中南大學能源科學與工程學院 ■ 李勇吳煒

光伏組件與陣列遮擋陰影下的輸出特性仿真分析

中南大學能源科學與工程學院 ■ 李勇*吳煒

首先，利用PVsyst模擬了電池板遮擋面積、配置的二極管數(shù)目及不同遮擋位置下組件的輸出特性，提出了提高光伏組件輸出功率的方法；其次，結(jié)合長沙某菜市場擬建的光伏電站，利用PVsyst仿真了配置不同的二極管數(shù)量及兩種布置方式下光伏陣列的輸出特性，比較冬至日某個時刻間距陰影遮擋和近處陰影遮擋兩種情況下陣列的輸出特性。結(jié)果表明，對于只有間距陰影遮擋的光伏陣列配置二極管的數(shù)量和采用的布置方式對結(jié)果的影響非常??；當陣列有嚴重的近處陰影遮擋時，適當提高配置的二極管數(shù)量，PR提高2.3%；豎向布置方式高樓遮擋陰影損失率約為橫向布置的1.6倍。

電池板遮擋面積；配置二極管；PVsyst仿真；布置方式；輸出特性

0　引言

太陽能作為一種綠色能源，具有取之不竭、用之不盡，不污染環(huán)境、不破壞生態(tài)，周而復始、可以再生，分布廣泛、方便使用，就地可取、無需運輸?shù)奶攸c。相比于傳統(tǒng)的火電，太陽能發(fā)電清潔環(huán)保，其會逐漸取代傳統(tǒng)能源發(fā)電，并將成為世界能源供應的重要組成部分[1]。在實際應用中，光伏陣列都會受到陰影遮擋，產(chǎn)生熱斑效應，影響陣列的輸出特性[2,3]。多數(shù)文獻研究了固定遮擋某部分組串對太陽電池板輸出特性的影響[4-8]，或者是固定遮擋光伏組件某部分在不同布置方式下的輸出特性[9]。在光伏電站運行過程中，會不可避免地遇到陰影遮擋的問題，對于整個光伏電站進行陰影分析是比較困難的，但可對組件在陰影遮擋情況下的I-V輸出特性進行分析，進而對光伏陣列在陰影遮擋下的輸出特性進行研究。

本文首先對太陽電池板的陰影遮擋進行分析，研究太陽電池板遮擋面積、配置的旁路二極管數(shù)目[10]及陰影遮擋位置的不同與組件輸出特性的關(guān)系，提出提高組件輸出功率的方法；其次，結(jié)合在長沙擬建的光伏電站，利用PVsyst研究光伏陣列的陰影遮擋的情況，研究間距陰影遮擋和近處陰影遮擋兩種情況下，配置不同數(shù)量的二極管及采用橫、豎向布置方式的陣列輸出特性，包括具體某個時刻和全年的光伏陣列的陰影遮擋損失率、年發(fā)電量和系統(tǒng)效率；提出在實際條件下提高系統(tǒng)效率的方法，從而為光伏電站設計提供重要的參考。

1　組件陰影遮擋分析

1.1組件輸出功率和遮擋面積的關(guān)系

本文選用Hanwha SolarOne 255 W多晶硅光伏組件，利用PVsyst對光伏組件進行估算，可得到電池組在STC下不同遮擋比例的輸出特性，如圖1和圖2所示。在遮擋面積小于47%時，旁路二極管未導通，功率的衰減比例呈線性上升趨勢，而輸出電流呈線性下降趨勢，而電壓有緩慢的升高。當遮擋面積大于47%時，被遮擋電池片所在電池串的旁路二極管被正向?qū)?，使得該電池串短路，整個電池板的工作電壓比無遮擋時出現(xiàn)下降，降為18 V。整個光伏組件的輸出功率基本保持不變，約為150 W。整個組串的輸出電壓U受陰影遮擋的影響會降低，影響組串的出力。

圖1　組件遮擋面積與功率衰減比例的關(guān)系

圖2　組件遮擋面積與組件輸出的關(guān)系

1.2旁路二極管個數(shù)對組件遮擋情況下輸出特性的影響

由上文可知，當遮擋面積大于47%時，被遮擋電池片所在電池串的旁路二極管正向?qū)?，輸出電壓下?/3，這是因為電池板配置了3個旁路二極管。因而研究組件的輸出性能與配置旁路二極管數(shù)量的關(guān)系是有必要的。

