局部陰影遮擋影響光伏系統性能實驗研究

吳露露， 王亞輝，2， 澈力格爾， 王晶晶， 田 瑞，2*

(1.內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古呼和浩特010051；2.內蒙古可再生能源重點實驗室，內蒙古呼和浩特010051)

局部陰影遮擋影響光伏系統性能實驗研究

吳露露1， 王亞輝1，2， 澈力格爾1， 王晶晶1， 田 瑞1，2*

(1.內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古呼和浩特010051；2.內蒙古可再生能源重點實驗室，內蒙古呼和浩特010051)

研究了局部陰影遮擋對光伏組件和光伏發電系統輸出性能的影響，對光伏組件在不同比例局部陰影遮擋，以及光伏系統在10%的陰影遮擋下的輸出特性進行了實驗研究。結果表明：光伏系統中的任意一塊光伏組件的遮擋都會使整個系統的輸出功率衰減；當光伏組件有超過10%部分被遮擋時，光伏系統的輸出功率損失達85%以上，輸出功率損失隨著遮擋面積增大而增大；集中遮擋造成的功率損失大于分散遮擋，遮擋越分散對光伏系統造成的功率衰減越小。

光伏系統；陰影遮擋；輸出功率

運行中的光伏陣列不僅受到太陽輻照度和溫度的影響，也受到云層、樹木、建筑物等障礙物陰影的影響。這些陰影會造成光伏組件表面光照強度分布不均，使光伏組件的輸出性能衰減，從而造成整個光伏陣列性能衰減。

國內外對局部陰影遮擋對光伏組件輸出特性已有多方面的研究，但對并網型光伏系統影響的研究尚需完善。吳小進等[1]針對串、并聯光伏組件的輸出特性展開理論分析，得出集中式光伏陣列處于復雜光照環境下的輸出特性，采用Matlab進行仿真模擬并予以實驗驗證。肖景良等[2]通過理論分析、仿真及系統實驗等方法，提出在局部陰影條件下光伏陣列最大功率點的簡化算法，并提出了光伏陣列優化設計方法。土耳其的Engin Karatepe等[3]以陰影對太陽電池影響的分析為基礎，提出了一個用以描述光伏陣列在局部陰影遮擋情況下的模型。

在光伏系統的實際運行中，往往只是光伏陣列中的某一個組件受到了局部遮擋，從而對整個光伏陣列造成影響，文獻[4-10]等只對陰影遮擋對光伏組件的影響進行研究，并未對陰影對光伏陣列的影響進行深入研究。本文針對局部陰影遮擋對并網光伏系統輸出性能的影響進行了實驗研究，通過實驗分析了七種不同的遮擋方式和遮擋比例對并網光伏系統輸出性能的影響，為實際應用提供參考。

1 實驗裝置與方案

實驗測試系統由轉換效率為14.4%的5塊相同的多晶硅光伏組件、匯流箱、逆變器依次串聯，組成并網型光伏系統，系統的最大輸出功率為1 175 W，光伏陣列朝向正南，與水平面呈34°夾角傾斜放置，利用TBQ-2型總輻射表和TRM-2型太陽能測試記錄儀分別測量和記錄光伏系統接收到的太陽輻射量。

實驗中所用的逆變器為固德威GW2000-ss型逆變器，通過其自帶軟件可以實時查看光伏陣列的輸出電流、電壓、功率等參數，且該逆變器具有最大功率點跟蹤(MPPT)的功能。由于光伏陣列的輸出參數隨太陽輻射強度的變化而變化，所以系統在其運行過程中需要跟蹤光伏陣列的工作點，使其處于最大輸出狀態。

實驗所用的匯流箱為南京特瑪亨TC30NA-3T型光伏防雷匯流箱，具有總輸出過流保護，總輸出斷路器保護，防雷保護等，以保證實驗測試的安全進行。

實驗以1 175 W的并網型光伏系統為研究對象，利用不同比例的不透光紙板遮擋在光伏組件的不同位置，對光伏系統進行局部陰影遮擋，并測試光伏系統的輸出電壓、電流、功率等參數。實驗測試選擇在呼和浩特市，2013年6月～7月十點至十四點間進行，分別對不同比例和相同比例下陰影遮擋對光伏系統的影響進行了實驗研究。圖1為太陽能光伏發電系統。

