局部陰影遮擋下大尺寸光伏組件的輸出特性研究

林皓 孫曉寅 陳昊旻

摘 要：以太陽電池尺寸為210 mm×105 mm、電路結(jié)構(gòu)為并串結(jié)構(gòu)的大尺寸光伏組件為例，首先分析單片太陽電池不同陰影遮擋比例時(shí)的情況，然后分析光伏組件6種不同陰影遮擋比例和18種典型陰影遮擋位置和形狀對(duì)大尺寸光伏組件輸出特性的影響。結(jié)果表明：隨著單片太陽電池陰影遮擋比例不斷增大，二極管始終未導(dǎo)通，但光伏組件的最大功率逐漸降低，最后降至初始功率的2/3；陰影遮擋比例對(duì)采用并串電路結(jié)構(gòu)的大尺寸光伏組件的I-V特性的影響是非線性的。對(duì)于整塊光伏組件而言，陰影遮擋比例越大，光伏組件的最大功率越小；在同一陰影遮擋比例下，集中陰影遮擋對(duì)光伏組件最大功率損失的影響更大。

關(guān)鍵詞：局部陰影遮擋；大尺寸；太陽電池；光伏組件；輸出特性研究；并串電路結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TK514 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

光伏組件的輸出功率容易受到建筑、山體、烏云、樹木等障礙物形成的局部陰影遮擋的影響，這些陰影遮擋會(huì)造成光伏組件中各片太陽電池產(chǎn)生的電流大小不一，導(dǎo)致光伏組件的輸出功率降低。而每塊光伏組件的輸出功率不一致，容易造成光伏陣列出現(xiàn)失配損失[1]，甚至導(dǎo)致光伏組件出現(xiàn)熱斑效應(yīng)[2]，從而大幅降低整個(gè)光伏陣列的發(fā)電效率。雖然國內(nèi)外對(duì)局部陰影遮擋下光伏組件的性能情況已進(jìn)行了多方面的研究，但主要是針對(duì)常規(guī)尺寸的光伏組件[3-7]。這些光伏組件的太陽電池尺寸大多是156 mm，且都是采用整片串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，這與目前主流的采用182 mm或210 mm尺寸太陽電池的大尺寸光伏組件存在較大差異。

針對(duì)上述情況，本文以太陽電池尺寸為210 mm×105 mm，電路結(jié)構(gòu)為并串結(jié)構(gòu)的大尺寸光伏組件為例，首先分析單片太陽電池不同陰影遮擋比例時(shí)的情況，然后分析光伏組件6種不同陰影遮擋比例、18種典型陰影遮擋位置和形狀對(duì)大尺寸光伏組件輸出特性的影響。

1? 實(shí)驗(yàn)方案與設(shè)備

1.1? 實(shí)驗(yàn)方案

在光伏電站的實(shí)際應(yīng)用中，大尺寸光伏組件一般橫向放置，此時(shí)光伏組件受到的局部陰影遮擋比例、位置和形狀不是一成不變的。因此，本文利用黑色遮光板形成不同遮擋比例、位置和形狀的局部陰影遮擋，模擬現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)的光伏組件陰影遮擋情況。首先，對(duì)單片太陽電池在不同陰影遮擋比例時(shí)的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析光伏組件的I-V特性和二極管的工作狀態(tài)；其次，對(duì)光伏組件表面進(jìn)行不同比例的陰影遮擋，以確定不同陰影遮擋比例對(duì)光伏組件功率損失的影響；最后，使用同一陰影遮擋比例，對(duì)比不同位置和形狀的陰影遮擋對(duì)光伏組件輸出特性的影響。依據(jù)IEC 60904-1：2020《光伏器件——第1部分：光伏電流-電壓特性的測(cè)量》對(duì)光伏組件進(jìn)行I-V特性測(cè)試，從而獲得電流、電壓、輸出功率等參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.2? 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)用光伏組件采用650 W半片雙玻單晶硅光伏組件，其銘牌參數(shù)如表1所示。

該實(shí)驗(yàn)用光伏組件由132片太陽電池組成，且采用并串電路結(jié)構(gòu)；光伏組件已分別依據(jù)IEC 61215-1：2021、IEC 61215-1-1：2021和IEC 61215-2：2021完成穩(wěn)定性測(cè)試。單塊光伏組件的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)所用的模擬器為瑞士PASAN公司生產(chǎn)的3A級(jí)太陽光模擬器。

