光伏组件安装防护

李 雷， 李光明， 何永泰，高 可， 曹新飞, 赵恒利,3

(1.楚雄师范学院 物理与电子科学学院， 云南 楚雄 675000；2.昆明冶研新材料股份有限公司， 云南 昆明 650031;3.云南师范大学 太阳能研究所， 教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室，云南省农村能源工程重点实验室， 云南 昆明 650090)

0 引 言

当今社会，光伏发电系统的应用越来越受人们青睐[1-3]，研究表明,2013年全球新增并网光伏装机总量为38.17 GW，同比增长22%；2014年新增并网光伏装机总量为43.36 GW，同比增长14%[4]。截至2016年底，中国光伏发电新增装机容量3 454 万kW，累计装机容量7 742 万kW,新增和累计装机容量均为全球第一[5]。全球光伏电站的安装量呈逐年上升趋势，且在可再生能源中所占比重越来越大。光伏发电的大规模应用使得光伏组件的安装和施工也越来越规范，在光伏发电站施工规范(GB 50794-2012)中明确规定，光伏组件安装严禁触摸光伏组件串的金属带电部位，因为安装光伏组件的过程中，两端电压会对工作人员造成伤害，而且随着串联组件个数的增加，光伏组件两端的电压会成倍增加，对安装人员的危害也成倍增大，所以，在光伏组件安装和施工过程中，要严禁触碰光伏组件金属端。为了防止光伏组件两端产生的高压对安装人员产生危害，许多文献都提到了光伏组件安装时，需要对安装人员进行保护[6]，然而，在光伏组件安装过程中，光伏组件两端的高压在多大范围内变化，光伏组件背面受光照产生的电压、电流是否可以忽略，一直以来是模糊的，没有定量计算和推导。

文中建立了光伏组件性能输出特性模型，模型中认为,正面光照光伏组件性能输出最好，而背面光照光伏组件输出性能最差，可以认为在安装过程中,光伏组件输出性能在最好值与最差值之间变化，文中使用太阳能模块分析仪(PROVA)，矩阵模拟光源等设备实测了正面光照与背面光照时光伏组件输出特性的变化，并与建立的模型进行了对比，以确定模型的精度和光伏组件实际输出电压、电流、功率、发电量的变化。

1 光伏组件输出性能的影响参数分析

光伏组件是利用PN结的光生伏打效应工作的，其理想模型可用shockley方程表示[7]:

(1)

式中:m----光电转换系数,m2/V；

φ----辐照强度，W/m2；

I0----光伏组件等效二极管PN结反向饱和电流，A；

q----电子元电荷，1.6×10-19，C；

V----电压，V；

I----电流，A；

Rs----光伏组件串联电阻，Ω；

A----二极管理想因子；

κ----玻尔兹曼常数，1.38×10-23，J/K；

Ns----光伏组件串联个数；

Rsh----光伏组件并联电阻，Ω。

(2)

通过变化式(2)把电流方程变为电压方程:

(3)

当I=0时，V对应的电压为开路电压，其表示如下:

(4)

式中:Voc----太阳电池组件开路电压，V。

该式表明，光伏组件电压与光强呈对数关系，尤其当光强较小时，光伏组件输出的电压变化更明显。

当V=0时，I对应的电流为短路电流，可表示如下:

(5)

式中：Isc----太阳电池组件开路电流，A。

该式表明，光伏组件电流与光强线性关系。把式(2)乘式(3)可以获得光伏组件功率表达式：

(6)

2 实验过程

光伏组件安装防护探索研究的实验测试平台如图1所示。

通过测试光伏组件电压、电流、功率、环境温度、辐照等来研究光伏组件输出特性。测试平台中用到了两块同一批、同一规格生产的光伏组件，光伏组件技术参数见表1。

表1 光合太阳能公司晶硅电池组件参数

图1 自然光照射光伏组件正、背面时输出特性测试系统

通过太阳能模块分析仪(PROVA)收集光伏组件的输出特性。在太阳能模拟光源下验证光伏组件输出特性，验证所用光源为东莞绿光新能源科技公司生产的矩阵模拟光源(TMC-PD8)，模拟光源采用8组独立的氙灯线光源，组成矩阵式结构。

