淺談如何優化設計降低陰影遮擋對光伏系統發電量的影響

常建強，王　論，白一喆

（1.大連雙驥科技發展有限公司；2.大連三川建設集團股份有限公司；3.大連中集物流裝備有限公司，遼寧　大連　116000）

淺談如何優化設計降低陰影遮擋對光伏系統發電量的影響

常建強1，王論2，白一喆3

（1.大連雙驥科技發展有限公司；2.大連三川建設集團股份有限公司；3.大連中集物流裝備有限公司，遼寧大連116000）

摘要：本文從陰影遮擋對晶體硅組件的影響、對陣列的影響，以及如何優化設計來避免和降低陰影遮擋影響三方面來討論。

關鍵詞：陰影遮擋；光伏系統發電；優化設計

1　陰影遮擋單片電池片對組件輸出功率的影響

國內目前多晶硅電池組件使用率比較高。

我們先來看下單塊電池組件的一片電池片在不同程度受陽光遮擋后，對整個組件的輸出功率影響。

測試組件：京瓷KD135GH一2PU光伏組件（一種組件含三個旁路二極管，一種組件不含旁路二極管），含有6×9＝54片電池片。

測試條件：將組件中的一個電池片從無遮擋到100%遮擋。

晶體硅電池組件中，旁路二極管起到保護電池片的作用。根據二極管的正向導通反向截止的特性，當電池片正常工作時，旁路二極管反向截止，正常情況下，對電路不產生任何作用。若與旁路二極管并聯的電池片組存在一個非正常工作的電池片時，整個線路電流將由最小電流電池片決定，而電流大小由電池片遮蔽面積決定，若反偏壓高于電池片最小電壓時，旁路二極管導通，此時，非正常工作電池片被短路。

采用54片電池片串聯的組件，其有3個旁路二極管。實驗檢測在有旁路二極管和沒有旁路二極管兩種組件，對一片電池片進行不同程度的陽光遮擋時的組件輸出功率。

實驗結果及小結：單一電池片受陰影遮擋比較小的情況下，不管組件是否含有旁路二極管，對整個組件輸出功率的影響也比較小。但在電池片受陽光遮擋超過35%左右，含有旁路二極管的電池組件，電池片受遮擋面積不管增加多少，其輸出功率幾乎沒有變化。

2　陰影遮擋組件對串聯及并聯陣列的影響

對光伏組件進行串聯平鋪及并聯平鋪兩種方式布置，然后采用水平陰影遮擋與垂直陰影遮擋兩個不同方面逐漸遮擋，對陣列輸出功率進行測試。

串聯實驗實驗方法：（1）時間：2月22日11：00-13：00；天氣：晴朗；方式：將5塊135W光伏組件（I～V）串聯平鋪于無遮擋空曠地帶。（2）將組件測試儀與光伏組件連接，穩定0.5h后開始測量。

組件橫放，對電池片進行縱向依次編號，按照表一中的實驗序號來進行垂直和水平遮擋實驗。最終得出實驗結果。

串聯實驗結果及小結：由于旁路二極管的存在，在水平遮擋時，遮擋電池組件同一旁路二極管的電池片（表1中第1、2行為一個旁路二極管線路），對于組件的影響等同。在垂直遮擋時，由于當遮擋到第三個電池片后（遮擋到整個組件的兩路旁路二極管線路），整個組件的輸出功率就達到最低值。

并聯實驗實驗方法：（1）時間：5月19日11：00-14：00；天氣：晴朗；方式：將10塊光伏組件分成兩組串聯，每組5塊，然后將兩組串聯后的組件再并聯連接，平鋪于無遮擋空曠地帶。（2）將太陽能光伏組件測試儀與光伏組件連接（五串兩并），穩定0.5h后開始測量。實驗并聯并按照表2的順序進行測試。測試得出不同情況下的P-V特性曲線圖。實驗最終功率輸出的數值記錄在表2中。

并聯實驗結果及小結：在同一串聯線路中，任何位置的單一組件遮擋，對整體輸出功率影響是相同的。遮擋了兩塊以上串聯在一路的組件，不管什么位置，此路組件對整個陣列的輸出貢獻率幾乎為零。但如果遮擋了兩塊在不同串聯電路中的組件，那么陣列的P-V曲線為兩個陣列的P-V曲線疊加。并聯線路遮擋兩塊以上的組件，該條串聯線路對于陣列的最大功率（由于串聯線路的輸出電壓降低太多，功率影響僅在低壓范圍內）幾乎沒有貢獻。

3　根據工程案例優化陣列設計

3.1花架等條狀或垂直遮擋

在BAPV實際工程中，有些建筑屋頂花架承重無法滿足陣列的承重要求，但又只能在花架放置陣列。對于這種長距離條形的陰影遮擋的可以從兩方面進行設計。

例如筆者所設計的一個20Wk并網系統。陣列布置首先考慮到避開立柱，將陣列分成3個30×245Wp的方陣。考慮花架為南北向，所以組件安裝方式南北豎向安裝。同時，根據逆變器MPPT范圍，每個方陣采用一臺2路輸入，每路都帶有MPPT功能的8kW逆變器。

類似屋頂有單一框架梁，管道等成條狀形在陣列上空遮擋，或者在陣列前方有垂直遮擋的項目，可以按照此案例思路來降低陰影遮擋對方陣的影響。

3.2女兒墻等陰影遮擋

一項目屋頂幕墻包邊，女兒墻與基礎的高度差在1100mm以上，而女兒墻與基礎的距離在600mm以下。如果不進行優化設計，整個陣列會嚴重到幾乎無法發電。

筆者設計時將支架將加高520mm后移300mm。另外盡量采取組件水平橫向安裝，并且上下兩行組件進行分成不同串聯路進行接線。類似這樣在陣列前橫向陰影遮擋的項目，可以采取抬高支架，將組件水平布置，并且將陣列最低行組件進行串聯設計。從而將陰影遮擋范圍控制在單一電池板的連接同一旁路二極管的線路，以及同一串聯組件線路中，將功率影響降低到最小。

3.3大型陰影遮擋

這種情況，一般有裙樓等不可避免大面積陰影遮擋，可以采用將遮擋部分串聯一路，并且采用盡可能多MPPT控制路數的逆變器，從而保證系統整體功率輸出的最大化。

4　結論

表1　串聯實驗序號表

在光伏發電系統中，尤其是晶體硅組件，輸出功率受陰影遮擋影響很大。所以在工程中，應選取含有旁路二極管的組件，含有多路MPPT控制的逆變器。并且盡量根據陰影遮擋的方向和大小，調整組件的朝向以及陣列的串并聯方式。這樣通過一系列的設計可以將系統的輸出損失降低到最低，提高系統效率。

表2　串聯實驗結果