局部陰影遮擋影響光伏系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究

吳露露， 王亞輝，2， 澈力格爾， 王晶晶， 田 瑞，2*

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051；2.內(nèi)蒙古可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

局部陰影遮擋影響光伏系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究

吳露露1， 王亞輝1，2， 澈力格爾1， 王晶晶1， 田 瑞1，2*

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051；2.內(nèi)蒙古可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

研究了局部陰影遮擋對(duì)光伏組件和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出性能的影響，對(duì)光伏組件在不同比例局部陰影遮擋，以及光伏系統(tǒng)在10%的陰影遮擋下的輸出特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：光伏系統(tǒng)中的任意一塊光伏組件的遮擋都會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率衰減；當(dāng)光伏組件有超過10%部分被遮擋時(shí)，光伏系統(tǒng)的輸出功率損失達(dá)85%以上，輸出功率損失隨著遮擋面積增大而增大；集中遮擋造成的功率損失大于分散遮擋，遮擋越分散對(duì)光伏系統(tǒng)造成的功率衰減越小。

光伏系統(tǒng)；陰影遮擋；輸出功率

運(yùn)行中的光伏陣列不僅受到太陽(yáng)輻照度和溫度的影響，也受到云層、樹木、建筑物等障礙物陰影的影響。這些陰影會(huì)造成光伏組件表面光照強(qiáng)度分布不均，使光伏組件的輸出性能衰減，從而造成整個(gè)光伏陣列性能衰減。

國(guó)內(nèi)外對(duì)局部陰影遮擋對(duì)光伏組件輸出特性已有多方面的研究，但對(duì)并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)影響的研究尚需完善。吳小進(jìn)等[1]針對(duì)串、并聯(lián)光伏組件的輸出特性展開理論分析，得出集中式光伏陣列處于復(fù)雜光照環(huán)境下的輸出特性，采用Matlab進(jìn)行仿真模擬并予以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。肖景良等[2]通過理論分析、仿真及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等方法，提出在局部陰影條件下光伏陣列最大功率點(diǎn)的簡(jiǎn)化算法，并提出了光伏陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。土耳其的Engin Karatepe等[3]以陰影對(duì)太陽(yáng)電池影響的分析為基礎(chǔ)，提出了一個(gè)用以描述光伏陣列在局部陰影遮擋情況下的模型。

在光伏系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，往往只是光伏陣列中的某一個(gè)組件受到了局部遮擋，從而對(duì)整個(gè)光伏陣列造成影響，文獻(xiàn)[4-10]等只對(duì)陰影遮擋對(duì)光伏組件的影響進(jìn)行研究，并未對(duì)陰影對(duì)光伏陣列的影響進(jìn)行深入研究。本文針對(duì)局部陰影遮擋對(duì)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)輸出性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)分析了七種不同的遮擋方式和遮擋比例對(duì)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)輸出性能的影響，為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方案

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由轉(zhuǎn)換效率為14.4%的5塊相同的多晶硅光伏組件、匯流箱、逆變器依次串聯(lián)，組成并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)，系統(tǒng)的最大輸出功率為1 175 W，光伏陣列朝向正南，與水平面呈34°夾角傾斜放置，利用TBQ-2型總輻射表和TRM-2型太陽(yáng)能測(cè)試記錄儀分別測(cè)量和記錄光伏系統(tǒng)接收到的太陽(yáng)輻射量。

實(shí)驗(yàn)中所用的逆變器為固德威GW2000-ss型逆變器，通過其自帶軟件可以實(shí)時(shí)查看光伏陣列的輸出電流、電壓、功率等參數(shù)，且該逆變器具有最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的功能。由于光伏陣列的輸出參數(shù)隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化而變化，所以系統(tǒng)在其運(yùn)行過程中需要跟蹤光伏陣列的工作點(diǎn)，使其處于最大輸出狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)所用的匯流箱為南京特瑪亨TC30NA-3T型光伏防雷匯流箱，具有總輸出過流保護(hù)，總輸出斷路器保護(hù)，防雷保護(hù)等，以保證實(shí)驗(yàn)測(cè)試的安全進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)以1 175 W的并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用不同比例的不透光紙板遮擋在光伏組件的不同位置，對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行局部陰影遮擋，并測(cè)試光伏系統(tǒng)的輸出電壓、電流、功率等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試選擇在呼和浩特市，2013年6月～7月十點(diǎn)至十四點(diǎn)間進(jìn)行，分別對(duì)不同比例和相同比例下陰影遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。圖1為太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