测试系统组成如图2所示。

图2 测试系统组成

实验选择当地天气晴朗、风速较小、温度较低的春季测试。测试过程中，太阳辐照度传感器用于将太阳辐照度转换为电压信号，PROVA用于将太阳组件输出特性数据采集，通过USB接头直接输送给电脑终端。为保证测试的准确性，每10 min取一个样，并通过数据终端记录获得数据。

可以认为正面光照时，光伏组件的IV特性最好，背面受光照时，光伏组件输出的IV特性最差，光伏组件输出特性在最大值和最小值之间变化。

3 实验结果分析

3.1 自然光照射下正、背面光伏组件IV特性对比

测试当天楚雄市太阳辐照度，整天太阳辐照强度最好的时段在11:15-15:15，最大值出现在12:45，为985 W/m2。很明显测试当天的太阳辐照良好，可以达到光伏组件测试条件,测试当天楚雄市太阳辐照度如图3所示。

图3 测试当天楚雄市太阳辐照度

通过整理测试数据，并绘制对比自然光下，正、背面光伏组件电压、电流的输出。正、背面光伏组件输出电压的对比如图4所示。

图4 正、背两面受光照时组件输出电压的对比

在相同太阳辐照、温度、风速条件下，正面光照光伏组件产生电压在17.94～19.2 V的范围内变化，背面光照光伏组件电压在10.65～17.36 V的范围内变化，正面光照光伏组件产生电压明显高于背面光照光伏组件输出电压。在9：45-15：45时间段内，正面的电压均值为18.33 V，背面的电压均值为16.25 V，正、背面的电压变化较小，是因为光照对光伏组件电压的影响要小于对电流影响。全天内正、背面的电压的比最大值为1.74∶1，最小为1.05∶1。全天电压变化情况正面电压波动较小，而背面波动相对较大。总体上看，在辐照强度较好的情况下电压的变化趋势相似，且背光照射时，光伏组件输出电压不可忽视。

正、背面光伏组件电流的对比如图5所示。

图5 正、背两面受光照时组件输出电流的对比

很明显，正面光照时，光伏组件输出电流远大于背面光照时光伏组件输出电流，但就其变化的趋势可以看出，正、背面的电流趋势基本一致。全天内正、背面的电流的比最大值为42∶1，最小值为34.9∶1。

3.2 自然光照射下正、背面光伏组件功率、发电量对比

正、背面光伏组件功率的对比如图6所示。

图6 正、背面光伏组件功率的对比

从图6中对比可知，由于正、背面电压变化较小，电流呈现先上升，再稳定，最后下降的趋势，所以，光伏组件功率变化趋势会受到电流的调和。也呈现出先上升，中午趋于稳定，下午不断减小的趋势。在11:15-15:15时间段内，光伏组件输出功率达到一天中最佳状态。自然光照射下，光伏组件正面功率最大值出现在12:45时，为77.4 W，背面功率最大值出现在11:15时，为1.816 W。正背面最大功率之比为42.6∶1。

正、背面光伏组件功率曲线与时间围成的面积在数值上等于光伏组件输出功率，经过计算,9：45-18：15这段时间正面光照光伏组件总发电量为461.017 5 W·h，背面光照光伏组件发电量为11.086 W·h。正、背面发电量之比为47.83∶1。

3.3 矩阵模拟光源照射下正、背面光伏组件性能对比

测试模拟光源下正、背面光伏组件IV特性曲线分别如图7和图8所示。

图7 矩阵模拟光源照射下正面光伏组件IV特性曲线

图8 矩阵模拟光源照射下背面光伏组件IV特性曲线

在试验室内矩阵模拟光源下，对光伏组件的正、背面的IV特性进行了测试和对比。本次室内测试条件的模拟光源辐照强度为800 W/m2，环境温度为18 ℃，光源正面垂直照射。

正面光照光伏组件的VMap=19.78 V；IMax=3.282 A；P=64.93 W。背面光照光伏组件的VMap=13.44 V；IMax=92.44 mA；P=1.24 W。正、背面光照光伏组件输出功率之比为51.61∶1；电压之比为1.47∶1；电流之比为35.5∶1。

