陰影遮擋對多晶硅光伏組件輸出影響的實驗研究

汪婷婷 王靜 潘甲龍

摘 要：通過太陽能光伏電池仿真模型和光伏陣列計算模型，在特變電工哈密295kWp光伏實驗電站并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中進行了陰影遮擋對多晶硅光伏組件輸出影響的實驗研究和分析。結果發(fā)現(xiàn)：組件豎向布置被遮擋時，其輸出電壓、電流急劇減小，遮擋部分的小電池片嚴重阻遏整個組件的發(fā)電輸出。組件橫向布置被遮擋時，被遮擋單元的輸出電力將急劇下降，但由于旁路二極管的作用，未遮擋部分仍可有正常的功率輸出。

關鍵詞：遮擋；多晶硅；陰影

引言

在光伏電站中，尤其是建設在醫(yī)院、小區(qū)等場所的分布式電站中，往往會因防護設施、架空線路等產(chǎn)生各種形式的陰影遮擋。這種遮擋不僅影響發(fā)電量輸出，還會導致熱斑效應損壞電池板。而陰影遮擋對組件和組串電量輸出的影響主要與遮擋面積、遮擋位置等有關。由于陣列陰影問題對光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出特性的影響占主導地位，目前對陰影問題的研究主要集中在光伏陣列上[1]。文章為了研究陰影遮擋對組件和組串的影響，特在特變電工哈密產(chǎn)業(yè)園295kW實驗電站，4號方陣內(nèi)，1個20串標準串聯(lián)實驗單元進行陰影遮擋實驗，分析不同組件布置形式下陰影遮擋對光伏組件和光伏陣列輸出特性的影響。

1 實驗方案

光伏發(fā)電系統(tǒng)設計時按照冬至日真太陽時9：00-15：00前后排支架不遮擋為間距設計依據(jù)，但是在西北地區(qū)真太陽時9：00-15：00以外的時間段內(nèi)，其太陽能輻照資源仍然十分豐富，為了盡可能多的獲取輻射資源的利用率，需深入研究陰影遮擋對不同光伏組件布置形式下光伏組件及光伏陣列的電量輸出影響。以期在間距一致的情況下通過組件安裝方式的調(diào)整來提高光伏系統(tǒng)發(fā)電量，圖1、圖2為豎向布置和橫向布置實景圖。

實驗采用245Wp組件進行，組件尺寸為1650？鄢992mm，豎向排布采用2？鄢10陣列布置形式，橫向排布采用4*10陣列布置形式。

2 實驗結果及分析

2.1 陰影遮擋下單個組件橫豎裝輸出特性分析

2.1.1 遮擋特性分析

實驗電站中采用的是245Wp多晶硅組件，每塊電池板由60片小片組成，60小片串聯(lián)輸出每片輸出電壓約6V，其中每20片構成一小串，每串都有一個旁路二極管。當電池組出現(xiàn)局部遮擋或損壞時，容易出現(xiàn)熱斑效應不能發(fā)電，這時旁路二極管導通，讓其他正常的電池片所產(chǎn)生的電流從二極管通過，使系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)電。在正常情況下，橫向布置和豎向布置沒有遮擋影響，其發(fā)電量相同，但在早晨、傍晚組件間前后排存在遮擋，陰影呈和地面平行的帶狀遮擋，早晨遮擋從上到下逐步移出電池板，下午遮擋陰影從下到上移動，最后遮擋全部電池板。

2.1.2 遮擋對豎向放置組件的影響

圖5示意出豎向布置早晚遮擋情況，3串中每串都有被遮擋，電池組件的最大輸出電流由被遮擋的電池片限制。

圖6為組件豎向布置遮擋時I-V曲線輸出特性，正常電池片I-V曲線為i1，被遮擋電池片其串聯(lián)回路旁路二極管導通，電流電壓急劇下降，其I-V曲線為i2，組件整體輸出I-V曲線為i3，組件輸出功率大大減少。

組件豎向布置遮擋時，其輸出電壓電流急劇減小，遮擋部分的小電池片嚴重阻遏整個組件的發(fā)電輸出。這種布置方式中組件的發(fā)電量在系統(tǒng)中可以忽略，在早晨其進入正常發(fā)電的時間比其他未遮擋的組件晚，傍晚其退出發(fā)電系統(tǒng)的時間比其他未遮擋的組件早。

2.1.3 遮擋對橫向放置組件的影響

圖7示意出橫向布置早晚遮擋情況，當3串中只有1串被遮擋，電池組件的最大輸出電壓由被遮擋的電池片限制，輸出電流有小幅減少。

圖8為組件橫向布置遮擋時I-V曲線輸出特性，由于單元電池片的輸出電流與光照強度有關，被遮擋單元的輸出電力將急劇下降。但由于該單元有旁路二極管，整個電池板的輸出電流將從二極管流過。如下圖所示，這樣的電池板的輸出為兩個沒有遮擋的電池片組，表現(xiàn)為輸出MPPT電壓降低為原來的2/3，輸出略有減小，電池板還有小于2/3的輸出功率。正常電池片I-V曲線為i，被遮擋的電池片I-V曲線為i2，組件整體輸出I-V曲線為i3，從輸出結果看，電池片輸出功率基本保持在正常輸出的2/3左右以下。

