靜態(tài)陰影對(duì)太陽能房光伏發(fā)電的影響實(shí)驗(yàn)與研究

郭琳琳，鞠振河，劉 婕

(沈陽工程學(xué)院 a.電力學(xué)院;b.新能源學(xué)院，遼寧沈陽110136)

近年來，隨著光伏電池生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，電池成本的不斷降低，光伏發(fā)電技術(shù)已走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入了商業(yè)化運(yùn)行階段［1］。沈陽工程學(xué)院的示范項(xiàng)目——太陽能房，不僅將光伏發(fā)電技術(shù)巧妙地應(yīng)用在了建筑住宅中，而且東、西、南三面鋪板實(shí)現(xiàn)了朝向?qū)夥M件輸出特性影響的真實(shí)研究，是光伏行業(yè)各研究領(lǐng)域的試驗(yàn)平臺(tái)。太陽能房初步效果圖如圖1所示。

圖1 太陽能房初步效果

由于行云、樹木、建筑物以及鳥的排泄物的影響，光伏陣列會(huì)受到局部遮擋，在這種情況下，光伏組件所接收的光照強(qiáng)度會(huì)各不相同，組串輸出特性也會(huì)發(fā)生改變，局部遮擋的程度也直接影響整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)效益的高低［4］。從上世紀(jì)80年代開始，太陽電池的遮擋性在國外就被廣泛研究。太陽電池在使用過程中，可能出現(xiàn)一個(gè)或一組電池由于陰影遮光等影響造成不匹配，導(dǎo)致其特性與整體不諧調(diào)［9］。在合理的光照條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽電池，會(huì)由發(fā)電單元變?yōu)楹碾妴卧徽诒蔚奶栯姵夭坏珜?duì)組件輸出沒有貢獻(xiàn)，而且會(huì)消耗其他電池產(chǎn)生的電量，此時(shí)會(huì)發(fā)生熱斑效應(yīng)。

陰影被分為“客觀陰影”(objective shading)和“主觀陰影”(subjective shading)?！爸饔^陰影”又可細(xì)分為“動(dòng)態(tài)陰影”(dynamic shading)和“靜態(tài)陰影”(static shading)?？陀^陰影指因天氣原因而造成光照強(qiáng)度減弱，比如多云、陰雨和霧霾天氣等。主觀陰影是由附近障礙物阻擋了陽光直射而造成的陰影覆蓋。靜態(tài)陰影特指在組件表面玻璃上的覆蓋物，如鳥糞、樹葉或長(zhǎng)久積累在底部的灰土。動(dòng)態(tài)陰影就是廣泛意義上說的“陰影”。靜態(tài)陰影形狀不隨太陽的移動(dòng)而變化，這也是區(qū)分這兩種陰影分類的核心點(diǎn)。這里是針對(duì)靜態(tài)陰影展開的一系列研究。文獻(xiàn)［5-8］建立了陰影遮擋情況下的太陽電池組件模型，采用MATLAB、Saber等仿真模擬軟件分析了不同局部陰影條件下太陽組件的I-V特性。國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)近年也開展了相關(guān)理論研究，在太陽電池電流方程的基礎(chǔ)上，進(jìn)行太陽電池組件的正向和反向特性研究。但是歷來對(duì)此陰影遮擋研究的試驗(yàn)相關(guān)工作比較少。

計(jì)劃在太陽能房這個(gè)真實(shí)的環(huán)境下，研究陰影遮擋對(duì)其光伏組件發(fā)電量的影響，但考慮到屋頂操作的安全問題，故采用同等條件模擬試驗(yàn)的方案。選取南面微網(wǎng)光伏組件的某單元作為研究對(duì)象，進(jìn)行同等條件下的試驗(yàn)?zāi)M，將遮擋面積作為可變因素，實(shí)時(shí)測(cè)得光伏組件在各種情況下的輸出特性，分析并比較陰影遮擋對(duì)光伏組件發(fā)電量的影響，并對(duì)其進(jìn)行一定程度的優(yōu)化，分析并比較優(yōu)化后的結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 模擬測(cè)試系統(tǒng)

選取如圖2所示的單元作為研究對(duì)象。選擇依據(jù)為:考慮測(cè)量透光率的準(zhǔn)確性和測(cè)量人員的安全性，選擇屋檐邊緣的組件;考慮由于組件高度帶來的試驗(yàn)誤差，選擇左右排列的一整串組件;考慮夏天正南幾乎無遮擋以及周邊建筑的影響，選擇偏東的組件。綜上所述，圖中所示單元為最佳模擬單元，可做為研究對(duì)象。

圖2 研究單元

對(duì)選取單元的兩側(cè)(A側(cè)和B側(cè))使用太陽眼(SORLAR EYE)進(jìn)行透光率測(cè)量，分析測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出該單元透光率的結(jié)論，其中A側(cè)透光率和測(cè)量結(jié)果如圖3和表1所示，B側(cè)透光率和測(cè)量結(jié)果如圖4和表2所示。

