中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 ■ 李勇吳煒

光伏組件與陣列遮擋陰影下的輸出特性仿真分析

中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 ■ 李勇*吳煒

首先，利用PVsyst模擬了電池板遮擋面積、配置的二極管數(shù)目及不同遮擋位置下組件的輸出特性，提出了提高光伏組件輸出功率的方法；其次，結(jié)合長(zhǎng)沙某菜市場(chǎng)擬建的光伏電站，利用PVsyst仿真了配置不同的二極管數(shù)量及兩種布置方式下光伏陣列的輸出特性，比較冬至日某個(gè)時(shí)刻間距陰影遮擋和近處陰影遮擋兩種情況下陣列的輸出特性。結(jié)果表明，對(duì)于只有間距陰影遮擋的光伏陣列配置二極管的數(shù)量和采用的布置方式對(duì)結(jié)果的影響非常?。划?dāng)陣列有嚴(yán)重的近處陰影遮擋時(shí)，適當(dāng)提高配置的二極管數(shù)量，PR提高2.3%；豎向布置方式高樓遮擋陰影損失率約為橫向布置的1.6倍。

電池板遮擋面積；配置二極管；PVsyst仿真；布置方式；輸出特性

0　引言

太陽(yáng)能作為一種綠色能源，具有取之不竭、用之不盡，不污染環(huán)境、不破壞生態(tài)，周而復(fù)始、可以再生，分布廣泛、方便使用，就地可取、無需運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的火電，太陽(yáng)能發(fā)電清潔環(huán)保，其會(huì)逐漸取代傳統(tǒng)能源發(fā)電，并將成為世界能源供應(yīng)的重要組成部分[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，光伏陣列都會(huì)受到陰影遮擋，產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，影響陣列的輸出特性[2,3]。多數(shù)文獻(xiàn)研究了固定遮擋某部分組串對(duì)太陽(yáng)電池板輸出特性的影響[4-8]，或者是固定遮擋光伏組件某部分在不同布置方式下的輸出特性[9]。在光伏電站運(yùn)行過程中，會(huì)不可避免地遇到陰影遮擋的問題，對(duì)于整個(gè)光伏電站進(jìn)行陰影分析是比較困難的，但可對(duì)組件在陰影遮擋情況下的I-V輸出特性進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)光伏陣列在陰影遮擋下的輸出特性進(jìn)行研究。

本文首先對(duì)太陽(yáng)電池板的陰影遮擋進(jìn)行分析，研究太陽(yáng)電池板遮擋面積、配置的旁路二極管數(shù)目[10]及陰影遮擋位置的不同與組件輸出特性的關(guān)系，提出提高組件輸出功率的方法；其次，結(jié)合在長(zhǎng)沙擬建的光伏電站，利用PVsyst研究光伏陣列的陰影遮擋的情況，研究間距陰影遮擋和近處陰影遮擋兩種情況下，配置不同數(shù)量的二極管及采用橫、豎向布置方式的陣列輸出特性，包括具體某個(gè)時(shí)刻和全年的光伏陣列的陰影遮擋損失率、年發(fā)電量和系統(tǒng)效率；提出在實(shí)際條件下提高系統(tǒng)效率的方法，從而為光伏電站設(shè)計(jì)提供重要的參考。

1　組件陰影遮擋分析

1.1組件輸出功率和遮擋面積的關(guān)系

本文選用Hanwha SolarOne 255 W多晶硅光伏組件，利用PVsyst對(duì)光伏組件進(jìn)行估算，可得到電池組在STC下不同遮擋比例的輸出特性，如圖1和圖2所示。在遮擋面積小于47%時(shí)，旁路二極管未導(dǎo)通，功率的衰減比例呈線性上升趨勢(shì)，而輸出電流呈線性下降趨勢(shì)，而電壓有緩慢的升高。當(dāng)遮擋面積大于47%時(shí)，被遮擋電池片所在電池串的旁路二極管被正向?qū)?，使得該電池串短路，整個(gè)電池板的工作電壓比無遮擋時(shí)出現(xiàn)下降，降為18 V。整個(gè)光伏組件的輸出功率基本保持不變，約為150 W。整個(gè)組串的輸出電壓U受陰影遮擋的影響會(huì)降低，影響組串的出力。