2 局部陰影遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)的影響

2.1 光伏組件變比例陰影遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)的影響

測(cè)試實(shí)驗(yàn)首先對(duì)不同比例陰影遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)的影響進(jìn)行研究，利用不透光紙板作為遮光板，遮光板的寬度與光伏組件同為994mm，依次遮擋光伏陣列中任意一塊光伏組件的5%～70%。如圖2所示，每次以不同比例間隔遮擋10 min，測(cè)試系統(tǒng)的輸出特性，同時(shí)測(cè)試光伏組件表面接收的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。光伏組件變比例陰影遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)的功率損失如表1所示。

圖2 光伏組件變比例陰影遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)的影響

表1 光伏組件變比例陰影遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)的功率損失

由圖2及表1可知，當(dāng)光伏組件在被遮擋的瞬間，被遮住的太陽(yáng)電池不能產(chǎn)生電能，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出功率瞬間下降。當(dāng)一塊太陽(yáng)電池板的遮擋面積僅為5%時(shí)，整個(gè)光伏系統(tǒng)的輸出功率損失為47.31%；當(dāng)遮擋面積為10%時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率損失達(dá)到86.49%；當(dāng)遮擋面積為15%以上時(shí)，系統(tǒng)的功率損失均可達(dá)95%，損失嚴(yán)重。

可見，雖然只對(duì)光伏系統(tǒng)中的一塊太陽(yáng)電池板進(jìn)行遮擋，但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率造成的影響很大。當(dāng)一塊太陽(yáng)電池板被遮擋10%以上時(shí)，光伏組件的輸出電流、電壓減小，而輸出功率損失可達(dá)80%。實(shí)驗(yàn)中的光伏系統(tǒng)為5塊太陽(yáng)電池板串聯(lián)而成，當(dāng)其中一塊光伏組件受到陰影遮擋時(shí)，組件的輸出電流、電壓、功率均有所下降，由于串聯(lián)電路中電流處處相等的特性，導(dǎo)致整個(gè)光伏系統(tǒng)的電流減小，系統(tǒng)輸出功率下降。

2.2 光伏組件10%陰影遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)的影響

通過以上實(shí)驗(yàn)，可知當(dāng)對(duì)光伏系統(tǒng)中的一塊光伏組件的遮擋比例大于10%時(shí)，系統(tǒng)性能衰減嚴(yán)重，可知光伏組件10%的遮擋比例為光伏系統(tǒng)輸出功率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。為研究相同遮擋比例下，不同遮擋位置對(duì)光伏系統(tǒng)輸出特性的影響，設(shè)計(jì)了如圖3所示的七種典型的遮擋方式，其中，①為遮擋整塊光電板的最上方；②為橫向遮擋一排太陽(yáng)電池；③為橫向遮擋于兩排太陽(yáng)電池之間；④為縱向遮擋一列太陽(yáng)電池片；⑤為縱向遮擋于兩排太陽(yáng)電池之間；⑥為遮光板平均分成兩塊并分別橫向遮擋于兩排太陽(yáng)電池片之上；⑦為遮光板平均分成三塊并分別橫向遮擋于三排太陽(yáng)電池片之上。

圖3 光伏組件的七種遮擋方式

圖4 七種遮擋方式對(duì)光伏系統(tǒng)的影響

圖4為七種遮擋方式對(duì)光伏系統(tǒng)的影響，在相同的遮擋比例下，不同的遮擋位置對(duì)光伏系統(tǒng)的輸出影響不同，七種遮擋方式下的光伏系統(tǒng)的功率損失如表2所示，其中，①、②兩種遮擋方式對(duì)光伏系統(tǒng)輸出性能影響最大，達(dá)到90%以上；第④種遮擋方式引起的系統(tǒng)功率衰減最小，僅為8.37%；第③、⑤、⑥種遮擋方式對(duì)光伏系統(tǒng)輸出性能的影響較為接近，在42%～43.5%之間。通過對(duì)相同遮擋比例下不同遮擋位置的分析可知：

(1)①、②與⑥、⑦均為橫向遮擋在光伏組件太陽(yáng)電池上，而①、②造成的功率損失比⑥、⑦高47%～66%，⑦的功率損失小于⑥，這是由于①、②為對(duì)光伏組件大面積的集中遮擋，⑥、⑦為分散遮擋，而⑦比⑥更為分散，所以，在總的遮擋比例相同的情況下，集中遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)造成的功率損失大于分散遮擋。

(2)③、⑥對(duì)光伏系統(tǒng)造成的功率損失較為接近，③雖然也為集中遮擋，但由于遮擋在兩排太陽(yáng)電池上，與⑥的分散遮擋類似，說(shuō)明集中遮擋在一塊太陽(yáng)電池上對(duì)光伏系統(tǒng)造成的損失較大，當(dāng)光伏組件中有太陽(yáng)電池片被完全遮擋時(shí)，會(huì)造成被遮擋的太陽(yáng)電池不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，其所在的子串的電流大大減小，從而使光伏組件的輸出功率大幅降低，當(dāng)太陽(yáng)電池片未被完全遮擋時(shí)，未被遮擋的太陽(yáng)電池仍能光電轉(zhuǎn)換，光伏組件的輸出功率衰減程度小于集中遮擋。

