光伏组件与阵列遮挡阴影下的输出特性仿真分析

中南大学能源科学与工程学院 ■ 李勇吴炜

光伏组件与阵列遮挡阴影下的输出特性仿真分析

中南大学能源科学与工程学院 ■ 李勇*吴炜

首先，利用PVsyst模拟了电池板遮挡面积、配置的二极管数目及不同遮挡位置下组件的输出特性，提出了提高光伏组件输出功率的方法；其次，结合长沙某菜市场拟建的光伏电站，利用PVsyst仿真了配置不同的二极管数量及两种布置方式下光伏阵列的输出特性，比较冬至日某个时刻间距阴影遮挡和近处阴影遮挡两种情况下阵列的输出特性。结果表明，对于只有间距阴影遮挡的光伏阵列配置二极管的数量和采用的布置方式对结果的影响非常小；当阵列有严重的近处阴影遮挡时，适当提高配置的二极管数量，PR提高2.3%；竖向布置方式高楼遮挡阴影损失率约为横向布置的1.6倍。

电池板遮挡面积；配置二极管；PVsyst仿真；布置方式；输出特性

0　引言

太阳能作为一种绿色能源，具有取之不竭、用之不尽，不污染环境、不破坏生态，周而复始、可以再生，分布广泛、方便使用，就地可取、无需运输的特点。相比于传统的火电，太阳能发电清洁环保，其会逐渐取代传统能源发电，并将成为世界能源供应的重要组成部分[1]。在实际应用中，光伏阵列都会受到阴影遮挡，产生热斑效应，影响阵列的输出特性[2,3]。多数文献研究了固定遮挡某部分组串对太阳电池板输出特性的影响[4-8]，或者是固定遮挡光伏组件某部分在不同布置方式下的输出特性[9]。在光伏电站运行过程中，会不可避免地遇到阴影遮挡的问题，对于整个光伏电站进行阴影分析是比较困难的，但可对组件在阴影遮挡情况下的I-V输出特性进行分析，进而对光伏阵列在阴影遮挡下的输出特性进行研究。

本文首先对太阳电池板的阴影遮挡进行分析，研究太阳电池板遮挡面积、配置的旁路二极管数目[10]及阴影遮挡位置的不同与组件输出特性的关系，提出提高组件输出功率的方法；其次，结合在长沙拟建的光伏电站，利用PVsyst研究光伏阵列的阴影遮挡的情况，研究间距阴影遮挡和近处阴影遮挡两种情况下，配置不同数量的二极管及采用横、竖向布置方式的阵列输出特性，包括具体某个时刻和全年的光伏阵列的阴影遮挡损失率、年发电量和系统效率；提出在实际条件下提高系统效率的方法，从而为光伏电站设计提供重要的参考。

1　组件阴影遮挡分析

1.1组件输出功率和遮挡面积的关系

本文选用Hanwha SolarOne 255 W多晶硅光伏组件，利用PVsyst对光伏组件进行估算，可得到电池组在STC下不同遮挡比例的输出特性，如图1和图2所示。在遮挡面积小于47%时，旁路二极管未导通，功率的衰减比例呈线性上升趋势，而输出电流呈线性下降趋势，而电压有缓慢的升高。当遮挡面积大于47%时，被遮挡电池片所在电池串的旁路二极管被正向导通，使得该电池串短路，整个电池板的工作电压比无遮挡时出现下降，降为18 V。整个光伏组件的输出功率基本保持不变，约为150 W。整个组串的输出电压U受阴影遮挡的影响会降低，影响组串的出力。

图1　组件遮挡面积与功率衰减比例的关系

图2　组件遮挡面积与组件输出的关系

1.2旁路二极管个数对组件遮挡情况下输出特性的影响

由上文可知，当遮挡面积大于47%时，被遮挡电池片所在电池串的旁路二极管正向导通，输出电压下降1/3，这是因为电池板配置了3个旁路二极管。因而研究组件的输出性能与配置旁路二极管数量的关系是有必要的。

图3是Hanwha SolarOne 255 W多晶硅光伏组件在配置2、3、4和6个二极管时的连接方式示意图。这块组件有60块电池片，其配置方式分别为：2×30、3×20、4×15、6×10。

图3　配置不同数量二极管的连接示意图

组件在一块电池片被遮挡80%情况下的输出特性如图4所示，可以看出旁路二极管的数目对最大功率点工作电压的影响显著。太阳电池板最大功率点电压为30.8 V，当配置方式为2×30时，最大功率点的工作电压为13.5 V，阴影遮挡使太阳电池板工作电压下降了1/2；配置方式为3×20时，最大功率点的工作电压为18.3V，阴影遮挡使太阳电池板工作电压下降了1/3；配置方式为4×15时，最大功率点的工作电压为20.6V，阴影遮挡使太阳电池板工作电压下降了约1/4；配置方式为6×10时，最大功率点的工作电压为22.6V，阴影遮挡使太阳电池板工作电压下降了1/6。但增加旁路二极管数量势必会增加光伏组件的成本，目前主流的太阳电池板一般都配置3个旁路二极管。