2 不同陰影遮擋情況下大尺寸光伏組件的輸出特性研究

2.1 單片太陽電池不同陰影遮擋比例對(duì)光伏組件輸出特性的影響

隨機(jī)選取光伏組件中的1片太陽電池，使用黑色遮光板進(jìn)行陰影遮擋，遮擋比例以10%為間隔，逐步由0%增加至100%，分別測(cè)試單片太陽電池不同陰影遮擋比例下光伏組件的輸出特性。單片太陽電池不同陰影遮擋比例時(shí)，光伏組件的最大功率損失比例、最大功率點(diǎn)電壓、最大功率點(diǎn)電流情況分別如圖2、圖3所示。

結(jié)合圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)：單片太陽電池陰影遮擋比例對(duì)光伏組件I-V特性的影響是非線性的，這得益于大尺寸光伏組件的并串電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)單片太陽電池陰影遮擋比例小于90%時(shí)，隨著陰影遮擋比例增加，光伏組件的最大功率點(diǎn)電流逐漸降低，最大功率點(diǎn)電壓逐漸上升，光伏組件的輸出功率逐漸降低；當(dāng)單片太陽電池陰影遮擋比例為100%時(shí)，光伏組件的最大功率點(diǎn)電流急劇上升，最大功率點(diǎn)電壓急劇下降，光伏組件的輸出功率大約降至初始輸出功率的2/3。

利用太陽光模擬器得到單片太陽電池不同陰影遮擋比例時(shí)，光伏組件的I-V曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出：隨著單片太陽電池的陰影遮擋面積不斷增加，光伏組件的I-V曲線拐點(diǎn)不斷往左下方偏移；當(dāng)陰影遮擋比例為100%時(shí)，I-V曲線的拐點(diǎn)處電流為短路電流的一半。這是因?yàn)楸魂幱罢趽醯奶栯姵禺a(chǎn)生了熱斑效應(yīng)，且二極管并未導(dǎo)通。當(dāng)單片太陽電池的陰影遮擋比例為100%時(shí)，圖1中左側(cè)支路僅有兩路工作，工作電流減小為左右兩側(cè)同時(shí)工作時(shí)的一半，左側(cè)支路里上、中、下3個(gè)部分太陽電池串聯(lián)，所以整個(gè)光伏組件的工作電流減小為正常情況下的一半。

2.2 整塊光伏組件不同陰影遮擋比例對(duì)光伏組件輸出特性的影響

由于實(shí)際使用時(shí)大尺寸光伏組件一般為橫向放置，因此用黑色遮光板對(duì)光伏組件進(jìn)行橫向陰影遮擋，陰影遮擋比例以10%為間隔，逐步由0%增加至60%，分別測(cè)試各個(gè)陰影遮擋比例下光伏組件的輸出特性。整塊光伏組件陰影遮擋示意圖如圖5所示。

不同陰影遮擋比例下光伏組件的輸出特性測(cè)試結(jié)果如表2所示。表中，F(xiàn)F為填充因子。

由表2可知：陰影遮擋比例越大，光伏組件的最大功率越小。當(dāng)陰影遮擋比例從0%增大到10%，光伏組件的最大功率損失比例迅速升高；當(dāng)陰影遮擋比例為10%～30%時(shí)，光伏組件的最大功率損失比例約為35%；當(dāng)陰影遮擋比例為40%時(shí)，光伏組件的最大功率損失比例約為61%；當(dāng)陰影遮擋比例達(dá)到50%和60%時(shí)，光伏組件的最大功率損失比例分別約為70%和69%，均接近光伏組件初始功率的2/3。

