遮挡效应对西北地区大型并网光伏电站阵列性能的影响

中国西北地区因其地域开阔、太阳能资源丰富的特点，成为了大型并网光伏电站良好的应用地区，然而在如此开阔的西北地区建设光伏电站，光伏组件和阵列仍然会受到阴影遮挡的影响。本文首先在实验室标准测试条件下，对带旁路二极管光伏组件在受到不同程度局部遮挡时的输出特性模型进行了验证。

根据中国西北地区某大型并网光伏电站的现场考察结果，总结了西北地区大型并网光伏电站的常见遮挡类型主要包括：配电房和电线杆遮挡，植物和鸟粪遮挡，以及组件的前后排遮挡。通过在光伏电站现场就不同的遮挡类型进行的组件输出特性测试，说明了遮挡对组件输出的影响非常明显。实地考察遮挡效应对西北地区大型并网光伏电站组件输出特性的影响，为大型光伏电站的运行和维护方案制定提供了实际依据。

1. 引言

大型光伏电站一般需要设置在地域开阔、太阳能资源充足的地带。中国西北地区广泛分布着戈壁、沙漠和滩涂，非常适合于大面积铺设光伏组件和阵列;另外，西北大部分地区年平均太阳总辐射量为5400-6700 MJ/m2以上，相当于1500-1861 kWh/m2，与广东沿海地区的年平均太阳总辐射量1167-1500 kWh/m2相比，太阳能资源较丰富。

因此，西北地区就成为了中国大型光伏电站较为理想的安装地点。除了考虑安装地点的地形和太阳能资源外，光伏电站在实际安装和运行过程中会碰到许多复杂的环境因素，其中不同遮挡物的遮挡对光伏组件和电站性能的影响，引起了业界和学术界广泛的关注与研究。

光伏组件在长期的户外使用过程中难免会落上树叶、鸟粪等遮挡物;另一方面，由于初步设计中存在失误或设计与电站现场实际地形地貌情况不一致等原因，在实际的光伏电站中，尤其是大型光伏电站，会出现周边建筑或电线杆对光伏组件造成遮挡，以及光伏阵列前后排之间造成遮挡等情况。

组件受光面受到局部遮挡，被部分或全遮挡的太阳电池因光生电流减少而相当于反向二极管(reverse diode)成为了同一串列中其他正常工作太阳电池的负载(load)，它将被施以较高的反偏压(reverse bias)并以发热的形式消耗部分功率，成为了所谓的“热斑”(hot spot)。热斑效应不但使太阳电池性能失配和输出性能下降，还会导致太阳电池甚至是组件的封装材料损坏，缩短组件使用寿命。

为了消除热斑效应，目前常用方法是在组件中加入旁路二极管。以晶体硅太阳电池组件为例，让多片串联的太阳电池反向并联一个或多个旁路二极管，当电池片串列中的电池由于部分或全遮挡等因素出现性能失配时，电池串两端承受的反偏压，对于旁路二极管而言则为正偏压并使之导通，过量的电流被旁路，且降低了太阳电池串列两端的反偏压，保护了与其并联的整个太阳电池串。

这种方法简单且可靠地避免了由于遮挡形成的热斑效应以及热斑效应对太阳电池和组件的损坏，但还是不可避免地影响了受遮挡组件输出特性。因此，建立带旁路二极管组件在遮挡情况下输出特性的数学模型，有助于更好地了解阴影遮挡对组件输出的影响。

在本文中，建立了晶体硅太阳电池组件的遮挡模型，并于实验室中采用标准测试条件，通过检测晶体硅组件在在不同程度遮挡条件下的输出特性对模型进行了验证。根据中国西北地区某大型并网光伏电站的现场考察结果，总结了西北地区大型并网光伏电站的常见遮挡类型，并对不同遮挡类型的组件输出特性进行了实地现场测试，并加以了详细的分析。

2. 遮挡模型建立及验证

2.1 基于遮挡现象的组件输出数学模型

为分析被遮挡后光伏组件的输出特性，假设组件只有两片晶体硅太阳电池，每片电池均与一个旁路二极管并联，如图1所示。

在该模型中，认为每片太阳电池的参数一致，即在相同均匀光照强度下，它们产生相同的光生电流，两个旁路二极管都处于阻断状态，描述此时太阳电池组件输出特性的公式为(电池的并联内阻很大，对输出电流的影响可忽略不计)[b]：

其中，为光生电流;为反向饱和电流;为太阳电池串联内阻;为二极管影响因子;为电子电荷常熟，为;为温度;为波尔兹曼常数，为。

旁路二极管的电流为

如图1所示，当其中一片电池被遮挡时，该太阳电池产生的光生电流减小，即，随着外接负载电阻逐渐增大，旁路二极管存在导通和阻断两种状态：

(1)当外接负载电阻较小时，组件输出电流较大，即，此时在与太阳电池1并联的旁路二极管1两端形成了正向偏压，使旁路二极管1导通，多出的输出电流从旁路二极管流过并对外输出。这个阶段相当于只有太阳电池2对外输出功率。