圖1　組件遮擋面積與功率衰減比例的關(guān)系

圖2　組件遮擋面積與組件輸出的關(guān)系

1.2旁路二極管個(gè)數(shù)對(duì)組件遮擋情況下輸出特性的影響

由上文可知，當(dāng)遮擋面積大于47%時(shí)，被遮擋電池片所在電池串的旁路二極管正向?qū)?，輸出電壓下?/3，這是因?yàn)殡姵匕迮渲昧?個(gè)旁路二極管。因而研究組件的輸出性能與配置旁路二極管數(shù)量的關(guān)系是有必要的。

圖3是Hanwha SolarOne 255 W多晶硅光伏組件在配置2、3、4和6個(gè)二極管時(shí)的連接方式示意圖。這塊組件有60塊電池片，其配置方式分別為：2×30、3×20、4×15、6×10。

圖3　配置不同數(shù)量二極管的連接示意圖

組件在一塊電池片被遮擋80%情況下的輸出特性如圖4所示，可以看出旁路二極管的數(shù)目對(duì)最大功率點(diǎn)工作電壓的影響顯著。太陽(yáng)電池板最大功率點(diǎn)電壓為30.8 V，當(dāng)配置方式為2×30時(shí)，最大功率點(diǎn)的工作電壓為13.5 V，陰影遮擋使太陽(yáng)電池板工作電壓下降了1/2；配置方式為3×20時(shí)，最大功率點(diǎn)的工作電壓為18.3V，陰影遮擋使太陽(yáng)電池板工作電壓下降了1/3；配置方式為4×15時(shí)，最大功率點(diǎn)的工作電壓為20.6V，陰影遮擋使太陽(yáng)電池板工作電壓下降了約1/4；配置方式為6×10時(shí)，最大功率點(diǎn)的工作電壓為22.6V，陰影遮擋使太陽(yáng)電池板工作電壓下降了1/6。但增加旁路二極管數(shù)量勢(shì)必會(huì)增加光伏組件的成本，目前主流的太陽(yáng)電池板一般都配置3個(gè)旁路二極管。

圖4　配置二極管數(shù)目與組件輸出的關(guān)系

1.3不同遮擋位置對(duì)組件輸出性能的影響

上文對(duì)遮擋面積與配置旁路二極管的數(shù)目對(duì)組件的輸出特性進(jìn)行了研究，采用的方法都是對(duì)單一電池片進(jìn)行遮擋。當(dāng)多個(gè)電池片被遮擋，情況就會(huì)比較復(fù)雜，被遮擋的電池片分屬于同一電池串和不同電池串兩種情況。依然以Hanwha SolarOne 255 W多晶硅光伏組件為研究對(duì)象，配置了3個(gè)旁路二極管，對(duì)每個(gè)電池片遮擋比例為80%。

當(dāng)多個(gè)被遮擋的電池片屬于同一電池串時(shí)，光伏組件的輸出特性如圖5所示，組件的最大功率點(diǎn)幾乎和同一電池串中被遮擋的電池片的數(shù)量沒有關(guān)系。這是因?yàn)殡姵仄谡趽醣壤秊?0%的情況下，其所在的電池串配置的旁路二極管都會(huì)被正向?qū)ā?/p>