圖3 A側(cè)透光率

表1 A側(cè)測(cè)量結(jié)果

圖4 B側(cè)透光率

表2 B側(cè)測(cè)量結(jié)果

經(jīng)比較可得，所選單元的五月份透光率為93%。由于屋頂傾斜角度大約為30°，因此在地面做模擬實(shí)驗(yàn)室時(shí)，也要將傾斜角度設(shè)為30°，以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。用太陽眼設(shè)備在太陽能房的周邊進(jìn)行透光率測(cè)量，并將93%透光率的區(qū)域作標(biāo)示。最終把能同時(shí)滿足透光率大約93%和能鋪設(shè)兩串組件面積的條件的區(qū)域作為模擬實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)。

1.2 測(cè)試方法和步驟

試驗(yàn)儀器包括8塊30W/17V的太陽能組件，4塊優(yōu)化器，2臺(tái)滑行變阻器，2塊功率表，2個(gè)空開，若干導(dǎo)線和絕緣膠帶。

根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)電路原理圖如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)電路原理

根據(jù)原理圖在地面上連接電路，板子的傾斜角度為30°，面向南面擺放。接線圖如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)接線

實(shí)驗(yàn)過程中，采用厚度為0.2 mm的深色紙板作為遮光片，單塊太陽能板遮擋面積分別為0%、20%、40%，由于4塊板子串聯(lián)連接，折算到整串組件的遮擋面積為0%、5%、10%。

采集5月10日一天的數(shù)據(jù)，由于上午8:30之前和下午17:00之后的輻射強(qiáng)度很低，所以數(shù)據(jù)采集的時(shí)間區(qū)間為8:30-17:00。在此期間，15 min-30 min采集1次數(shù)據(jù)，記錄下此時(shí)的輻射量、輸出電壓U、輸出電流I、輸出功率P。

2 優(yōu)化前測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 遮擋對(duì)電池性能的影響

不同遮擋情況的I-V、P-V曲線如圖7所示。

圖7 不同遮擋情況的I-V特性曲線

由圖知:相同時(shí)間段內(nèi)，0%遮擋情況下，當(dāng)電壓在10 V～60 V間變化的時(shí)候，電流的變化空間為0.25 A～1.5 A;5%遮擋情況下，輸出電壓和電流驟減，輸出電壓在輻射量較高的時(shí)候不過15 V，電流在0.1 A～0.4 A間波動(dòng)，變化范圍很狹窄;10%遮擋情況下，輸出電壓、電流很微弱，電壓不過幾伏，電流幾乎可以忽略不計(jì)，此時(shí)光伏組件發(fā)電量極其低下。

由圖可知，遮擋對(duì)電池性能的影響很大，使電池能量降低，尤其是各參數(shù)下降幅度很大。遮擋5%較無遮擋的時(shí)候，功率下降50% ～80%;遮擋10%較無遮擋的時(shí)候，功率下降60% ～90%。

圖8 不同遮擋情況的P-V特性曲線

圖9 輻射量對(duì)遮擋電池的性能影響

2.2 輻射強(qiáng)度對(duì)遮擋電池性能的影響

從上圖可看出，無遮擋的情況下，輻射量與輸出功率成正比關(guān)系，輻射量越高，電池輸出能量越高;而遮擋情況下，不管遮擋面積為多少，只要有遮擋，遮擋部位就會(huì)從發(fā)電的角色變換為負(fù)載的角色，大大拉低整串的輸出功率，時(shí)間過長(zhǎng)還會(huì)損壞電池板，危害很大。光伏發(fā)電工程中，一旦部分遮擋，就會(huì)對(duì)整個(gè)工程的發(fā)電量有破壞性的影響，所以一定要定期保證電池組件的清潔，避免樹葉、灰塵、鳥糞等遮擋物的覆蓋，確保光伏組件發(fā)電的穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果和分析可得:當(dāng)樹木、煙囪或其他物體投射的陰影遮擋住光伏組件時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)造成“失配”問題。即使光伏系統(tǒng)只受到一點(diǎn)點(diǎn)陰影的遮擋都會(huì)導(dǎo)致發(fā)電量的大幅下跌。部分遮蔽導(dǎo)致的系統(tǒng)失配對(duì)發(fā)電量的實(shí)際影響很難通過簡(jiǎn)單的計(jì)算公式獲得。因?yàn)橛绊懴到y(tǒng)發(fā)電量的因素很多，包括內(nèi)部電池模塊間互連、模塊定向、光伏電池組間的串并聯(lián)問題以及逆變器的配置等。光伏模塊通過多個(gè)電池串相互連接而成，每個(gè)電池串被稱為一個(gè)“組列”。每個(gè)組列由1個(gè)旁路二極管來保護(hù)，以免1個(gè)或多個(gè)電池被遮蔽或損壞時(shí)導(dǎo)致整個(gè)電池串因?yàn)檫^熱而受到損壞。這些串聯(lián)或并聯(lián)的電池組列能夠使電池板產(chǎn)生相對(duì)較高的電壓或電流。