图4　配置二极管数目与组件输出的关系

1.3不同遮挡位置对组件输出性能的影响

上文对遮挡面积与配置旁路二极管的数目对组件的输出特性进行了研究，采用的方法都是对单一电池片进行遮挡。当多个电池片被遮挡，情况就会比较复杂，被遮挡的电池片分属于同一电池串和不同电池串两种情况。依然以Hanwha SolarOne 255 W多晶硅光伏组件为研究对象，配置了3个旁路二极管，对每个电池片遮挡比例为80%。

当多个被遮挡的电池片属于同一电池串时，光伏组件的输出特性如图5所示，组件的最大功率点几乎和同一电池串中被遮挡的电池片的数量没有关系。这是因为电池片在遮挡比例为80%的情况下，其所在的电池串配置的旁路二极管都会被正向导通。

图5　同一电池串内遮挡电池片数量与输出的关系

当多个被遮挡的电池片属于不同电池串时，光伏组件的输出特性如图6所示，可以看出，被遮挡的电池片越多，阴影对组件的输出特性影响越大。当被遮挡的电池片为2块时，就意味着有2个电池串配置的旁路二极管被导通，只有1个电池串能够正常工作，其功率损失非常严重，约损失2/3，功率为80 W。当3个电池串都有电池片被遮挡时，组件配置的3个旁路二极管全部正向导通，此时组件的断路电压为3个旁路二极管导通的压降2.1 V，功率损失非常严重。

因此，相同数量的被遮挡电池片，位置分布不同，其对组件的输出特性的影响也是不同的。让被遮挡的电池片尽量集中分布在同一电池串中，可以明显地降低组件功率的损失。由此可知，当太阳电池板选择横向布置时，其受阴影遮挡的影响要小于纵向布置。

图6　不同电池串内遮挡电池片数量与输出的关系

以上分析说明，阴影遮挡对光伏组件输出特性的影响是多方面的，包括被遮挡太阳电池片的面积、被遮挡太阳电池片数量及被遮挡太阳电池片的分布等因素；还包括组件配置的旁路二极管数量的组件内部构造因素。因此，要定量分析阴影遮挡对光伏组件输出特性的影响是非常困难的。

2　光伏阵列遮挡阴影分析

下文利用PVsyst结合在长沙拟建的光伏电站，分析实际的光伏阵列在配置不同数量的二极管和横竖两种布置方式的情况下的遮挡阴影损失。

组件选择Hanwha SolarOne 255 W多晶硅光伏组件，逆变器选择Sungrow 100 kW的变器。12个太阳电池板串联成一个组串，33个组串，总功率为100 kW，共9列，前8列中的3排会受到前排的遮挡。

2.1配置二极管数量对阵列输出性能的影响

2.1.1特定时刻配置二极管数目对光伏阵列的影响

在冬至日的16:30，不同二极管数目的遮挡情况如图7所示，此时阴影的遮挡使得每种情况都只有1排组件未受到影响，前8列中的3排遮挡情况如图7所示。

图7　冬至日16:30不同二极管数量阴影遮挡示意图

此时，在相同阴影遮挡情况下，不同二极管数目的阵列的输出特性如图8所示。

图8　冬至日16:30不同二极管数量的阵列输出特性

由图8可以看出，二极管数目越大，阵列的输出特性越好。最大功率点对应的电流基本是相同的，约为55.4 A，不同个数的二极管对最大功率点的电压影响是显著的。无遮挡情况下，阵列的最大功率点功率为19.6 kW；组件布置2个二极管时，最大功率点功率为9.4 kW，功率损失为52%；组件布置3个二极管时，最大功率点功率为12.7 kW，功率损失为35%；组件布置4个二极管时，功率损失为27%；组件布置6个二极管时，功率损失为18%。

而在冬至日17:00时，阴影遮挡的范围会继续扩大，对于配置6个二极管的情况，遮挡阴影影响到了2个组串；配置2、3和4个二极管的情况，遮挡阴影都只影响1个组串。

表1　冬至日17:00配置不同数量二极管的阵列的输出

从表1可看出，对于配置6个二极管的情况，其2个组串受到阴影的影响，功率损失为37.3%，高于配置3个和4个二极管的情况。这说明对于同样的阴影遮挡，配置较多的二极管可能会造成被阴影遮挡影响的组串增多，功率损失反而增加。理论上讨论的一般都是受影响的组串相同的情况，这与实际阴影遮挡的情况是有所差别的。因而对于具体时刻的阴影遮挡，配置的二极管数量与功率损失没有一个必然降低的关系。

2.1.2不同阴影遮挡下光伏阵列的年阴影遮挡损失率

当光伏阵列只有间距阴影遮挡时，情况如表2所示，光伏阵列的发电量和系统效率(PR)基本相同，配置二极管的数目对发电量和系统效率的影响可以忽略不计。

表2　间距阴影遮挡时不同数量二极管的阵列的输出

当光伏阵列受到较严重的近处阴影遮挡，这里模拟高楼遮挡，光伏阵列的发电量和系统效率如表3所示。当光伏组件配置4个和6个二极管时，相较于配置2个和3个二极管，阵列年发电量提高2.6 MWh，系统效率提高2.3%。因此，当光伏阵列受到其他严重的近处阴影遮挡时，适当增加配置的二极管数量，有助于提高系统效率。

