注光伏组件的铭牌参数（STC条件下的电性能参数），更要关注光伏组件在弱光条件下的发电性能。

图6：南京地区年水平辐照度分布（%）（数据来源：Meteonorm6.1气象软件）

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，下图是不同并联电阻值的多晶组件在户外测试条件下组件开路电压Voc随辐照的变化趋势，结果表明，高辐照度下Voc相差较小的6块组件，当处在相同的弱光条件下时，R_sh越低，Voc下降幅度越大。

图7：弱光下多晶组件的Voc随太阳辐照的变化趋势（供参考）

接下来我们使用PVsyst 6.8.5软件，分析探讨R_sh和R_s这两个参数对组件弱光条件下输出功率的影响。直接调用软件数据库中XXX-380M组件，将R_sh（Gref）固定为800Ω，R_sh（0）默认为R_sh(Gref)的4倍，R_sh（exp）=5.5，将R_s（module）值分别手动设置为0.25Ω和0.30Ω和0.35Ω，使用PVsyst软件可得到不同辐照度下组件的峰值功率Pmax，结果参考下表。

辐照 强度	Rs（Module）（Ω）			电池片 温度
	0.25	0.30	0.35
W/m²	Pmax （W）	Pmax （W）	Pmax （W）	（℃）
200	72.7	73.9	75.1	25
400	149.4	151.1	152.8	25
600	226.7	228.3	230.0	25
800	303.7	304.8	306.0	25
1000	380.0	380.2	380.4	25

图8：R_s对光伏组件弱光性能的影响（R_sh=800Ω）

从以上结果可以发现，当R_s（module）以0.05Ω变化时，弱光损失的变化幅度约在1%左右（400W/m²），即R_s（module）的对光伏组件弱光性能的影响很大，R_s越大，弱光性能越好。

仍以XXX-380M为例，当R_s（module）固定为0.30Ω不变，R_sh（Gref）分别取为400Ω，600Ω和800Ω，R_sh (0)是R_sh(Gref)的4倍，R_sh（exp）=5.5，使用PVsyst软件可得到不同辐照度下的峰值功率Pmax，结果参考下表。

辐照 强度	Rsh（Gref）（Ω）			电池片 温度
	400	600	800
W/m²	Pmax （W）	Pmax （W）	Pmax （W）	（℃）
200	73.5	73.7	73.9	25
400	150.5	150.9	151.2	25
600	227.8	228.1	228.4	25
800	304.5	304.7	304.9	25
1000	380.0	380.1	380.2	25

图9：R_sh对光伏组件弱光性能的影响（Rs=0.30Ω）

从以上模拟结果可知提高并联电阻R_sh后，组件的弱光性能有一定的改善，但是提升幅度非常小。

综上所述，并联电阻增大、串联电阻提高均有利于组件弱光性能的提升。而并联电阻主要与电池结构有关，如单晶PERC电池由于更高的并联电阻因而弱光发电能力优于多晶组件。但对于同类型电池，且并联电阻大于400Ω时，并联电阻对弱光性能的影响则较小，此时串联电阻的影响则非常显著。光伏电站实际运行中，绝大部分时间工作在弱光条件下，低辐照度下组件的输出特性，很大程度上影响系统的发电能力，因此，低辐照度下组件的性能测试就显得更加重要，应该作为光伏组件选型时的重要指标之一。

华阳检测作为光伏行业专业检验检测机构，拥有全球领先的AAA级光伏组件脉冲模拟器，在评估组件低辐照度下的电性能特性有着多年的研究经验，下图为光伏组件脉冲模拟器实物照片。