不同的案例研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明，部分遮蔽對(duì)光伏系統(tǒng)的發(fā)電量具有嚴(yán)重的影響。通過使用分布式MPPT控制可以減輕遮蔽對(duì)系統(tǒng)的不利影響。而光伏優(yōu)化器中有MPPT跟蹤和通信功能，使用優(yōu)化器是否能改良遮擋對(duì)光伏組件發(fā)電量，下面的試驗(yàn)結(jié)果給出了有力的分析。

3 優(yōu)化后測(cè)試結(jié)果及比較分析

由于采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔很短，一天中共采集了30組數(shù)據(jù)，有部分?jǐn)?shù)據(jù)輻射量極其接近，視為重疊數(shù)據(jù)，可剔除;又因?yàn)樵普趽踉蚴沟貌杉芭c采集后的輻射量差別很大，這種數(shù)據(jù)沒有說服力，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差，視為壞數(shù)據(jù)，可剔除。綜合兩種情況，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到的數(shù)據(jù)表如表3所示。

由以上數(shù)據(jù)和曲線可以得到以下結(jié)論:

1)0%遮擋情況下，優(yōu)化前后的輸出功率P隨輻射量的增大而增大。當(dāng)輻射量低于700 W/m2的時(shí)候，優(yōu)化后的功率輸出明顯高于優(yōu)化前的功率輸出，起到了良好的優(yōu)化作用，此區(qū)間，輻射量越低，優(yōu)化后輸出功率的增加百分比越高，優(yōu)化效果越明顯，但輻射量越接近700 W/m2，雖然依然呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但是增加百分比逐漸減少，優(yōu)化的作用漸弱。當(dāng)輻射量高于700 W/m2的時(shí)候，優(yōu)化前后的功率輸出相差無幾，幾乎起不到優(yōu)化的作用，隨輻射量的增高，反而有拉低輸出功率的現(xiàn)象，在當(dāng)天最高輻射量900 W/m2左后的時(shí)候，大約拉低優(yōu)化前功率35%～40%。

根據(jù)數(shù)據(jù)表繪制曲線如圖10所示。

對(duì)優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)比較，能明顯看到優(yōu)化器會(huì)光伏組件發(fā)電量的影響，顯示結(jié)果如圖11所示。

2)5%遮擋情況下，優(yōu)化前的輸出功率很低，隨輻射量的增加雖然也呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但在0～5 W的范圍內(nèi)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)范圍很小;然而優(yōu)化后的輸出功率，雖然在某個(gè)輻射量值時(shí)會(huì)出現(xiàn)峰值功率，但總體的優(yōu)化效果是很明顯的，優(yōu)化后的功率范圍在4 W～30 W之間。加優(yōu)化器之后光伏組件的輸出得到了很大的優(yōu)化，優(yōu)化后的最低輸出功率幾乎與優(yōu)化前的最高輸出功率齊平，優(yōu)化效果顯而易見;但是優(yōu)化之后也出現(xiàn)了，輸出不穩(wěn)定，有反應(yīng)延遲，出現(xiàn)功率峰值等現(xiàn)象，這可能是由于優(yōu)化器本身設(shè)計(jì)的相互之間通信功能及其算法造成的，至于具體的原因，由于沒有充足的試驗(yàn)依據(jù)，尚不能確定。

表3 優(yōu)化前后輻射量與輸出功率的數(shù)據(jù)表

圖10 各種遮擋情況下輻射量與發(fā)電量的關(guān)系

3)10%遮擋情況下，優(yōu)化前的的光伏組件幾乎不發(fā)電，即使在正午輻射量最高的時(shí)候也不過1 W左右，可看出陰影遮擋對(duì)光伏組件的輸出影響是極其大的。優(yōu)化后的功率輸出有了明顯改善，隨著輻射量的增加，輸出功率也在3 W～30 W的范圍內(nèi)不同程度的增加。

圖11 優(yōu)化前后輻射量與發(fā)電量的關(guān)系

4 結(jié)語

所建試驗(yàn)?zāi)Ｐ途C合考慮了陰影遮擋和優(yōu)化器方案對(duì)光伏發(fā)電的影響。在相似周邊環(huán)境、透光率、傾角、溫度等客觀因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了太陽電池組件遮擋實(shí)驗(yàn)，并對(duì)組件能進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，詳細(xì)分析了組件從8:00～17:00不同遮擋情況下的工作狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在局部遮擋條件下，組件串聯(lián)輸出的功率曲線呈驟減趨勢(shì)，加入優(yōu)化器后不僅可以保護(hù)光伏組件，更能提高系統(tǒng)效率，但也存在輸出波動(dòng)的現(xiàn)象，這就需要尋找更優(yōu)的MPPT技術(shù)。組件遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)輸出特性產(chǎn)生很大的影響，本次試驗(yàn)對(duì)光伏系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的提高具有較高的工程指導(dǎo)意義。

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