不同陰影遮擋比例下光伏組件的I-V曲線和P-V曲線如圖6所示。

結(jié)合表2，由圖6可知：當(dāng)陰影遮擋比例為10%時(shí)，光伏組件的最大功率損失比例達(dá)到35%左右，但I(xiàn)-V曲線拐點(diǎn)處電流為短路電流的1/2，此時(shí)二極管還是處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)陰影遮擋比例為20%和30%時(shí)，光伏組件的最大功率損失比例仍然在35%左右，漏電流小于1 A，此時(shí)第1個(gè)二極管打開。當(dāng)陰影遮擋比例為40%時(shí)，光伏組件的最大功率損失比例約為61%，此時(shí)I-V曲線有兩個(gè)拐點(diǎn)，第1個(gè)拐點(diǎn)接近短路電流的1/2，意味著第2個(gè)二極管未打開，電流從并聯(lián)的支路流通；第2個(gè)拐點(diǎn)則意味著第1個(gè)二極管保持著打開狀態(tài)。當(dāng)陰影遮擋比例為50%和60%時(shí)，光伏組件的最大功率損失比例在69%左右，漏電流小于1 A，此時(shí)第1個(gè)二極管和第2個(gè)二極管同時(shí)打開。

2.3 同一陰影遮擋比例下，不同陰影遮擋位置和形狀對(duì)光伏組件輸出特性的影響

通過以上實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)對(duì)單片太陽電池進(jìn)行全部陰影遮擋時(shí)，也就是只要1串支路不工作時(shí)，光伏組件的最大功率損失比例較大。為研究同一陰影遮擋比例下，不同陰影遮擋位置和遮擋形狀對(duì)光伏組件輸出特性的影響，本文采用了18種典型的陰影遮擋方式，把遮光板面積分為整塊、1/2塊和1/3塊，再放置于光伏組件的不同位置，具體擺放方式如圖7所示。為方便展示陰影遮擋位置，圖中的光伏組件圖片均為旋轉(zhuǎn)90°后顯示。

18種典型陰影遮擋方式下光伏組件的輸出特性如表3所示。

從表3可以看出：第2和第9種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響最大，最大功率損失比例達(dá)到40%以上；第5和第16種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響最小，最大功率損失比例僅不到10%；第11、14、17、18種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響較為接近，最大功率損失比例在10%～13%之間；第1、3、4、7、8、10、12、13、15種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響較大，最大功率損失比例在16%～28%之間；第6種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響也比較典型，最大功率損失比例為33.85%。

通過對(duì)同一陰影遮擋比例，不同陰影遮擋形狀和位置時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：

1） 第1、2、3、8、9、14、15種陰影遮擋方式均為橫向陰影遮擋。其中，第1～3種陰影遮擋方式為遮光板整塊橫向陰影遮擋，第8、9種陰影遮擋方式為遮光板平均分成兩部分橫向陰影遮擋，第14、15種陰影遮擋方式為遮光板平均分成3部分橫向陰影遮擋。

第2、9種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響最大，最大功率損失比例為40%～48%。之所以這兩種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響最大，是因?yàn)檫@兩種方式中的3串電路都被陰影遮擋了。不過第2種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響大于第9種陰影遮擋方式的，是因?yàn)榍罢邽榧嘘幱罢趽酰笳邽榉稚㈥幱罢趽酢?/p>

第1、3、8、15種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響居中，最大功率損失比例為19%～28%。其中，第1、8、15種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響較為接近，而第3種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響相對(duì)較大，這是因?yàn)榈?、3種陰影遮擋方式都屬于集中陰影遮擋，但第3種陰影遮擋方式為橫向陰影遮擋在兩排太陽電池上，與第8、15種陰影遮擋方式的分散陰影遮擋類似。

第14種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響最小，只有約13%。這是因?yàn)榇朔N陰影遮擋方式屬于分散陰影遮擋，且只影響了光伏組件一半的電路。

2）第4～7種陰影遮擋方式均為豎向陰影遮擋。其中，第6種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響最大，最大功率損失比例為33.85%。這是因?yàn)榈?種陰影遮擋方式屬于集中陰影遮擋，且涉及上下兩部分電路。第4、7種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響居中且較為接近，最大功率損失比例分別為16.79%和20.96%。這是因?yàn)榈?種陰影遮擋方式屬于整片太陽電池陰影遮擋，但是只涉及上半部分電路，而第7種陰影遮擋方式屬于半片太陽電池陰影遮擋，但涉及上下兩部分電路。第5種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響最小，最大功率損失比例只有7.31%。這是因?yàn)榇朔N陰影遮擋方式屬于半片太陽電池陰影遮擋，且只涉及上部分電路。