圖5　同一電池串內(nèi)遮擋電池片數(shù)量與輸出的關(guān)系

當(dāng)多個(gè)被遮擋的電池片屬于不同電池串時(shí)，光伏組件的輸出特性如圖6所示，可以看出，被遮擋的電池片越多，陰影對(duì)組件的輸出特性影響越大。當(dāng)被遮擋的電池片為2塊時(shí)，就意味著有2個(gè)電池串配置的旁路二極管被導(dǎo)通，只有1個(gè)電池串能夠正常工作，其功率損失非常嚴(yán)重，約損失2/3，功率為80 W。當(dāng)3個(gè)電池串都有電池片被遮擋時(shí)，組件配置的3個(gè)旁路二極管全部正向?qū)?，此時(shí)組件的斷路電壓為3個(gè)旁路二極管導(dǎo)通的壓降2.1 V，功率損失非常嚴(yán)重。

因此，相同數(shù)量的被遮擋電池片，位置分布不同，其對(duì)組件的輸出特性的影響也是不同的。讓被遮擋的電池片盡量集中分布在同一電池串中，可以明顯地降低組件功率的損失。由此可知，當(dāng)太陽(yáng)電池板選擇橫向布置時(shí)，其受陰影遮擋的影響要小于縱向布置。

圖6　不同電池串內(nèi)遮擋電池片數(shù)量與輸出的關(guān)系

以上分析說明，陰影遮擋對(duì)光伏組件輸出特性的影響是多方面的，包括被遮擋太陽(yáng)電池片的面積、被遮擋太陽(yáng)電池片數(shù)量及被遮擋太陽(yáng)電池片的分布等因素；還包括組件配置的旁路二極管數(shù)量的組件內(nèi)部構(gòu)造因素。因此，要定量分析陰影遮擋對(duì)光伏組件輸出特性的影響是非常困難的。

2　光伏陣列遮擋陰影分析

下文利用PVsyst結(jié)合在長(zhǎng)沙擬建的光伏電站，分析實(shí)際的光伏陣列在配置不同數(shù)量的二極管和橫豎兩種布置方式的情況下的遮擋陰影損失。

組件選擇Hanwha SolarOne 255 W多晶硅光伏組件，逆變器選擇Sungrow 100 kW的變器。12個(gè)太陽(yáng)電池板串聯(lián)成一個(gè)組串，33個(gè)組串，總功率為100 kW，共9列，前8列中的3排會(huì)受到前排的遮擋。

2.1配置二極管數(shù)量對(duì)陣列輸出性能的影響

2.1.1特定時(shí)刻配置二極管數(shù)目對(duì)光伏陣列的影響

在冬至日的16:30，不同二極管數(shù)目的遮擋情況如圖7所示，此時(shí)陰影的遮擋使得每種情況都只有1排組件未受到影響，前8列中的3排遮擋情況如圖7所示。

圖7　冬至日16:30不同二極管數(shù)量陰影遮擋示意圖

此時(shí)，在相同陰影遮擋情況下，不同二極管數(shù)目的陣列的輸出特性如圖8所示。

圖8　冬至日16:30不同二極管數(shù)量的陣列輸出特性

由圖8可以看出，二極管數(shù)目越大，陣列的輸出特性越好。最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流基本是相同的，約為55.4 A，不同個(gè)數(shù)的二極管對(duì)最大功率點(diǎn)的電壓影響是顯著的。無遮擋情況下，陣列的最大功率點(diǎn)功率為19.6 kW；組件布置2個(gè)二極管時(shí)，最大功率點(diǎn)功率為9.4 kW，功率損失為52%；組件布置3個(gè)二極管時(shí)，最大功率點(diǎn)功率為12.7 kW，功率損失為35%；組件布置4個(gè)二極管時(shí)，功率損失為27%；組件布置6個(gè)二極管時(shí)，功率損失為18%。

而在冬至日17:00時(shí)，陰影遮擋的范圍會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，對(duì)于配置6個(gè)二極管的情況，遮擋陰影影響到了2個(gè)組串；配置2、3和4個(gè)二極管的情況，遮擋陰影都只影響1個(gè)組串。