(3)②、④分別為橫向和縱向遮擋在太陽(yáng)電池上，而②造成的功率損失比④高出近10倍，這是因?yàn)楣夥M件由3個(gè)子串組并聯(lián)而成，②為橫向遮擋，對(duì)3個(gè)子串組均有遮擋，對(duì)光伏組件的影響較大，而④為縱向遮擋，只遮擋了其中一個(gè)子串組，對(duì)光伏系統(tǒng)的影響較小。

表2 七種遮擋方式下的光伏系統(tǒng)的功率損失

3 光伏系統(tǒng)10%陰影遮擋對(duì)系統(tǒng)的影響

在以上研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了對(duì)光伏系統(tǒng)遮擋的實(shí)驗(yàn)研究，整個(gè)光伏系統(tǒng)遮擋10%，對(duì)不同遮擋位置對(duì)光伏系統(tǒng)輸出特性的影響進(jìn)行了研究，遮擋位置如圖5所示，其中，⑧為橫向遮擋整個(gè)光伏系統(tǒng)的最上方；⑨為橫向遮擋整個(gè)系統(tǒng)的兩排太陽(yáng)電池之間；⑩為橫向遮擋整個(gè)光伏系統(tǒng)的下方。

圖5 光伏系統(tǒng)的三種遮擋方式

三種遮擋方式下系統(tǒng)的輸出功率如圖6所示，光伏系統(tǒng)的功率損失如表3所示，第⑩種遮擋方式造成的功率損失最大，達(dá)到100%；第⑨種遮擋方式造成的功率損失最小，為47.81%。通過對(duì)光伏系統(tǒng)不同遮擋位置的分析可知：

(1)第⑩種遮擋方式為完全遮擋光伏系統(tǒng)的一串太陽(yáng)電池片，由之前的研究可知，將光伏組件的一串電池片遮擋后，光伏系統(tǒng)的輸出功率大幅衰減，而當(dāng)所有的光伏組件都被遮擋一串太陽(yáng)電池后，光伏系統(tǒng)的輸出功率便衰減殆盡；

圖6 三種遮擋方式對(duì)光伏系統(tǒng)的影響

表3 三種遮擋方式下的光伏系統(tǒng)的功率損失

(2)第⑧種遮擋方式遮擋了太陽(yáng)電池的大部分，而未被遮擋的部分仍能繼續(xù)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，但這部分的發(fā)電量很微弱，光伏系統(tǒng)輸出功率衰減很大；

(3)第⑨種遮擋方式雖然對(duì)兩排太陽(yáng)電池均有遮擋，但根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，可知在一串太陽(yáng)電池上未被遮擋的部分較⑧多，故⑨的功率衰減小于⑧。

4 結(jié)論

通過對(duì)光伏組件在不同比例下的局部陰影遮擋，以及光伏系統(tǒng)在10%的陰影遮擋下的系統(tǒng)輸出特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究及分析，可知：(1)光伏系統(tǒng)中的任意一塊光伏組件的遮擋都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率造成衰減；當(dāng)光伏組件有超過10%的部分被遮擋時(shí)，光伏系統(tǒng)的輸出功率損失達(dá)85%以上；輸出功率損失隨著遮擋面積增大而增大；(2)光伏組件有10%的面積被遮擋時(shí)，不同遮擋位置對(duì)光伏系統(tǒng)造成的功率損失不同；相同遮擋比例下，集中遮擋造成的功率損失大于分散遮擋，遮擋越分散對(duì)光伏系統(tǒng)造成的功率衰減越小；(3)集中遮擋在多串太陽(yáng)電池片上造成的功率損失大于集中遮擋在一串太陽(yáng)電池片上。所以，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)盡量建在環(huán)境空曠的地方，以避免周圍建筑物、數(shù)木等在光伏系統(tǒng)上遮擋而引起輸出功率的下降。

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Experimental study of partial shadow effect on PV system

The performance of the PV modules and PV system was studied under the partially shaded conditions.The output characteristics of the PV modules in different proportions shadowing as well as the PV systems in 10% proportion shadowing were studied.The results show that any block of photovoltaic modules shade would cause the system output power attenuation;10%shading of the PV module can result in 85%power loss，and output power loss increases with the area of block;centralized shading causes more power loss than scattered shading.

PV system;partially shading;output power

TM 615

A

1002-087 X(2016)04-0774-03

2015-09-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51266007)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)（重大）基金(2010ZD09)

吳露露(1988—)，女，江蘇省人，碩士，主要研究方向?yàn)樾履茉蠢眉夹g(shù)。

田瑞，E-mail:tianr@imut.edu.cn