淺談如何優(yōu)化設(shè)計(jì)降低陰影遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電量的影響

常建強(qiáng)，王　論，白一喆

（1.大連雙驥科技發(fā)展有限公司；2.大連三川建設(shè)集團(tuán)股份有限公司；3.大連中集物流裝備有限公司，遼寧　大連　116000）

淺談如何優(yōu)化設(shè)計(jì)降低陰影遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電量的影響

常建強(qiáng)1，王論2，白一喆3

（1.大連雙驥科技發(fā)展有限公司；2.大連三川建設(shè)集團(tuán)股份有限公司；3.大連中集物流裝備有限公司，遼寧大連116000）

摘要：本文從陰影遮擋對(duì)晶體硅組件的影響、對(duì)陣列的影響，以及如何優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)避免和降低陰影遮擋影響三方面來(lái)討論。

關(guān)鍵詞：陰影遮擋；光伏系統(tǒng)發(fā)電；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1　陰影遮擋單片電池片對(duì)組件輸出功率的影響

國(guó)內(nèi)目前多晶硅電池組件使用率比較高。

我們先來(lái)看下單塊電池組件的一片電池片在不同程度受陽(yáng)光遮擋后，對(duì)整個(gè)組件的輸出功率影響。

測(cè)試組件：京瓷KD135GH一2PU光伏組件（一種組件含三個(gè)旁路二極管，一種組件不含旁路二極管），含有6×9＝54片電池片。

測(cè)試條件：將組件中的一個(gè)電池片從無(wú)遮擋到100%遮擋。

晶體硅電池組件中，旁路二極管起到保護(hù)電池片的作用。根據(jù)二極管的正向?qū)ǚ聪蚪刂沟奶匦裕?dāng)電池片正常工作時(shí)，旁路二極管反向截止，正常情況下，對(duì)電路不產(chǎn)生任何作用。若與旁路二極管并聯(lián)的電池片組存在一個(gè)非正常工作的電池片時(shí)，整個(gè)線路電流將由最小電流電池片決定，而電流大小由電池片遮蔽面積決定，若反偏壓高于電池片最小電壓時(shí)，旁路二極管導(dǎo)通，此時(shí)，非正常工作電池片被短路。

采用54片電池片串聯(lián)的組件，其有3個(gè)旁路二極管。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)在有旁路二極管和沒有旁路二極管兩種組件，對(duì)一片電池片進(jìn)行不同程度的陽(yáng)光遮擋時(shí)的組件輸出功率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及小結(jié)：?jiǎn)我浑姵仄荜幱罢趽醣容^小的情況下，不管組件是否含有旁路二極管，對(duì)整個(gè)組件輸出功率的影響也比較小。但在電池片受陽(yáng)光遮擋超過(guò)35%左右，含有旁路二極管的電池組件，電池片受遮擋面積不管增加多少，其輸出功率幾乎沒有變化。

2　陰影遮擋組件對(duì)串聯(lián)及并聯(lián)陣列的影響

對(duì)光伏組件進(jìn)行串聯(lián)平鋪及并聯(lián)平鋪兩種方式布置，然后采用水平陰影遮擋與垂直陰影遮擋兩個(gè)不同方面逐漸遮擋，對(duì)陣列輸出功率進(jìn)行測(cè)試。

串聯(lián)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法：（1）時(shí)間：2月22日11：00-13：00；天氣：晴朗；方式：將5塊135W光伏組件（I～V）串聯(lián)平鋪于無(wú)遮擋空曠地帶。（2）將組件測(cè)試儀與光伏組件連接，穩(wěn)定0.5h后開始測(cè)量。

組件橫放，對(duì)電池片進(jìn)行縱向依次編號(hào)，按照表一中的實(shí)驗(yàn)序號(hào)來(lái)進(jìn)行垂直和水平遮擋實(shí)驗(yàn)。最終得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

串聯(lián)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及小結(jié)：由于旁路二極管的存在，在水平遮擋時(shí)，遮擋電池組件同一旁路二極管的電池片（表1中第1、2行為一個(gè)旁路二極管線路），對(duì)于組件的影響等同。在垂直遮擋時(shí)，由于當(dāng)遮擋到第三個(gè)電池片后（遮擋到整個(gè)組件的兩路旁路二極管線路），整個(gè)組件的輸出功率就達(dá)到最低值。

