局部陰影條件下光伏組件的輸出特性研究

中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 ■ 李芮 李世杰 武永鑫 王虎

北京交通大學(xué)理學(xué)院太陽(yáng)能研究所 ■ 徐征

0 引言

在實(shí)際運(yùn)行條件下，云層、雜草、電力傳輸桿等物體常會(huì)對(duì)光伏組件造成局部陰影遮擋，產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，影響光伏組件甚至整個(gè)光伏陣列的功率輸出[1,2]。國(guó)內(nèi)外關(guān)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(dǎo)致組件輸出特性改變[3-7]，但這與實(shí)際工程運(yùn)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(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)的支撐。

本文將對(duì)實(shí)際運(yùn)行情況下可能出現(xiàn)的組件局部陰影遮擋情況進(jìn)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(duì)組件輸出特性產(chǎn)生的影響，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，為光伏電站設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行提供重要參考。

1 組件局部陰影遮擋實(shí)驗(yàn)方案及設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)工程運(yùn)行實(shí)際，遮擋物在組件上形成的局部陰影會(huì)隨著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)而擴(kuò)大在組件上形成的遮擋面積，或逐步移動(dòng)形成橫向或縱向貫穿組件的陰影遮擋。根據(jù)這一特點(diǎn)，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(jìn)行遮擋，形成不同面積、數(shù)量、分布方式的局部陰影；測(cè)試不同情況下光伏組件的輸出電流、電壓、功率等參數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)修正到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境(STC)條件(輻照度1000 W/m2、電池溫度25 ℃、AM 1.5)下進(jìn)行對(duì)比和分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 實(shí)驗(yàn)的光伏組件

本文選用320 W單晶硅光伏組件為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，參數(shù)如表1所示。單塊組件內(nèi)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(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)組件旁路二極管連接形式示意圖

1.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

選用意大利HTI-V曲線測(cè)試儀(I-V400 W )進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在冬至日當(dāng)天正午進(jìn)行，首先對(duì)被測(cè)組件進(jìn)行清洗以排除灰塵的影響，測(cè)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(duì)陣列中縱向布置的光伏組件進(jìn)行不同方式遮擋，記錄被測(cè)組件的輸出特性，并修正所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)到STC條件下。

2 軟件模擬環(huán)境下的局部陰影遮擋對(duì)光伏組件輸出特性影響

首先利用PVsyst軟件對(duì)受到局部陰影遮擋的光伏組件進(jìn)行模擬仿真，分析不同面積、數(shù)量和位置上的局部陰影對(duì)組件功率輸出影響的規(guī)律和特點(diǎn)。

2.1 不同遮擋面積和輸出功率的關(guān)系

如圖2和圖3所示，在單片電池片遮擋面積小于50%時(shí)，電池片所在子串的旁路二極管未被導(dǎo)通，功率的損失比例呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而輸出電流呈線性下降趨勢(shì)，同時(shí)電壓緩慢升高。當(dāng)遮擋面積大于50%時(shí)，被遮擋電池片所在子串的旁路二極管被導(dǎo)通，該電池串被短路，整個(gè)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(gè)組件輸出功率的2/3。

圖2 遮擋面積與功率損失關(guān)系

圖3 遮擋面積與電流、電壓關(guān)系

2.2 不同遮擋數(shù)量、位置和光伏組件輸出特性的關(guān)系

以上對(duì)光伏組件局部遮擋的模擬分析都是基于單一電池片，當(dāng)光伏組件中多個(gè)電池片同時(shí)被遮擋，情況就會(huì)比較復(fù)雜。

同樣以320 W單晶硅光伏組件為模擬分析對(duì)象，隨機(jī)選擇組件中的3塊電池片，逐一進(jìn)行遮擋，遮擋面積都是80%，分別對(duì)3塊電池片在同一電池子串(情況1)、分散在2個(gè)電池子串(情況2)及分散在3個(gè)電池子串(情況3)這3種不同情況下進(jìn)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(jié)果如表2所示。

表2 不同遮擋位置對(duì)組件輸出功率影響

對(duì)表2進(jìn)行分析后可知：當(dāng)3塊被遮擋的電池片處于同一電池子串內(nèi)時(shí)，組件的輸出功率損失與被遮擋的電池片數(shù)量無(wú)關(guān)，只有1個(gè)子串的旁路二極管被導(dǎo)通，輸出功率損失在組件的1/3左右，如圖4所示；當(dāng)3塊電池片分別分散于2個(gè)電池子串內(nèi)時(shí)，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(gè)旁路二極管所并聯(lián)的電池片全部被旁路，如圖5所示；當(dāng)3塊電池片分別分散于3個(gè)電池子串中時(shí)，3個(gè)旁路二極管均被導(dǎo)通，功率損失十分嚴(yán)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(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件下局部陰影遮擋對(duì)光伏組件輸出特性的影響