表3　近处阴影遮挡时不同数量二极管的阵列的输出

2.2布置方式对阵列输出性能的影响

2.2.1特定时刻阴影遮挡的阵列输出特性

光伏电站布置33个组串，共9列，前8列中的3排会受到前排的遮挡。在冬至日17:00，前8列中的3排就会形成明显的阴影。阴影遮挡的情况如图9所示。

图9　冬至日17:00不同布置方式阴影遮挡示意图

图10为两种布置方式阴影遮挡情况下，阵列输出特性的比较。无遮挡情况下，阵列的最大功率输出为12.5 kW。在间距阴影遮挡情况下，竖向布置时阵列的最大输出功率为5.7 kW，阴影遮挡使阵列功率下降了54.4%；横向布置时阵列的最大输出功率为8.1 kW，阴影遮挡使阵列功率下降了35.2%。由此可知，在实际的光伏阵列中，同一时刻，横向布置的阴影遮挡功率损耗明显小于竖向布置的阴影遮挡损耗，这就验证了前文电池串不同遮挡位置情况的输出特性的比较。

图10　冬至日17:00不同布置方式的输出特性

2.2.2不同布置方式在间距阴影遮挡与近处阴影遮挡情况下光伏阵列的年阴影遮挡损失率

1)间距遮挡阴影对阵列输出特性的影响。从图11可以看出，两种布置方式在阴影遮挡损失规律上表现出一致性，冬季偏高，夏季相对较低。11、12、1和2月横向布置的年阴影遮挡损失率略低于竖向布置。对于全年的阴影遮挡损失率，横向布置时为1.19%，竖向布置时为1.22%，仅相差0.03%。

由此可以看出，按照国标选择的间距[11]，在光伏阵列只受前、后排间距阴影遮挡的情况下，其阴影遮挡损失率很小。实际情况下要根据现场组件的布置范围及安装成本来决定采用的布置方式。横向布置的安装成本是高于竖向布置的，如果布置条件对横向与竖向布置不受限制，一般采用竖向布置。

图11　各月光伏阵列间距遮挡阴影对比

2)光伏阵列受近处阴影遮挡的情况。当光伏阵列周围有高大建筑物、树木或高山的情况时，其阴影损失非常严重。距离场区177 m，在场区南偏西43°的方向上有一个长60 m、宽25 m、高70 m，方位角为45°的高楼。从14:00开始，高楼的阴影就会对光伏阵列产生影响。

从图12可以看出，高楼阴影遮挡对光伏阵列的影响很大，横向布置时阴影遮挡年损失率为1.82%，高于只有间距阴影遮挡年损失率1.19%。竖向布置时高楼阴影遮挡年损失率达到2.86%，几乎是只有间距阴影遮挡年损失率的2.5倍。同时可以看出，竖向布置时遮挡阴影损失率为横向布置情况的1.6倍，因此对于有其他阴影遮挡的情况，尤其是较为严重的近处阴影遮挡，具体应采用何种布置方式会比较复杂，一般根据成本效益来决定。

图12　各月高楼阴影遮挡损失比较

3　结论

1)在遮挡面积小于47%时，功率的衰减比例呈线性上升趋势，而输出电流呈线性下降趋势。当遮挡面积大于47%时，太阳电池板工作电压维持在18 V，下降了1/3，输出功率维持在约150 W，下降了35%。

2)当遮挡阴影集中在1个电池串时，配置3个二极管时，功率下降1/3；配置4个二极管时，功率下降1/4；配置6个二极管时，功率下降1/6。增加二极管数目会增加成本，目前主流的电池板一般都配置3个旁路二极管。

3)当多个被遮挡的电池片属于同一电池串时，阴影遮挡对组件输出的影响可忽略不计；当被遮挡的电池片影响到2个电池串时，组件的功率下降2/3；当被遮挡的电池片影响到3个电池串时，组件的断路电压为3个旁路二极管导通的压降2.1 V，功率损失非常严重。

4)具体某一时刻，配置的二极管数目与功率损失没有一个必然降低的关系。当光伏阵列只有间距阴影遮挡时，配置二极管的数目对阵列的影响可以忽略不计。当光伏阵列受到其他严重的近处阴影遮挡时，适当的增加配置的二极管数量，有助于提高阵列年发电量和系统效率。

5)对于只有间距阴影遮挡的光伏阵列，两种布置方式的年阴影遮挡损失率仅相差0.03%。当光伏阵列有严重的近处阴影遮挡影响时，竖向布置时阴影遮挡损失率为横向布置情况的1.6倍，横向布置方式可以明显提高系统效率。

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2016-04 -21

中南大学研究生自由探索创新项目(2014zzts191）

李勇(1990—)，男，硕士研究生，主要从事太阳能资源评估、光伏电站设计优化、热工检测与控制、计算机仿真与优化方面的研究。1143185734@qq.com