圖1 太陽能光伏發電系統

2 局部陰影遮擋對光伏系統的影響

2.1 光伏組件變比例陰影遮擋對光伏系統的影響

測試實驗首先對不同比例陰影遮擋對光伏系統的影響進行研究，利用不透光紙板作為遮光板，遮光板的寬度與光伏組件同為994mm，依次遮擋光伏陣列中任意一塊光伏組件的5%～70%。如圖2所示，每次以不同比例間隔遮擋10 min，測試系統的輸出特性，同時測試光伏組件表面接收的太陽輻射強度。光伏組件變比例陰影遮擋對光伏系統的功率損失如表1所示。

圖2 光伏組件變比例陰影遮擋對光伏系統的影響

表1 光伏組件變比例陰影遮擋對光伏系統的功率損失

由圖2及表1可知，當光伏組件在被遮擋的瞬間，被遮住的太陽電池不能產生電能，導致系統輸出功率瞬間下降。當一塊太陽電池板的遮擋面積僅為5%時，整個光伏系統的輸出功率損失為47.31%；當遮擋面積為10%時，系統的輸出功率損失達到86.49%；當遮擋面積為15%以上時，系統的功率損失均可達95%，損失嚴重。

可見，雖然只對光伏系統中的一塊太陽電池板進行遮擋，但對整個系統的輸出功率造成的影響很大。當一塊太陽電池板被遮擋10%以上時，光伏組件的輸出電流、電壓減小，而輸出功率損失可達80%。實驗中的光伏系統為5塊太陽電池板串聯而成，當其中一塊光伏組件受到陰影遮擋時，組件的輸出電流、電壓、功率均有所下降，由于串聯電路中電流處處相等的特性，導致整個光伏系統的電流減小，系統輸出功率下降。

2.2 光伏組件10%陰影遮擋對光伏系統的影響

通過以上實驗，可知當對光伏系統中的一塊光伏組件的遮擋比例大于10%時，系統性能衰減嚴重，可知光伏組件10%的遮擋比例為光伏系統輸出功率的轉折點。為研究相同遮擋比例下，不同遮擋位置對光伏系統輸出特性的影響，設計了如圖3所示的七種典型的遮擋方式，其中，①為遮擋整塊光電板的最上方；②為橫向遮擋一排太陽電池；③為橫向遮擋于兩排太陽電池之間；④為縱向遮擋一列太陽電池片；⑤為縱向遮擋于兩排太陽電池之間；⑥為遮光板平均分成兩塊并分別橫向遮擋于兩排太陽電池片之上；⑦為遮光板平均分成三塊并分別橫向遮擋于三排太陽電池片之上。

圖3 光伏組件的七種遮擋方式

圖4 七種遮擋方式對光伏系統的影響

圖4為七種遮擋方式對光伏系統的影響，在相同的遮擋比例下，不同的遮擋位置對光伏系統的輸出影響不同，七種遮擋方式下的光伏系統的功率損失如表2所示，其中，①、②兩種遮擋方式對光伏系統輸出性能影響最大，達到90%以上；第④種遮擋方式引起的系統功率衰減最小，僅為8.37%；第③、⑤、⑥種遮擋方式對光伏系統輸出性能的影響較為接近，在42%～43.5%之間。通過對相同遮擋比例下不同遮擋位置的分析可知：

(1)①、②與⑥、⑦均為橫向遮擋在光伏組件太陽電池上，而①、②造成的功率損失比⑥、⑦高47%～66%，⑦的功率損失小于⑥，這是由于①、②為對光伏組件大面積的集中遮擋，⑥、⑦為分散遮擋，而⑦比⑥更為分散，所以，在總的遮擋比例相同的情況下，集中遮擋對光伏系統造成的功率損失大于分散遮擋。