圖3是Hanwha SolarOne 255 W多晶硅光伏組件在配置2、3、4和6個二極管時的連接方式示意圖。這塊組件有60塊電池片，其配置方式分別為：2×30、3×20、4×15、6×10。

圖3　配置不同數(shù)量二極管的連接示意圖

組件在一塊電池片被遮擋80%情況下的輸出特性如圖4所示，可以看出旁路二極管的數(shù)目對最大功率點工作電壓的影響顯著。太陽電池板最大功率點電壓為30.8 V，當配置方式為2×30時，最大功率點的工作電壓為13.5 V，陰影遮擋使太陽電池板工作電壓下降了1/2；配置方式為3×20時，最大功率點的工作電壓為18.3V，陰影遮擋使太陽電池板工作電壓下降了1/3；配置方式為4×15時，最大功率點的工作電壓為20.6V，陰影遮擋使太陽電池板工作電壓下降了約1/4；配置方式為6×10時，最大功率點的工作電壓為22.6V，陰影遮擋使太陽電池板工作電壓下降了1/6。但增加旁路二極管數(shù)量勢必會增加光伏組件的成本，目前主流的太陽電池板一般都配置3個旁路二極管。

圖4　配置二極管數(shù)目與組件輸出的關(guān)系

1.3不同遮擋位置對組件輸出性能的影響

上文對遮擋面積與配置旁路二極管的數(shù)目對組件的輸出特性進行了研究，采用的方法都是對單一電池片進行遮擋。當多個電池片被遮擋，情況就會比較復雜，被遮擋的電池片分屬于同一電池串和不同電池串兩種情況。依然以Hanwha SolarOne 255 W多晶硅光伏組件為研究對象，配置了3個旁路二極管，對每個電池片遮擋比例為80%。

當多個被遮擋的電池片屬于同一電池串時，光伏組件的輸出特性如圖5所示，組件的最大功率點幾乎和同一電池串中被遮擋的電池片的數(shù)量沒有關(guān)系。這是因為電池片在遮擋比例為80%的情況下，其所在的電池串配置的旁路二極管都會被正向?qū)ā?/p>

圖5　同一電池串內(nèi)遮擋電池片數(shù)量與輸出的關(guān)系

當多個被遮擋的電池片屬于不同電池串時，光伏組件的輸出特性如圖6所示，可以看出，被遮擋的電池片越多，陰影對組件的輸出特性影響越大。當被遮擋的電池片為2塊時，就意味著有2個電池串配置的旁路二極管被導通，只有1個電池串能夠正常工作，其功率損失非常嚴重，約損失2/3，功率為80 W。當3個電池串都有電池片被遮擋時，組件配置的3個旁路二極管全部正向?qū)?，此時組件的斷路電壓為3個旁路二極管導通的壓降2.1 V，功率損失非常嚴重。

因此，相同數(shù)量的被遮擋電池片，位置分布不同，其對組件的輸出特性的影響也是不同的。讓被遮擋的電池片盡量集中分布在同一電池串中，可以明顯地降低組件功率的損失。由此可知，當太陽電池板選擇橫向布置時，其受陰影遮擋的影響要小于縱向布置。

圖6　不同電池串內(nèi)遮擋電池片數(shù)量與輸出的關(guān)系

以上分析說明，陰影遮擋對光伏組件輸出特性的影響是多方面的，包括被遮擋太陽電池片的面積、被遮擋太陽電池片數(shù)量及被遮擋太陽電池片的分布等因素；還包括組件配置的旁路二極管數(shù)量的組件內(nèi)部構(gòu)造因素。因此，要定量分析陰影遮擋對光伏組件輸出特性的影響是非常困難的。

2　光伏陣列遮擋陰影分析

下文利用PVsyst結(jié)合在長沙擬建的光伏電站，分析實際的光伏陣列在配置不同數(shù)量的二極管和橫豎兩種布置方式的情況下的遮擋陰影損失。

組件選擇Hanwha SolarOne 255 W多晶硅光伏組件，逆變器選擇Sungrow 100 kW的變器。12個太陽電池板串聯(lián)成一個組串，33個組串，總功率為100 kW，共9列，前8列中的3排會受到前排的遮擋。