通過(guò)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(guān)系，為進(jìn)一步研究局部陰影遮擋對(duì)光伏組件輸出特性影響，并驗(yàn)證軟件模擬的分析結(jié)論，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同遮擋比例和不同分布方式下的局部陰影所產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)被測(cè)試組件所在陣列

3.1 不同遮擋面積對(duì)光伏組件輸出特性的影響

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

被測(cè)試組件由72片電池片串聯(lián)組成，每24個(gè)電池片與一個(gè)旁路二極管并聯(lián)。根據(jù)旁路二極管的“正向?qū)ā⒎聪蚪刂埂碧匦?，?dāng)電池片正常工作時(shí)，旁路二極管反向截止，對(duì)電路不產(chǎn)生任何作用；但當(dāng)與旁路二極管并聯(lián)的電池片存在一個(gè)非正常工作的電池片時(shí)，整個(gè)線路的電力將由流經(jīng)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(dǎo)通，與之并聯(lián)的電池片被旁路。

表3 單塊電池片遮擋對(duì)光伏組件輸出特性影響實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

由表3可知，在實(shí)測(cè)過(guò)程中，當(dāng)電池片被遮擋面積在30%以下時(shí)，流經(jīng)該電池片的電流降低，導(dǎo)致整個(gè)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(lián)的旁路二極管仍處于截止?fàn)顟B(tài)；隨著遮擋面積逐漸增大(超過(guò)電池片面積50%)，此時(shí)被遮擋電池片所并聯(lián)的旁路二極管間存在較大反向偏壓，二極管被導(dǎo)通，與此二極管并聯(lián)的電池片被旁路；此后無(wú)論被遮擋電池片的遮擋面積增加多少，整個(gè)組件輸出功率幾乎沒(méi)有變化，一直保持在2/3組件功率輸出的工作狀態(tài)，這一狀態(tài)與軟件模擬條件下的結(jié)論保持一致。

3.2 不同遮擋數(shù)量和位置對(duì)光伏組件輸出特性的影響

利用不透光遮光板依次對(duì)被測(cè)光伏組件進(jìn)行遮擋，遮擋方式如圖8所示；然后測(cè)試光伏組件的輸出特性，結(jié)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(shù)量和位置對(duì)光伏組件輸出特性的影響的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

由表4可知，在光伏組件中，不論被遮擋的電池片數(shù)量是多少，只要被遮擋的電池片處于同一子串中，就會(huì)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(lián)于一個(gè)旁路二極管內(nèi)，因此只有1/3的電池片會(huì)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(huì)對(duì)組件中的2個(gè)電池子串和3個(gè)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(gè)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(gè)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?fàn)顟B(tài)，未被導(dǎo)通，因此其輸出功率較被完全導(dǎo)通時(shí)提高134 W。

另一方面，遮擋方式20與21遮擋的電池片數(shù)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(dǎo)致的功率損失也不盡相同。遮擋方式20只影響了1個(gè)子串，因此組件功率輸出為224.85 W；而遮擋方式21在3個(gè)子串中都造成了遮擋影響，但在其中1個(gè)子串中遮擋的面積并不是很大，沒(méi)有導(dǎo)致該子串被旁路，因此功率輸出比同樣對(duì)3個(gè)子串都造成遮擋影響的遮擋方式5高，為98.62 W。

4 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)軟件模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，可得出局部陰影對(duì)光伏組件輸出特性的研究結(jié)果為：

1)在單個(gè)電池片遮擋面積小于50%時(shí)，通過(guò)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(dāng)單個(gè)電池片遮擋面積超過(guò)50%后，該電池片并聯(lián)的旁路二極管被導(dǎo)通，組件輸出功率降低1/3左右。

2)當(dāng)多個(gè)被遮擋電池片并聯(lián)于1個(gè)旁路二極管內(nèi)，不論被遮擋的電池片數(shù)量多少，其導(dǎo)致的組件輸出功率損失約為29%；當(dāng)被遮擋電池片影響2個(gè)旁路二極管時(shí)，組件輸出功率降低2/3左右；當(dāng)被遮擋電池片分別并聯(lián)于3個(gè)旁路二極管內(nèi)，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(shí)的輸出功率損失率比橫向貫穿遮擋(遮擋方式6)時(shí)減少67.3%。

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