3）第2、4種陰影遮擋方式分別為橫向和縱向陰影遮擋。第2種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響比第4種陰影遮擋方式高出近3倍，這是因?yàn)楣夥M件為并串電路結(jié)構(gòu)，因此第2種陰影遮擋方式影響了上半部分所有電路，而第4種陰影遮擋方式只影響了一串電路。

4）第10～13種陰影遮擋方式為遮光板平均分成兩部分的斜向陰影遮擋，其中，第10、12、13種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響較為接近，而第11種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響最低。這是因?yàn)榈?0、12、13種陰影遮擋方式均涉及上下兩部分電路，而第11種陰影遮擋方式只涉及上部分電路。

5）第16～18種陰影遮擋方式為遮光板平均分成3部分的斜向陰影遮擋，其中，第17、18種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響較為接近，而第16種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響最低，這是因?yàn)榈?7、18種陰影遮擋方式均涉及上下兩部分電路，而第16種陰影遮擋方式只涉及上部分電路。

6） 第16種陰影遮擋方式對(duì)光伏組件最大功率的影響比第11種陰影遮擋方式低近一半，這又充分說明了在同一陰影遮擋比例下，集中陰影遮擋對(duì)光伏組件最大功率的影響大于分散陰影遮擋時(shí)。

3? 結(jié)論

本文以太陽電池尺寸為210 mm×105 mm，電路結(jié)構(gòu)為并串結(jié)構(gòu)的大尺寸光伏組件為例，分析了單片太陽電池不同陰影遮擋比例時(shí)的情況，并分析了光伏組件6種不同陰影遮擋比例和18種典型陰影遮擋位置和形狀對(duì)大尺寸光伏組件輸出特性的影響，得到以下結(jié)論：

1）當(dāng)單片太陽電池陰影遮擋比例小于90%時(shí)，隨著陰影遮擋比例增加，光伏組件的最大功率點(diǎn)電流逐漸降低，最大功率點(diǎn)電壓逐漸上升，光伏組件的輸出功率逐漸降低。當(dāng)單片太陽電池陰影遮擋比例為100%時(shí)，光伏組件的最大功率點(diǎn)電流急劇上升，最大功率點(diǎn)電壓急劇下降，光伏組件的輸出功率大約降至初始功率的2/3。但不管單片太陽電池陰影遮擋比例為多少，二極管均未導(dǎo)通。

2）當(dāng)光伏組件的面積被陰影遮擋10%～30%時(shí)，光伏組件的最大功率損失比例接近；當(dāng)光伏組件的面積被陰影遮擋50%～60%時(shí)，光伏組件的最大功率損失比例也較為接近。

3）當(dāng)光伏組件在同一陰影遮擋比例下時(shí)，集中陰影遮擋對(duì)光伏組件最大功率的影響大于分散陰影遮擋時(shí)。陰影遮擋時(shí)涉及到的串聯(lián)電路越多，對(duì)光伏組件最大功率的影響就越大。

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OUTPUT CHARACTERISTICS study of large size PV modules

under partial shadow OCCLUSION

Lin Hao，Sun Xiaoyin，Chen Haomin

（Wuxi Institute of Inspection，Testing and Certification，Wuxi? 214000，China）

Abstract：This paper takes a large PV module with a solar cell size of 210 mm×105 mm and a circuit structure of parallel series structure as an example，first analyze the different shadow occlusion ratios of a single solar cell，and then analyze the impact of 6 different shadow occlusion ratios and 18 shadow occlusion positions and shapes of the PV module on the output characteristics of the large PV module. The results show that with the increase of the shadow occlusion ratio of the single solar cell，the diode is not connected all the time，but the maximum power of the PV module gradually decreases，and finally decreases to 2/3 of the initial power. The influence of shadow occlusion ratio on the I-V characteristics of large size PV modules with parallel series circuit structure is nonlinear. For a whole PV module，the larger the shadow shielding ratio，the smaller the maximum power of the PV module. At the same shadow shielding ratio，concentrated shadow shielding has a greater impact on the maximum power loss of PV modules.

Keywords：partial shadow occlusion；large size；solar cells；PV modules；output characteristic；parallel series circuit structure