(2)随着外接负载电阻的增大，输出电流逐渐减小，当太阳电池2的输出电流等于太阳电池1受遮挡后的光生电流，即时，与太阳电池1并联的旁路二极管1两端开始形成反向偏压，旁路二极管1进入阻断状态。此时，太阳电池1和2都正常对外输出功率。

从上述分析可知，由于旁路二极管的存在，对受局部遮挡组件的输出特性有较为明显的改变，且输出特性曲线可以由分段函数来表达，分段函数中的断点是旁路二极管导通与阻断的转折点：

根据旁路二极管导通与阻断两个阶段对电路的影响，从理论上推测在串联了N个太阳电池的组件支路中并联了K组旁路二极管，当各支路上任何一片电池受到不同面积的阴影遮挡或不同强度的入射光强照射时，组件的I-V曲线将出现K个“台阶”，P-V曲线出现K个峰。

2.2 数学模型实验验证

为验证上述分段函数的准确性，在实验室中利用太阳模拟器进行遮挡实验，分析组件中单片太阳电池的遮挡面积与输出特性曲线的关系。实验在标准测试条件：AM1. 5光谱，光强1000W/m2，环境温度25oC下进行，所用仪器为德国optosolar公司制造的Module Tester，验证用组件为京瓷公司KC50T-1组件，组件在进行遮挡模型验证试验前进行了测试，性能符合标定参数。

利用不透光黑布依次遮挡组件中单片电池面积的0%、25%、50%、75%、100%，分别得到组件输出特性的I-V和P-V曲线，实验结果如图2和表2所示。

图2 组件KC50T-1单片太阳电池受到0%、25%、50%、75%、100%遮挡后的输出特性曲线。

(a)I-V曲线;(b)P-V曲线

随着组件中单片电池受遮挡面积的逐步增大，开路电压Voc、短路电流Isc几乎不变。由于组件中并联有两组旁路二极管，故受到遮挡后的组件输出I-V曲线呈现出两个台阶，P-V曲线呈双峰状。而且，由于光生电流的大小与电池受光面积成正比，所以在两个旁路二极管都阻断的I-V曲线后半部分，组件的输出电流受遮挡电池的光生电流影响，也随着单片电池受遮挡面积的增大而成比例减小;当遮挡阴影落在多于一片太阳电池片上时，输出电流与受遮挡最多的单片电池所产生的电流一致。

另外，图2中遮挡100%遮挡单片电池片时的I-V、P-V曲线，后半段出现一段直线的原因是：在该段的组件输出电路和效率过低，仪器精度不足，无法收集数据。

以上实验测得的输出曲线，均符合基于遮挡现象的组件输出数学模型的描述，可见此模型能反映组件在受到遮挡时的电性能输出特征。

3.西北地区大型并网光伏电站现场检测及分析

3.1 现场遮挡类型分类

根据对西北地区某大型并网光伏电站进行的现场实地调研，组件被遮挡的情况随着安装所在地点和地形不同而有区别。总结起来，主要分为三种遮挡类型：(i)电线杆、配电房等配电设施的遮挡;(ii)植物、鸟粪等面积较小且不规则形状的遮挡;(iii)前排光伏阵列对后排光伏阵列的遮挡。

图3 西北地区某大型并网光伏电站遮挡情况分类。

(a)电线杆遮挡;(b)配电房遮挡;(c)植物遮挡;(d)鸟粪遮挡;(e)跟踪式光伏阵列前排遮挡;(f)固定式光伏阵列前排遮挡。

3.1.1电线杆与配电房的遮挡

为收集并输送光伏阵列所发电力，需要设置电线杆和线缆等;另外，配电房是光伏电站的关键部分，是逆变器、变压器等设备集中放置的地方。但如果电线杆和配电房的位置设计不当，与光伏阵列之间距离过小，就有可能对光伏阵列造成不用程度的遮挡，如图3(a)和(b)所示。从图3(b)可见，配电房的阴影可以对几个光伏阵列都造成遮挡影响。

3.1.2植物和鸟粪的遮挡

中国西北地区荒漠化情况严重，建设光伏电站对生态友好，在治理西北荒漠化和保护生态环境中同时具备经济和环境效益[4]，在电站现场考察时就发现当地植被生长旺盛，且有大量群居的麻雀，然而，这就导致了在部分组件上出现落有鸟粪或被植物树叶遮挡的情况，如图3(c)和(d)所示。这些遮挡的特点是造成阴影的面积相对较小，形状不规则，且出现地点较为随机，需要对电站组件逐一检查才能实现完全排除。