組件豎向布置遮擋時，其輸出電流會略有減小，輸入電壓約為未遮擋串數(shù)之和，這種布置方式中組件在早晨、晚上遮擋期間可以的正常輸出部分功率發(fā)電。

2.2 陰影遮擋下光伏陣列橫豎裝輸出特性分析

2.2.1 遮擋特性分析

橫豎向布置時，單個光伏陣列均包含2個光伏組串，當早晨、傍晚組件間前后排存在遮擋時，只影響單個光伏組串輸出，為方便對比我們以單個光伏組串為實驗對象，模擬陰影遮擋情況，分析組串輸出。

2.2.2 遮擋對豎向布置組串的影響

圖9為光伏組串豎向布置遮擋時“電壓-遮擋率”曲線輸出特性，當組串被遮擋時，電壓急劇下降，當遮擋率進一步增加時，電壓基本不變，與全遮擋效果一樣，這一結論與組件本身特性一致。

2.2.3 遮擋對橫向布置組串的影響

圖10為光伏組串橫向布置遮擋時“電壓-遮擋率”曲線輸出特性，當組串被遮擋時，電壓下降呈階梯式變化，主要是因為防反二極管作用，這一結論與組件本身特性一致。

2.3 橫豎裝設計方案成本分析

以新疆哈密地區(qū)100MWp地面光伏電站為例對占地面積及支架用鋼量對比首先對橫裝豎裝兩種不同方案的成本進行分析。

2.3.1 占地面積對比分析

包含100個1MWp子方陣，支架采用39°固定傾角，組件尺寸為1650mm×992mm。（1）橫向布置方案的組件布置方式為4行10列（4×10），每個支架單元傾斜面尺寸為4028mm×16680mm，投影面尺寸為3130mm×16680mm，南北間距為8.75m。（2）豎向布置方案的組件布置方式為2行20列（2×20），每個支架單元傾斜面尺寸為3320mm×20220mm，投影面尺寸為2580mm×20220mm，南北間距為7.21m。通過上述兩種布置形式可以得出，采用245Wp組件，組件橫向4×10陣列布置占地面積為3694.85畝，組件豎向2×20陣列布置占地面積為3577.6畝。因此，以100MWp地面光伏電站為例，采用245Wp組件，橫向布置比豎向布置用地面積多117.25畝。

2.3.2 支架鋼用量對比分析

采用245Wp組件，按照橫向4×10陣列和豎向2×20陣列的布置方式，組件橫向、豎向布置方式支架主要構件用鋼量進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結果見表1所示。

從表1、表2可以看出，采用245Wp組件，以100MWp地面光伏電站為例，組件橫向4×10陣列布置支架主要構件用鋼量為4889.43t，組件豎向2×20陣列布置支架主要構件用鋼量為4509.64t。因此，以100MWp地面光伏電站為例，采用245Wp組件，橫向布置比豎向布置用鋼量多379.79t。

3 結束語

文章通過對中國九個典型城市的最佳傾角和傾斜面上輻射量進行計算，對散射在光伏發(fā)電設計中的影響進行了分析，通過分析得到以下結論。（1）陰影遮擋下單個組件橫豎裝時，當前后排電池板出現(xiàn)遮擋，橫向放置電池板比豎向放置電池板輸出更多功率。豎向布置方式中遮擋組件的發(fā)電量在系統(tǒng)中可以忽略，在早晨其進入正常發(fā)電的時間比其他未遮擋的組件晚，傍晚其退出發(fā)電系統(tǒng)的時間比其他未遮擋的組件早。（2）陰影遮擋下光伏陣列橫豎裝時，當前后排電池板出現(xiàn)遮擋，光伏組串輸出結論與組件本身特性一致。橫向布置陣列比豎向布置陣列有更多的電量輸出。但是需要考慮積灰下雨水的沖洗效果。（3）以100MW光伏電站為例，橫向布置比豎向布置用鋼量多，最終選用何種布置形式還需要進行綜合考慮。

參考文獻

[1]肖景良，徐政，林崇，何少強.局部陰影條件下光伏陣列的優(yōu)化設計[J].中國電機工程學報. 2009，29（11）：119-124.

[2]云志剛，楊宏，李文滋.光伏組件中電池遮擋與I-V曲線特性變化關系[A].第八屆全國光伏會議暨中日光伏論壇論文集[C]，2004.

[3]趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽能光伏發(fā)電及其應用[M].北京：科學出版社，2005：237-239.