阴影遮挡对多晶硅光伏组件输出影响的实验研究

汪婷婷 王静 潘甲龙

摘 要：通过太阳能光伏电池仿真模型和光伏阵列计算模型，在特变电工哈密295kWp光伏实验电站并网发电系统中进行了阴影遮挡对多晶硅光伏组件输出影响的实验研究和分析。结果发现：组件竖向布置被遮挡时，其输出电压、电流急剧减小，遮挡部分的小电池片严重阻遏整个组件的发电输出。组件横向布置被遮挡时，被遮挡单元的输出电力将急剧下降，但由于旁路二极管的作用，未遮挡部分仍可有正常的功率输出。

关键词：遮挡；多晶硅；阴影

引言

在光伏电站中，尤其是建设在医院、小区等场所的分布式电站中，往往会因防护设施、架空线路等产生各种形式的阴影遮挡。这种遮挡不仅影响发电量输出，还会导致热斑效应损坏电池板。而阴影遮挡对组件和组串电量输出的影响主要与遮挡面积、遮挡位置等有关。由于阵列阴影问题对光伏发电系统输出特性的影响占主导地位，目前对阴影问题的研究主要集中在光伏阵列上[1]。文章为了研究阴影遮挡对组件和组串的影响，特在特变电工哈密产业园295kW实验电站，4号方阵内，1个20串标准串联实验单元进行阴影遮挡实验，分析不同组件布置形式下阴影遮挡对光伏组件和光伏阵列输出特性的影响。

1 实验方案

光伏发电系统设计时按照冬至日真太阳时9：00-15：00前后排支架不遮挡为间距设计依据，但是在西北地区真太阳时9：00-15：00以外的时间段内，其太阳能辐照资源仍然十分丰富，为了尽可能多的获取辐射资源的利用率，需深入研究阴影遮挡对不同光伏组件布置形式下光伏组件及光伏阵列的电量输出影响。以期在间距一致的情况下通过组件安装方式的调整来提高光伏系统发电量，图1、图2为竖向布置和横向布置实景图。

实验采用245Wp组件进行，组件尺寸为1650？鄢992mm，竖向排布采用2？鄢10阵列布置形式，横向排布采用4*10阵列布置形式。

2 实验结果及分析

2.1 阴影遮挡下单个组件横竖装输出特性分析

2.1.1 遮挡特性分析

实验电站中采用的是245Wp多晶硅组件，每块电池板由60片小片组成，60小片串联输出每片输出电压约6V，其中每20片构成一小串，每串都有一个旁路二极管。当电池组出现局部遮挡或损坏时，容易出现热斑效应不能发电，这时旁路二极管导通，让其他正常的电池片所产生的电流从二极管通过，使系统继续发电。在正常情况下，横向布置和竖向布置没有遮挡影响，其发电量相同，但在早晨、傍晚组件间前后排存在遮挡，阴影呈和地面平行的带状遮挡，早晨遮挡从上到下逐步移出电池板，下午遮挡阴影从下到上移动，最后遮挡全部电池板。

2.1.2 遮挡对竖向放置组件的影响

图5示意出竖向布置早晚遮挡情况，3串中每串都有被遮挡，电池组件的最大输出电流由被遮挡的电池片限制。

图6为组件竖向布置遮挡时I-V曲线输出特性，正常电池片I-V曲线为i1，被遮挡电池片其串联回路旁路二极管导通，电流电压急剧下降，其I-V曲线为i2，组件整体输出I-V曲线为i3，组件输出功率大大减少。

组件竖向布置遮挡时，其输出电压电流急剧减小，遮挡部分的小电池片严重阻遏整个组件的发电输出。这种布置方式中组件的发电量在系统中可以忽略，在早晨其进入正常发电的时间比其他未遮挡的组件晚，傍晚其退出发电系统的时间比其他未遮挡的组件早。

2.1.3 遮挡对横向放置组件的影响

图7示意出横向布置早晚遮挡情况，当3串中只有1串被遮挡，电池组件的最大输出电压由被遮挡的电池片限制，输出电流有小幅减少。

图8为组件横向布置遮挡时I-V曲线输出特性，由于单元电池片的输出电流与光照强度有关，被遮挡单元的输出电力将急剧下降。但由于该单元有旁路二极管，整个电池板的输出电流将从二极管流过。如下图所示，这样的电池板的输出为两个没有遮挡的电池片组，表现为输出MPPT电压降低为原来的2/3，输出略有减小，电池板还有小于2/3的输出功率。正常电池片I-V曲线为i，被遮挡的电池片I-V曲线为i2，组件整体输出I-V曲线为i3，从输出结果看，电池片输出功率基本保持在正常输出的2/3左右以下。

