局部陰影條件下光伏組件的輸出特性研究

中國大唐集團科學技術研究院有限公司 ■ 李芮 李世杰 武永鑫 王虎

北京交通大學理學院太陽能研究所 ■ 徐征

0 引言

在實際運行條件下，云層、雜草、電力傳輸桿等物體常會對光伏組件造成局部陰影遮擋，產生熱斑效應，影響光伏組件甚至整個光伏陣列的功率輸出[1,2]。國內外關于光伏組件受到局部陰影遮擋影響的研究主要集中在固定遮擋組件中某部分而導致組件輸出特性改變[3-7]，但這與實際工程運行中的組件局部陰影遮擋情況存在較大差異，且以上研究大部分基于模擬的方法，缺乏實測運行數據的支撐。

本文將對實際運行情況下可能出現的組件局部陰影遮擋情況進行分析，利用PVsyst軟件模擬不同遮擋比例和不同分布形式的局部陰影遮擋對組件輸出特性產生的影響，并通過現場實測數據進行驗證，為光伏電站設計和優化運行提供重要參考。

1 組件局部陰影遮擋實驗方案及設備

1.1 實驗方案

根據工程運行實際，遮擋物在組件上形成的局部陰影會隨著太陽運動而擴大在組件上形成的遮擋面積，或逐步移動形成橫向或縱向貫穿組件的陰影遮擋。根據這一特點，本文利用不透光遮光板依次在320 W單晶硅光伏組件(72片)上進行遮擋，形成不同面積、數量、分布方式的局部陰影；測試不同情況下光伏組件的輸出電流、電壓、功率等參數，并將實驗所得數據修正到標準測試環境(STC)條件(輻照度1000 W/m2、電池溫度25 ℃、AM 1.5)下進行對比和分析。

1.2 實驗設備

1.2.1 實驗的光伏組件

本文選用320 W單晶硅光伏組件為實驗對象，參數如表1所示。單塊組件內旁路二極管的連接形式如圖1所示。

表1 STC 條件下320 W單晶硅光伏組件性能參數

圖1 實驗組件旁路二極管連接形式示意圖

1.2.2 實驗儀器

選用意大利HTI-V曲線測試儀(I-V400 W )進行現場實驗測試。

1.3 實驗條件

實驗在冬至日當天正午進行，首先對被測組件進行清洗以排除灰塵的影響，測試保持輻照度大于700 W/m2、背板溫度處于58～60 ℃之間；然后利用不透光遮光板依次對陣列中縱向布置的光伏組件進行不同方式遮擋，記錄被測組件的輸出特性，并修正所有實驗數據到STC條件下。

2 軟件模擬環境下的局部陰影遮擋對光伏組件輸出特性影響

首先利用PVsyst軟件對受到局部陰影遮擋的光伏組件進行模擬仿真，分析不同面積、數量和位置上的局部陰影對組件功率輸出影響的規律和特點。

2.1 不同遮擋面積和輸出功率的關系

如圖2和圖3所示，在單片電池片遮擋面積小于50%時，電池片所在子串的旁路二極管未被導通，功率的損失比例呈現上升趨勢，而輸出電流呈線性下降趨勢，同時電壓緩慢升高。當遮擋面積大于50%時，被遮擋電池片所在子串的旁路二極管被導通，該電池串被短路，整個電池組件的電壓下降至23 V左右，組件的輸出功率維持在200 W左右，約為整個組件輸出功率的2/3。

圖2 遮擋面積與功率損失關系

圖3 遮擋面積與電流、電壓關系

2.2 不同遮擋數量、位置和光伏組件輸出特性的關系

以上對光伏組件局部遮擋的模擬分析都是基于單一電池片，當光伏組件中多個電池片同時被遮擋，情況就會比較復雜。

同樣以320 W單晶硅光伏組件為模擬分析對象，隨機選擇組件中的3塊電池片，逐一進行遮擋，遮擋面積都是80%，分別對3塊電池片在同一電池子串(情況1)、分散在2個電池子串(情況2)及分散在3個電池子串(情況3)這3種不同情況下進行模擬分析，研究3種情況下局部陰影遮擋造成的組件功率損失，結果如表2所示。

表2 不同遮擋位置對組件輸出功率影響

對表2進行分析后可知：當3塊被遮擋的電池片處于同一電池子串內時，組件的輸出功率損失與被遮擋的電池片數量無關，只有1個子串的旁路二極管被導通，輸出功率損失在組件的1/3左右，如圖4所示；當3塊電池片分別分散于2個電池子串內時，其功率損失約為2/3的組件輸出功率，也就意味著組件中的2個旁路二極管所并聯的電池片全部被旁路，如圖5所示；當3塊電池片分別分散于3個電池子串中時，3個旁路二極管均被導通，功率損失十分嚴重，如圖6所示，組件功率輸出僅為25.9 W。