表1　冬至日17:00配置不同數(shù)量二極管的陣列的輸出

從表1可看出，對(duì)于配置6個(gè)二極管的情況，其2個(gè)組串受到陰影的影響，功率損失為37.3%，高于配置3個(gè)和4個(gè)二極管的情況。這說明對(duì)于同樣的陰影遮擋，配置較多的二極管可能會(huì)造成被陰影遮擋影響的組串增多，功率損失反而增加。理論上討論的一般都是受影響的組串相同的情況，這與實(shí)際陰影遮擋的情況是有所差別的。因而對(duì)于具體時(shí)刻的陰影遮擋，配置的二極管數(shù)量與功率損失沒有一個(gè)必然降低的關(guān)系。

2.1.2不同陰影遮擋下光伏陣列的年陰影遮擋損失率

當(dāng)光伏陣列只有間距陰影遮擋時(shí)，情況如表2所示，光伏陣列的發(fā)電量和系統(tǒng)效率(PR)基本相同，配置二極管的數(shù)目對(duì)發(fā)電量和系統(tǒng)效率的影響可以忽略不計(jì)。

表2　間距陰影遮擋時(shí)不同數(shù)量二極管的陣列的輸出

當(dāng)光伏陣列受到較嚴(yán)重的近處陰影遮擋，這里模擬高樓遮擋，光伏陣列的發(fā)電量和系統(tǒng)效率如表3所示。當(dāng)光伏組件配置4個(gè)和6個(gè)二極管時(shí)，相較于配置2個(gè)和3個(gè)二極管，陣列年發(fā)電量提高2.6 MWh，系統(tǒng)效率提高2.3%。因此，當(dāng)光伏陣列受到其他嚴(yán)重的近處陰影遮擋時(shí)，適當(dāng)增加配置的二極管數(shù)量，有助于提高系統(tǒng)效率。

表3　近處陰影遮擋時(shí)不同數(shù)量二極管的陣列的輸出

2.2布置方式對(duì)陣列輸出性能的影響

2.2.1特定時(shí)刻陰影遮擋的陣列輸出特性

光伏電站布置33個(gè)組串，共9列，前8列中的3排會(huì)受到前排的遮擋。在冬至日17:00，前8列中的3排就會(huì)形成明顯的陰影。陰影遮擋的情況如圖9所示。

圖9　冬至日17:00不同布置方式陰影遮擋示意圖

圖10為兩種布置方式陰影遮擋情況下，陣列輸出特性的比較。無遮擋情況下，陣列的最大功率輸出為12.5 kW。在間距陰影遮擋情況下，豎向布置時(shí)陣列的最大輸出功率為5.7 kW，陰影遮擋使陣列功率下降了54.4%；橫向布置時(shí)陣列的最大輸出功率為8.1 kW，陰影遮擋使陣列功率下降了35.2%。由此可知，在實(shí)際的光伏陣列中，同一時(shí)刻，橫向布置的陰影遮擋功率損耗明顯小于豎向布置的陰影遮擋損耗，這就驗(yàn)證了前文電池串不同遮擋位置情況的輸出特性的比較。

圖10　冬至日17:00不同布置方式的輸出特性

2.2.2不同布置方式在間距陰影遮擋與近處陰影遮擋情況下光伏陣列的年陰影遮擋損失率

1)間距遮擋陰影對(duì)陣列輸出特性的影響。從圖11可以看出，兩種布置方式在陰影遮擋損失規(guī)律上表現(xiàn)出一致性，冬季偏高，夏季相對(duì)較低。11、12、1和2月橫向布置的年陰影遮擋損失率略低于豎向布置。對(duì)于全年的陰影遮擋損失率，橫向布置時(shí)為1.19%，豎向布置時(shí)為1.22%，僅相差0.03%。

由此可以看出，按照國(guó)標(biāo)選擇的間距[11]，在光伏陣列只受前、后排間距陰影遮擋的情況下，其陰影遮擋損失率很小。實(shí)際情況下要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)組件的布置范圍及安裝成本來決定采用的布置方式。橫向布置的安裝成本是高于豎向布置的，如果布置條件對(duì)橫向與豎向布置不受限制，一般采用豎向布置。