组件竖向布置遮挡时，其输出电流会略有减小，输入电压约为未遮挡串数之和，这种布置方式中组件在早晨、晚上遮挡期间可以的正常输出部分功率发电。

2.2 阴影遮挡下光伏阵列横竖装输出特性分析

2.2.1 遮挡特性分析

横竖向布置时，单个光伏阵列均包含2个光伏组串，当早晨、傍晚组件间前后排存在遮挡时，只影响单个光伏组串输出，为方便对比我们以单个光伏组串为实验对象，模拟阴影遮挡情况，分析组串输出。

2.2.2 遮挡对竖向布置组串的影响

图9为光伏组串竖向布置遮挡时“电压-遮挡率”曲线输出特性，当组串被遮挡时，电压急剧下降，当遮挡率进一步增加时，电压基本不变，与全遮挡效果一样，这一结论与组件本身特性一致。

2.2.3 遮挡对横向布置组串的影响

图10为光伏组串横向布置遮挡时“电压-遮挡率”曲线输出特性，当组串被遮挡时，电压下降呈阶梯式变化，主要是因为防反二极管作用，这一结论与组件本身特性一致。

2.3 横竖装设计方案成本分析

以新疆哈密地区100MWp地面光伏电站为例对占地面积及支架用钢量对比首先对横装竖装两种不同方案的成本进行分析。

2.3.1 占地面积对比分析

包含100个1MWp子方阵，支架采用39°固定倾角，组件尺寸为1650mm×992mm。（1）横向布置方案的组件布置方式为4行10列（4×10），每个支架单元倾斜面尺寸为4028mm×16680mm，投影面尺寸为3130mm×16680mm，南北间距为8.75m。（2）竖向布置方案的组件布置方式为2行20列（2×20），每个支架单元倾斜面尺寸为3320mm×20220mm，投影面尺寸为2580mm×20220mm，南北间距为7.21m。通过上述两种布置形式可以得出，采用245Wp组件，组件横向4×10阵列布置占地面积为3694.85亩，组件竖向2×20阵列布置占地面积为3577.6亩。因此，以100MWp地面光伏电站为例，采用245Wp组件，横向布置比竖向布置用地面积多117.25亩。

2.3.2 支架钢用量对比分析

采用245Wp组件，按照横向4×10阵列和竖向2×20阵列的布置方式，组件横向、竖向布置方式支架主要构件用钢量进行统计，统计结果见表1所示。

从表1、表2可以看出，采用245Wp组件，以100MWp地面光伏电站为例，组件横向4×10阵列布置支架主要构件用钢量为4889.43t，组件竖向2×20阵列布置支架主要构件用钢量为4509.64t。因此，以100MWp地面光伏电站为例，采用245Wp组件，横向布置比竖向布置用钢量多379.79t。

3 结束语

文章通过对中国九个典型城市的最佳倾角和倾斜面上辐射量进行计算，对散射在光伏发电设计中的影响进行了分析，通过分析得到以下结论。（1）阴影遮挡下单个组件横竖装时，当前后排电池板出现遮挡，横向放置电池板比竖向放置电池板输出更多功率。竖向布置方式中遮挡组件的发电量在系统中可以忽略，在早晨其进入正常发电的时间比其他未遮挡的组件晚，傍晚其退出发电系统的时间比其他未遮挡的组件早。（2）阴影遮挡下光伏阵列横竖装时，当前后排电池板出现遮挡，光伏组串输出结论与组件本身特性一致。横向布置阵列比竖向布置阵列有更多的电量输出。但是需要考虑积灰下雨水的冲洗效果。（3）以100MW光伏电站为例，横向布置比竖向布置用钢量多，最终选用何种布置形式还需要进行综合考虑。

参考文献

[1]肖景良，徐政，林崇，何少强.局部阴影条件下光伏阵列的优化设计[J].中国电机工程学报. 2009，29（11）：119-124.

[2]云志刚，杨宏，李文滋.光伏组件中电池遮挡与I-V曲线特性变化关系[A].第八届全国光伏会议暨中日光伏论坛论文集[C]，2004.

[3]赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005：237-239.