自然光与矩阵模拟光源照射下光伏组件正、背面输出特性对比见表2。

表2 自然光与矩阵模拟光源照射下光伏组件正、背面输出特性对比

矩阵模拟光照下的光伏组件输出值位于自然光照射下组件输出之间、光伏组件输出特性之间，这也说明了测试的数据是可信的。

3.4 模拟与测量分析

使用MATLAB软件对建立的功率模型进行了对比和分析，背光照射光伏组件输出功率理论与实际测试的对比曲线如图9所示。

图9 光伏组件输出功率理论与实际测试的对比曲线

由图中可以看出，理论与实际测试曲线基本一致，说明背面光照光伏组件理论模型建立较为合理。背面光照下光伏组件的理论功率与实际测试功率都随着太阳辐照变化出现先增大再减小的变化。但是，理论模型的输出功率要略高于测量值，是因为理论模型中并未考虑光伏组件随着温度的增加，输出功率减小[8 ]。

4 光伏组件端电压的防护

表2中电压最大比值为1.74∶1；电流最大比值为42∶1。当人体接触电压高于36 V时会造成危害。以光伏组件工作电压为18 V来计算，当n块组件串联使用时，如果组件上表面被遮挡或者组件背着太阳光连接，由于室外正、背面的电压的比最大值为1.74∶1，可以计算得到，当组件个数为3.48时，会产生高于18 V的危害电压，所以，在白天安装光伏组件时，当光伏组件工作电压为18 V，背光照安装光伏组件大于4个，安装工程师需要做好防电保护。

5 结 语

为了探索光伏组件在户外安装时产生的端电压和输出特性，文中进行了相应的理论研究和实验分析，得到以下结论：

1)在辐照强度较好的情况下，正、背面电压的变化趋势相似，且光伏组件电压值差距较小。正、背面电流的变化趋势相近，且光伏组件正面照射电流远大于背面照射电流，光伏组件产生的电压、电流不可忽视，在户外安装光伏组件需做好防护。

2)两块光伏组件输出功率变化趋势。光伏组件的输出功率随着辐照强度的增大而增大，随着辐照强度的减小而减小，辐照强度直接影响光伏组件发电功率。光伏组件正面照射最大功率值为77.4 W，背面照射率最大值为1.816 W，正、背面照射光伏组件最大功率之比为42.26∶1。矩阵模拟光源下，正、背面照射光伏组件功率之比为51.61∶1。通过矩阵模拟光源测得数据可以验证实测数据的正确性。

3)实地测试计算9：45-18：15时间段内，光伏组件正面照射总发电量为461.017 5 W·h,背面照射总发电量为11.086 W·h。正、背面照射光伏组件发电量之比为47.83∶1。

4)理论模型的建立与实验测试分析可知，理论模型计算光伏组件功率与实测基本一致，说明理论模型建立较为合理，理论模型数据高于实测数据是模型建立中未考虑温度对光伏组件输出功率影响导致的。

参考文献：

[1] 张天瑜.新颖单相光伏并网逆变系统的仿真研究[J].长春工业大学学报:自然科学版,2008,29(4):414-419.

[2] Li Lei, Hei Yongtai, Wang Shaohui, et al. Study on the electrical performance of underwater photovoltaic modules[C]//The 2017 International Conference on New Energy and Future Energy System (NEFES2017), Kunming.2017.

[3] 孟祥萍,冷淼,张红.光伏电池MPPT模糊控制策略[J].长春工业大学学报,2016,37(4):379-386.

[4] 李润生．光伏电站行业发展报告[R].2015.12.15.https://wenku.baidu.com/view/378f2ea a27d3240c 8547efcf.html.

[5] 佚名.2016年中国分布式光伏新增装机容量大幅增长[J].玻璃,2017(2):53-54.

[6] 郑洪,王琼,鞠振河,等.户用光伏系统安全防护问题的研究[J].太阳能,2015(6):64-66.

[7] 丁金磊,程晓舫,翟载腾,等.太阳电池填充因子随日照强度变化的理论分析与计算[J].中国工程科学,2007,9(6):86-91.

[8] 赖旺富,涂洁磊,朱永平.晴朗天气时放置方式对水上光伏组件输出性能的影响分析[J].云南师范大学学报:自然科学版,2017,37(2):6-8.