并聯(lián)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法：（1）時(shí)間：5月19日11：00-14：00；天氣：晴朗；方式：將10塊光伏組件分成兩組串聯(lián)，每組5塊，然后將兩組串聯(lián)后的組件再并聯(lián)連接，平鋪于無(wú)遮擋空曠地帶。（2）將太陽(yáng)能光伏組件測(cè)試儀與光伏組件連接（五串兩并），穩(wěn)定0.5h后開始測(cè)量。實(shí)驗(yàn)并聯(lián)并按照表2的順序進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試得出不同情況下的P-V特性曲線圖。實(shí)驗(yàn)最終功率輸出的數(shù)值記錄在表2中。

并聯(lián)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及小結(jié)：在同一串聯(lián)線路中，任何位置的單一組件遮擋，對(duì)整體輸出功率影響是相同的。遮擋了兩塊以上串聯(lián)在一路的組件，不管什么位置，此路組件對(duì)整個(gè)陣列的輸出貢獻(xiàn)率幾乎為零。但如果遮擋了兩塊在不同串聯(lián)電路中的組件，那么陣列的P-V曲線為兩個(gè)陣列的P-V曲線疊加。并聯(lián)線路遮擋兩塊以上的組件，該條串聯(lián)線路對(duì)于陣列的最大功率（由于串聯(lián)線路的輸出電壓降低太多，功率影響僅在低壓范圍內(nèi)）幾乎沒有貢獻(xiàn)。

3　根據(jù)工程案例優(yōu)化陣列設(shè)計(jì)

3.1花架等條狀或垂直遮擋

在BAPV實(shí)際工程中，有些建筑屋頂花架承重?zé)o法滿足陣列的承重要求，但又只能在花架放置陣列。對(duì)于這種長(zhǎng)距離條形的陰影遮擋的可以從兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

例如筆者所設(shè)計(jì)的一個(gè)20Wk并網(wǎng)系統(tǒng)。陣列布置首先考慮到避開立柱，將陣列分成3個(gè)30×245Wp的方陣。考慮花架為南北向，所以組件安裝方式南北豎向安裝。同時(shí)，根據(jù)逆變器MPPT范圍，每個(gè)方陣采用一臺(tái)2路輸入，每路都帶有MPPT功能的8kW逆變器。

類似屋頂有單一框架梁，管道等成條狀形在陣列上空遮擋，或者在陣列前方有垂直遮擋的項(xiàng)目，可以按照此案例思路來(lái)降低陰影遮擋對(duì)方陣的影響。

3.2女兒墻等陰影遮擋

一項(xiàng)目屋頂幕墻包邊，女兒墻與基礎(chǔ)的高度差在1100mm以上，而女兒墻與基礎(chǔ)的距離在600mm以下。如果不進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，整個(gè)陣列會(huì)嚴(yán)重到幾乎無(wú)法發(fā)電。

筆者設(shè)計(jì)時(shí)將支架將加高520mm后移300mm。另外盡量采取組件水平橫向安裝，并且上下兩行組件進(jìn)行分成不同串聯(lián)路進(jìn)行接線。類似這樣在陣列前橫向陰影遮擋的項(xiàng)目，可以采取抬高支架，將組件水平布置，并且將陣列最低行組件進(jìn)行串聯(lián)設(shè)計(jì)。從而將陰影遮擋范圍控制在單一電池板的連接同一旁路二極管的線路，以及同一串聯(lián)組件線路中，將功率影響降低到最小。

3.3大型陰影遮擋

這種情況，一般有裙樓等不可避免大面積陰影遮擋，可以采用將遮擋部分串聯(lián)一路，并且采用盡可能多MPPT控制路數(shù)的逆變器，從而保證系統(tǒng)整體功率輸出的最大化。

4　結(jié)論

表1　串聯(lián)實(shí)驗(yàn)序號(hào)表

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，尤其是晶體硅組件，輸出功率受陰影遮擋影響很大。所以在工程中，應(yīng)選取含有旁路二極管的組件，含有多路MPPT控制的逆變器。并且盡量根據(jù)陰影遮擋的方向和大小，調(diào)整組件的朝向以及陣列的串并聯(lián)方式。這樣通過(guò)一系列的設(shè)計(jì)可以將系統(tǒng)的輸出損失降低到最低，提高系統(tǒng)效率。

表2　串聯(lián)實(shí)驗(yàn)結(jié)果