圖4 情況1遮擋條件下的I-V曲線

圖5 情況2遮擋條件下的I-V曲線

圖6 情況3 遮擋條件下的I-V曲線

3 現場測試條件下局部陰影遮擋對光伏組件輸出特性的影響

通過軟件模擬，初步分析得出了組件局部陰影遮擋和輸出特性之間的關系，為進一步研究局部陰影遮擋對光伏組件輸出特性影響，并驗證軟件模擬的分析結論，本文通過現場實驗對不同遮擋比例和不同分布方式下的局部陰影所產生的影響進行研究。

圖7 現場被測試組件所在陣列

3.1 不同遮擋面積對光伏組件輸出特性的影響

利用不透光遮光板依次對被測光伏組件中任意1塊電池片進行遮擋，遮擋的面積分別為該電池片的0%、30%、50%、70%及100%，測試光伏組件的輸出特性，測試結果如表3所示。

被測試組件由72片電池片串聯組成，每24個電池片與一個旁路二極管并聯。根據旁路二極管的“正向導通、反向截止”特性，當電池片正常工作時，旁路二極管反向截止，對電路不產生任何作用；但當與旁路二極管并聯的電池片存在一個非正常工作的電池片時，整個線路的電力將由流經最小電流的電池片決定，即由遮擋電池片的面積決定；若反偏壓高于電池片最小電壓，旁路二極管導通，與之并聯的電池片被旁路。

表3 單塊電池片遮擋對光伏組件輸出特性影響實測數據

由表3可知，在實測過程中，當電池片被遮擋面積在30%以下時，流經該電池片的電流降低，導致整個組件的輸出功率在一定程度上有所降低，但被遮擋電池片未被短路，其并聯的旁路二極管仍處于截止狀態；隨著遮擋面積逐漸增大(超過電池片面積50%)，此時被遮擋電池片所并聯的旁路二極管間存在較大反向偏壓，二極管被導通，與此二極管并聯的電池片被旁路；此后無論被遮擋電池片的遮擋面積增加多少，整個組件輸出功率幾乎沒有變化，一直保持在2/3組件功率輸出的工作狀態，這一狀態與軟件模擬條件下的結論保持一致。

3.2 不同遮擋數量和位置對光伏組件輸出特性的影響

利用不透光遮光板依次對被測光伏組件進行遮擋，遮擋方式如圖8所示；然后測試光伏組件的輸出特性，結果如表4所示。

圖8 不同局部陰影遮擋方式

表4 不同遮擋數量和位置對光伏組件輸出特性的影響的實測數據

由表4可知，在光伏組件中，不論被遮擋的電池片數量是多少，只要被遮擋的電池片處于同一子串中，就會影響這一子串的輸出。如遮擋方式1、2、7～17、19和20中，被遮擋的電池片都并聯于一個旁路二極管內，因此只有1/3的電池片會被短路，所造成的功率損失約在29%，這與軟件所模擬的情況1相符；遮擋方式3～6分別會對組件中的2個電池子串和3個電池子串造成影響，其造成的功率損失約在60%和95%，與軟件所模擬情況3中的遮擋2塊電池片和遮擋3塊電池片所造成的組件功率損失基本一致。

遮擋方式18為遮擋3個子串中的6塊電池片50%面積，其輸出功率為 151.46 W，相比遮擋3個子串中6塊電池片100%面積(遮擋方式6)，功率損失要減少41.73%。隨著單片電池片上遮擋面積的減小，在遮擋方式18下，該組件的旁路二極管仍處于截止狀態，未被導通，因此其輸出功率較被完全導通時提高134 W。

另一方面，遮擋方式20與21遮擋的電池片數量雖然一樣，但由于遮擋電池片在組件中遮擋的位置不一致，所導致的功率損失也不盡相同。遮擋方式20只影響了1個子串，因此組件功率輸出為224.85 W；而遮擋方式21在3個子串中都造成了遮擋影響，但在其中1個子串中遮擋的面積并不是很大，沒有導致該子串被旁路，因此功率輸出比同樣對3個子串都造成遮擋影響的遮擋方式5高，為98.62 W。

4 結論

綜上所述，通過軟件模擬及現場實驗測試分析，可得出局部陰影對光伏組件輸出特性的研究結果為：

1)在單個電池片遮擋面積小于50%時，通過被遮擋的電池片電流降低，組件輸出功率隨電流減小而降低；當單個電池片遮擋面積超過50%后，該電池片并聯的旁路二極管被導通，組件輸出功率降低1/3左右。

2)當多個被遮擋電池片并聯于1個旁路二極管內，不論被遮擋的電池片數量多少，其導致的組件輸出功率損失約為29%；當被遮擋電池片影響2個旁路二極管時，組件輸出功率降低2/3左右；當被遮擋電池片分別并聯于3個旁路二極管內，組件最終輸出功率將降低至17 W左右。

3)組件被局部陰影縱向貫穿遮擋(遮擋方式17)時的輸出功率損失率比橫向貫穿遮擋(遮擋方式6)時減少67.3%。

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