(2)③、⑥對光伏系統造成的功率損失較為接近，③雖然也為集中遮擋，但由于遮擋在兩排太陽電池上，與⑥的分散遮擋類似，說明集中遮擋在一塊太陽電池上對光伏系統造成的損失較大，當光伏組件中有太陽電池片被完全遮擋時，會造成被遮擋的太陽電池不能進行光電轉換，其所在的子串的電流大大減小，從而使光伏組件的輸出功率大幅降低，當太陽電池片未被完全遮擋時，未被遮擋的太陽電池仍能光電轉換，光伏組件的輸出功率衰減程度小于集中遮擋。

(3)②、④分別為橫向和縱向遮擋在太陽電池上，而②造成的功率損失比④高出近10倍，這是因為光伏組件由3個子串組并聯而成，②為橫向遮擋，對3個子串組均有遮擋，對光伏組件的影響較大，而④為縱向遮擋，只遮擋了其中一個子串組，對光伏系統的影響較小。

表2 七種遮擋方式下的光伏系統的功率損失

3 光伏系統10%陰影遮擋對系統的影響

在以上研究的基礎上進行了對光伏系統遮擋的實驗研究，整個光伏系統遮擋10%，對不同遮擋位置對光伏系統輸出特性的影響進行了研究，遮擋位置如圖5所示，其中，⑧為橫向遮擋整個光伏系統的最上方；⑨為橫向遮擋整個系統的兩排太陽電池之間；⑩為橫向遮擋整個光伏系統的下方。

圖5 光伏系統的三種遮擋方式

三種遮擋方式下系統的輸出功率如圖6所示，光伏系統的功率損失如表3所示，第⑩種遮擋方式造成的功率損失最大，達到100%；第⑨種遮擋方式造成的功率損失最小，為47.81%。通過對光伏系統不同遮擋位置的分析可知：

(1)第⑩種遮擋方式為完全遮擋光伏系統的一串太陽電池片，由之前的研究可知，將光伏組件的一串電池片遮擋后，光伏系統的輸出功率大幅衰減，而當所有的光伏組件都被遮擋一串太陽電池后，光伏系統的輸出功率便衰減殆盡；

圖6 三種遮擋方式對光伏系統的影響

表3 三種遮擋方式下的光伏系統的功率損失

(2)第⑧種遮擋方式遮擋了太陽電池的大部分，而未被遮擋的部分仍能繼續進行光電轉換，但這部分的發電量很微弱，光伏系統輸出功率衰減很大；

(3)第⑨種遮擋方式雖然對兩排太陽電池均有遮擋，但根據以上實驗，可知在一串太陽電池上未被遮擋的部分較⑧多，故⑨的功率衰減小于⑧。

4 結論

通過對光伏組件在不同比例下的局部陰影遮擋，以及光伏系統在10%的陰影遮擋下的系統輸出特性進行了實驗研究及分析，可知：(1)光伏系統中的任意一塊光伏組件的遮擋都會對整個系統的輸出功率造成衰減；當光伏組件有超過10%的部分被遮擋時，光伏系統的輸出功率損失達85%以上；輸出功率損失隨著遮擋面積增大而增大；(2)光伏組件有10%的面積被遮擋時，不同遮擋位置對光伏系統造成的功率損失不同；相同遮擋比例下，集中遮擋造成的功率損失大于分散遮擋，遮擋越分散對光伏系統造成的功率衰減越小；(3)集中遮擋在多串太陽電池片上造成的功率損失大于集中遮擋在一串太陽電池片上。所以，光伏發電系統應當盡量建在環境空曠的地方，以避免周圍建筑物、數木等在光伏系統上遮擋而引起輸出功率的下降。

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Experimental study of partial shadow effect on PV system

The performance of the PV modules and PV system was studied under the partially shaded conditions.The output characteristics of the PV modules in different proportions shadowing as well as the PV systems in 10% proportion shadowing were studied.The results show that any block of photovoltaic modules shade would cause the system output power attenuation;10%shading of the PV module can result in 85%power loss，and output power loss increases with the area of block;centralized shading causes more power loss than scattered shading.

PV system;partially shading;output power

TM 615

A

1002-087 X(2016)04-0774-03

2015-09-25

國家自然科學基金資助項目(51266007)；內蒙古自然科學（重大）基金(2010ZD09)

吳露露(1988—)，女，江蘇省人，碩士，主要研究方向為新能源利用技術。

田瑞，E-mail:tianr@imut.edu.cn