圖11　各月光伏陣列間距遮擋陰影對(duì)比

2)光伏陣列受近處陰影遮擋的情況。當(dāng)光伏陣列周圍有高大建筑物、樹木或高山的情況時(shí)，其陰影損失非常嚴(yán)重。距離場(chǎng)區(qū)177 m，在場(chǎng)區(qū)南偏西43°的方向上有一個(gè)長(zhǎng)60 m、寬25 m、高70 m，方位角為45°的高樓。從14:00開始，高樓的陰影就會(huì)對(duì)光伏陣列產(chǎn)生影響。

從圖12可以看出，高樓陰影遮擋對(duì)光伏陣列的影響很大，橫向布置時(shí)陰影遮擋年損失率為1.82%，高于只有間距陰影遮擋年損失率1.19%。豎向布置時(shí)高樓陰影遮擋年損失率達(dá)到2.86%，幾乎是只有間距陰影遮擋年損失率的2.5倍。同時(shí)可以看出，豎向布置時(shí)遮擋陰影損失率為橫向布置情況的1.6倍，因此對(duì)于有其他陰影遮擋的情況，尤其是較為嚴(yán)重的近處陰影遮擋，具體應(yīng)采用何種布置方式會(huì)比較復(fù)雜，一般根據(jù)成本效益來決定。

圖12　各月高樓陰影遮擋損失比較

3　結(jié)論

1)在遮擋面積小于47%時(shí)，功率的衰減比例呈線性上升趨勢(shì)，而輸出電流呈線性下降趨勢(shì)。當(dāng)遮擋面積大于47%時(shí)，太陽(yáng)電池板工作電壓維持在18 V，下降了1/3，輸出功率維持在約150 W，下降了35%。

2)當(dāng)遮擋陰影集中在1個(gè)電池串時(shí)，配置3個(gè)二極管時(shí)，功率下降1/3；配置4個(gè)二極管時(shí)，功率下降1/4；配置6個(gè)二極管時(shí)，功率下降1/6。增加二極管數(shù)目會(huì)增加成本，目前主流的電池板一般都配置3個(gè)旁路二極管。

3)當(dāng)多個(gè)被遮擋的電池片屬于同一電池串時(shí)，陰影遮擋對(duì)組件輸出的影響可忽略不計(jì)；當(dāng)被遮擋的電池片影響到2個(gè)電池串時(shí)，組件的功率下降2/3；當(dāng)被遮擋的電池片影響到3個(gè)電池串時(shí)，組件的斷路電壓為3個(gè)旁路二極管導(dǎo)通的壓降2.1 V，功率損失非常嚴(yán)重。

4)具體某一時(shí)刻，配置的二極管數(shù)目與功率損失沒有一個(gè)必然降低的關(guān)系。當(dāng)光伏陣列只有間距陰影遮擋時(shí)，配置二極管的數(shù)目對(duì)陣列的影響可以忽略不計(jì)。當(dāng)光伏陣列受到其他嚴(yán)重的近處陰影遮擋時(shí)，適當(dāng)?shù)脑黾优渲玫亩O管數(shù)量，有助于提高陣列年發(fā)電量和系統(tǒng)效率。

5)對(duì)于只有間距陰影遮擋的光伏陣列，兩種布置方式的年陰影遮擋損失率僅相差0.03%。當(dāng)光伏陣列有嚴(yán)重的近處陰影遮擋影響時(shí)，豎向布置時(shí)陰影遮擋損失率為橫向布置情況的1.6倍，橫向布置方式可以明顯提高系統(tǒng)效率。

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2016-04 -21

中南大學(xué)研究生自由探索創(chuàng)新項(xiàng)目(2014zzts191）

李勇(1990—)，男，碩士研究生，主要從事太陽(yáng)能資源評(píng)估、光伏電站設(shè)計(jì)優(yōu)化、熱工檢測(cè)與控制、計(jì)算機(jī)仿真與優(yōu)化方面的研究。1143185734@qq.com