2.1配置二極管數(shù)量對陣列輸出性能的影響

2.1.1特定時刻配置二極管數(shù)目對光伏陣列的影響

在冬至日的16:30，不同二極管數(shù)目的遮擋情況如圖7所示，此時陰影的遮擋使得每種情況都只有1排組件未受到影響，前8列中的3排遮擋情況如圖7所示。

圖7　冬至日16:30不同二極管數(shù)量陰影遮擋示意圖

此時，在相同陰影遮擋情況下，不同二極管數(shù)目的陣列的輸出特性如圖8所示。

圖8　冬至日16:30不同二極管數(shù)量的陣列輸出特性

由圖8可以看出，二極管數(shù)目越大，陣列的輸出特性越好。最大功率點對應的電流基本是相同的，約為55.4 A，不同個數(shù)的二極管對最大功率點的電壓影響是顯著的。無遮擋情況下，陣列的最大功率點功率為19.6 kW；組件布置2個二極管時，最大功率點功率為9.4 kW，功率損失為52%；組件布置3個二極管時，最大功率點功率為12.7 kW，功率損失為35%；組件布置4個二極管時，功率損失為27%；組件布置6個二極管時，功率損失為18%。

而在冬至日17:00時，陰影遮擋的范圍會繼續(xù)擴大，對于配置6個二極管的情況，遮擋陰影影響到了2個組串；配置2、3和4個二極管的情況，遮擋陰影都只影響1個組串。

表1　冬至日17:00配置不同數(shù)量二極管的陣列的輸出

從表1可看出，對于配置6個二極管的情況，其2個組串受到陰影的影響，功率損失為37.3%，高于配置3個和4個二極管的情況。這說明對于同樣的陰影遮擋，配置較多的二極管可能會造成被陰影遮擋影響的組串增多，功率損失反而增加。理論上討論的一般都是受影響的組串相同的情況，這與實際陰影遮擋的情況是有所差別的。因而對于具體時刻的陰影遮擋，配置的二極管數(shù)量與功率損失沒有一個必然降低的關(guān)系。

2.1.2不同陰影遮擋下光伏陣列的年陰影遮擋損失率

當光伏陣列只有間距陰影遮擋時，情況如表2所示，光伏陣列的發(fā)電量和系統(tǒng)效率(PR)基本相同，配置二極管的數(shù)目對發(fā)電量和系統(tǒng)效率的影響可以忽略不計。

表2　間距陰影遮擋時不同數(shù)量二極管的陣列的輸出

當光伏陣列受到較嚴重的近處陰影遮擋，這里模擬高樓遮擋，光伏陣列的發(fā)電量和系統(tǒng)效率如表3所示。當光伏組件配置4個和6個二極管時，相較于配置2個和3個二極管，陣列年發(fā)電量提高2.6 MWh，系統(tǒng)效率提高2.3%。因此，當光伏陣列受到其他嚴重的近處陰影遮擋時，適當增加配置的二極管數(shù)量，有助于提高系統(tǒng)效率。

表3　近處陰影遮擋時不同數(shù)量二極管的陣列的輸出

2.2布置方式對陣列輸出性能的影響

2.2.1特定時刻陰影遮擋的陣列輸出特性

光伏電站布置33個組串，共9列，前8列中的3排會受到前排的遮擋。在冬至日17:00，前8列中的3排就會形成明顯的陰影。陰影遮擋的情況如圖9所示。

圖9　冬至日17:00不同布置方式陰影遮擋示意圖

圖10為兩種布置方式陰影遮擋情況下，陣列輸出特性的比較。無遮擋情況下，陣列的最大功率輸出為12.5 kW。在間距陰影遮擋情況下，豎向布置時陣列的最大輸出功率為5.7 kW，陰影遮擋使陣列功率下降了54.4%；橫向布置時陣列的最大輸出功率為8.1 kW，陰影遮擋使陣列功率下降了35.2%。由此可知，在實際的光伏陣列中，同一時刻，橫向布置的陰影遮擋功率損耗明顯小于豎向布置的陰影遮擋損耗，這就驗證了前文電池串不同遮擋位置情況的輸出特性的比較。