3.1.3前排光伏阵列对后排光伏阵列的遮挡

经过实地观察，当太阳高度角较小时，光伏电站中部分光伏阵列出现被前排阵列遮挡的现象。如图3(e)和(f)，照片拍摄在冬季11月份的一天，从该天的8:40至16:10，都有部分光伏阵列受到前排阵列的遮挡，形成这一现象主要由于光伏阵列之间的距离设置不当所致。原因是由于安装地点的地表结构存在差异，使光伏电站在施工过程中难以保证与设计图纸完全匹配，从而形成部分阵列在实际安装后与设计存在偏差，阵列之间距离过小，因此在太阳高度角较小的情况下造成前排阵列对后排阵列的大面积遮挡。

3.2 遮挡对组件输出特性的影响

在电站现场对阴影遮挡的典型例子进行了研究。所检测光伏阵列组件采用黄河公司的Huanghe 220(30)p型号多晶硅组件，由60片156×156 mm2多晶硅太阳电池组成，其中每20片电池并联一组旁路二极管，共三组旁路二极管。测试时间为2012年9月12日10:00am到11:00am，天气晴朗无云，太阳辐照度稳定，在850W/m2左右。测试仪器采用意大利HT公司的光伏组件I-V特性测试仪I-V400，在自然光下所测得数据经过仪器转换成标准测试条件下的输出特性曲线。

3.2.1 电线杆遮挡情况研究

为了收集和输送电站所发电力，在电站四周均立有不少电线杆，电线杆的阴影会随着日照情况而改变，有的几乎整个白天都有阴影落在阵列的受光面上，并且变化速度较快。在实验数据采集的10min内，4号组件左侧组件上的阴影就迅速移走并消失。所检测组件排列及电线杆遮挡情况如图4所示。采用HTI-V400依次快速采集1号至5号组件被电线杆遮挡后的电性能数据，如表4所列，组件I-V、P-V曲线如图5所示。

由于所检测组件中有三组旁路二极管，因此受遮挡组件I-V曲线最多出现3个台阶，P-V曲线具有3个峰值。对1号组件进行详细分析，由于每20片电池并联一个旁路二极管，因此可把1号组件从右到左设定为M1-1、M1-2、M1-3三条串联支路，三条支路中单片太阳电池被电线杆遮挡的最大面积依次为22.5%、90%、96%，因此可得。根据2.1的讨论，随着外接负载电阻的增大，当时，M1-2、M1-3的旁路二极管导通，输出M1-1的特性曲线;当时，只有M1-3的旁路二极管导通，输出M1-1、M1-2共同的特性曲线;当时，三组旁路二极管均处于阻断状态，输出M1-1、M1-2、M1-3的特性曲线。

同理，因为2号组件三条支路中单片太阳电池被电线杆遮挡的最大面积依次为96%、90%、96%，3号组件为96%、50%、0%，4号组件为0%、90%、96%，所以输出的I-V曲线同样具有3个“台阶”，P-V曲线具有3个峰值，断点是旁路二极管导通与阻断的转折点。由于利用HTI-V400测得阴影处平均光强为80W/m2，因此，即使组件中某片电池被完全遮挡，也仍然能有I-V曲线输出。5号组件由于未被遮挡，故I-V、P-V曲线与标准曲线保持一致。

虽然电线杆造成的阴影面积不大，但由于其窄长的形状特征，阴影在很多情况下是覆盖在多个组件的多条串联支路上，严重降低了光伏组件，甚至是整个光伏阵列的输出，故应尽量减少此类遮挡。为了避免电线杆对光伏阵列造成阴影，最有效的方法是在光伏电站的设计阶段就对电线杆和电缆的设置地点和走向进行详细的分析和排布。

3.2.2 植物与鸟粪遮挡情况研究

植物杂草与鸟粪对光伏组件造成遮挡的情况，在大型光伏电站中较为普遍。中国西北地区由于荒漠化治理取得了较好成果，且人烟稀少，给该地区的植被和鸟类提供了良好的生存和繁衍环境，因此，西北地区大型光伏电站组件受植物和鸟粪遮挡的情况更加突出。

对图3(c)受植物遮挡组件采用HT I-V400进行植物移除前后的现场电性能输出特性检测，检测数据如表5所列，组件I-V、P-V曲线如图6所示。

虽然植物造成的阴影面积较小，且形状不规律，但由于组件的三条串联支路上均落上了阴影，故输出的I-V曲线同样具有3个“台阶”、P-V曲线呈三峰状，且最大功率点功率输出只有植物移除后的50.12%。

较小面积且形状不规则的遮挡情况除了植物遮挡外，还需要考虑鸟粪的遮挡。对图3(d)受鸟粪遮挡的组件采用HT I-V400进行遮挡物清除前后的现场电性能输出特性检测，检测数据如表6所列，组件I-V、P-V曲线如图7所示。

文章作者：孙韵琳，陈思铭，谢丽莹，洪瑞江，沈辉