圖10　冬至日17:00不同布置方式的輸出特性

2.2.2不同布置方式在間距陰影遮擋與近處陰影遮擋情況下光伏陣列的年陰影遮擋損失率

1)間距遮擋陰影對陣列輸出特性的影響。從圖11可以看出，兩種布置方式在陰影遮擋損失規(guī)律上表現(xiàn)出一致性，冬季偏高，夏季相對較低。11、12、1和2月橫向布置的年陰影遮擋損失率略低于豎向布置。對于全年的陰影遮擋損失率，橫向布置時為1.19%，豎向布置時為1.22%，僅相差0.03%。

由此可以看出，按照國標選擇的間距[11]，在光伏陣列只受前、后排間距陰影遮擋的情況下，其陰影遮擋損失率很小。實際情況下要根據(jù)現(xiàn)場組件的布置范圍及安裝成本來決定采用的布置方式。橫向布置的安裝成本是高于豎向布置的，如果布置條件對橫向與豎向布置不受限制，一般采用豎向布置。

圖11　各月光伏陣列間距遮擋陰影對比

2)光伏陣列受近處陰影遮擋的情況。當光伏陣列周圍有高大建筑物、樹木或高山的情況時，其陰影損失非常嚴重。距離場區(qū)177 m，在場區(qū)南偏西43°的方向上有一個長60 m、寬25 m、高70 m，方位角為45°的高樓。從14:00開始，高樓的陰影就會對光伏陣列產(chǎn)生影響。

從圖12可以看出，高樓陰影遮擋對光伏陣列的影響很大，橫向布置時陰影遮擋年損失率為1.82%，高于只有間距陰影遮擋年損失率1.19%。豎向布置時高樓陰影遮擋年損失率達到2.86%，幾乎是只有間距陰影遮擋年損失率的2.5倍。同時可以看出，豎向布置時遮擋陰影損失率為橫向布置情況的1.6倍，因此對于有其他陰影遮擋的情況，尤其是較為嚴重的近處陰影遮擋，具體應采用何種布置方式會比較復雜，一般根據(jù)成本效益來決定。

圖12　各月高樓陰影遮擋損失比較

3　結(jié)論

1)在遮擋面積小于47%時，功率的衰減比例呈線性上升趨勢，而輸出電流呈線性下降趨勢。當遮擋面積大于47%時，太陽電池板工作電壓維持在18 V，下降了1/3，輸出功率維持在約150 W，下降了35%。

2)當遮擋陰影集中在1個電池串時，配置3個二極管時，功率下降1/3；配置4個二極管時，功率下降1/4；配置6個二極管時，功率下降1/6。增加二極管數(shù)目會增加成本，目前主流的電池板一般都配置3個旁路二極管。

3)當多個被遮擋的電池片屬于同一電池串時，陰影遮擋對組件輸出的影響可忽略不計；當被遮擋的電池片影響到2個電池串時，組件的功率下降2/3；當被遮擋的電池片影響到3個電池串時，組件的斷路電壓為3個旁路二極管導通的壓降2.1 V，功率損失非常嚴重。

4)具體某一時刻，配置的二極管數(shù)目與功率損失沒有一個必然降低的關(guān)系。當光伏陣列只有間距陰影遮擋時，配置二極管的數(shù)目對陣列的影響可以忽略不計。當光伏陣列受到其他嚴重的近處陰影遮擋時，適當?shù)脑黾优渲玫亩O管數(shù)量，有助于提高陣列年發(fā)電量和系統(tǒng)效率。

5)對于只有間距陰影遮擋的光伏陣列，兩種布置方式的年陰影遮擋損失率僅相差0.03%。當光伏陣列有嚴重的近處陰影遮擋影響時，豎向布置時陰影遮擋損失率為橫向布置情況的1.6倍，橫向布置方式可以明顯提高系統(tǒng)效率。

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2016-04 -21

中南大學研究生自由探索創(chuàng)新項目(2014zzts191）

李勇(1990—)，男，碩士研究生，主要從事太陽能資源評估、光伏電站設計優(yōu)化、熱工檢測與控制、計算機仿真與優(yōu)化方面的研究。1143185734@qq.com