摘要：

中國西北地區(qū)因其地域開闊、太陽能資源豐富的特點，成為了大型并網(wǎng)光伏電站良好的應用地區(qū)，然而在如此開闊的西北地區(qū)建設光伏電站，光伏組件和陣列仍然會受到陰影遮擋的影響。本文首先在實驗室標準測試條件下，對帶旁路二極管光伏組件在受到不同程度局部遮擋時的輸出特性模型進行了驗證。

根據(jù)中國西北地區(qū)某大型并網(wǎng)光伏電站的現(xiàn)場考察結(jié)果，總結(jié)了西北地區(qū)大型并網(wǎng)光伏電站的常見遮擋類型主要包括：配電房和電線桿遮擋，植物和鳥糞遮擋，以及組件的前后排遮擋。通過在光伏電站現(xiàn)場就不同的遮擋類型進行的組件輸出特性測試，說明了遮擋對組件輸出的影響非常明顯。實地考察遮擋效應對西北地區(qū)大型并網(wǎng)光伏電站組件輸出特性的影響，為大型光伏電站的運行和維護方案制定提供了實際依據(jù)。

1.引言

大型光伏電站一般需要設置在地域開闊、太陽能資源充足的地帶。中國西北地區(qū)廣泛分布著戈壁、沙漠和灘涂，非常適合于大面積鋪設光伏組件和陣列；另外，西北大部分地區(qū)年平均太陽總輻射量為5400-6700MJ/m2以上，相當于1500-1861kWh/m2，與廣東沿海地區(qū)的年平均太陽總輻射量1167-1500kWh/m2相比，太陽能資源較豐富。

因此，西北地區(qū)就成為了中國大型光伏電站較為理想的安裝地點。除了考慮安裝地點的地形和太陽能資源外，光伏電站在實際安裝和運行過程中會碰到許多復雜的環(huán)境因素，其中不同遮擋物的遮擋對光伏組件和電站性能的影響，引起了業(yè)界和學術(shù)界廣泛的關(guān)注與研究。

光伏組件在長期的戶外使用過程中難免會落上樹葉、鳥糞等遮擋物；另一方面，由于初步設計中存在失誤或設計與電站現(xiàn)場實際地形地貌情況不一致等原因，在實際的光伏電站中，尤其是大型光伏電站，會出現(xiàn)周邊建筑或電線桿對光伏組件造成遮擋，以及光伏陣列前后排之間造成遮擋等情況。

組件受光面受到局部遮擋，被部分或全遮擋的太陽電池因光生電流減少而相當于反向二極管（reversediode）成為了同一串列中其他正常工作太陽電池的負載（load），它將被施以較高的反偏壓（reversebias）并以發(fā)熱的形式消耗部分功率，成為了所謂的“熱斑”（hotspot）。熱斑效應不但使太陽電池性能失配和輸出性能下降，還會導致太陽電池甚至是組件的封裝材料損壞，縮短組件使用壽命。

為了消除熱斑效應，目前常用方法是在組件中加入旁路二極管。以晶體硅太陽電池組件為例，讓多片串聯(lián)的太陽電池反向并聯(lián)一個或多個旁路二極管，當電池片串列中的電池由于部分或全遮擋等因素出現(xiàn)性能失配時，電池串兩端承受的反偏壓，對于旁路二極管而言則為正偏壓并使之導通，過量的電流被旁路，且降低了太陽電池串列兩端的反偏壓，保護了與其并聯(lián)的整個太陽電池串。

這種方法簡單且可靠地避免了由于遮擋形成的熱斑效應以及熱斑效應對太陽電池和組件的損壞，但還是不可避免地影響了受遮擋組件輸出特性。因此，建立帶旁路二極管組件在遮擋情況下輸出特性的數(shù)學模型，有助于更好地了解陰影遮擋對組件輸出的影響。

在本文中，建立了晶體硅太陽電池組件的遮擋模型，并于實驗室中采用標準測試條件，通過檢測晶體硅組件在在不同程度遮擋條件下的輸出特性對模型進行了驗證。根據(jù)中國西北地區(qū)某大型并網(wǎng)光伏電站的現(xiàn)場考察結(jié)果，總結(jié)了西北地區(qū)大型并網(wǎng)光伏電站的常見遮擋類型，并對不同遮擋類型的組件輸出特性進行了實地現(xiàn)場測試，并加以了詳細的分析。

2.遮擋模型建立及驗證

2.1 基于遮擋現(xiàn)象的組件輸出數(shù)學模型

為分析被遮擋后光伏組件的輸出特性，假設組件只有兩片晶體硅太陽電池，每片電池均與一個旁路二極管并聯(lián)，如圖1所示。

在該模型中，認為每片太陽電池的參數(shù)一致，即在相同均勻光照強度下，它們產(chǎn)生相同的光生電流，兩個旁路二極管都處于阻斷狀態(tài)，描述此時太陽電池組件輸出特性的公式為（電池的并聯(lián)內(nèi)阻很大，對輸出電流的影響可忽略不計）[b]：

其中，為光生電流；為反向飽和電流；為太陽電池串聯(lián)內(nèi)阻；為二極管影響因子；為電子電荷常熟，為；為溫度；為波爾茲曼常數(shù)為。

旁路二極管的電流為

如圖1所示，當其中一片電池被遮擋時，該太陽電池產(chǎn)生的光生電流減小，即，隨著外接負載電阻逐漸增大，旁路二極管存在導通和阻斷兩種狀態(tài)：

（1）當外接負載電阻較小時，組件輸出電流較大，即，此時在與太陽電池1并聯(lián)的旁路二極管1兩端形成了正向偏壓，使旁路二極管1導通，多出的輸出電流從旁路二極管流過并對外輸出。這個階段相當于只有太陽電池2對外輸出功率。

（2）隨著外接負載電阻的增大，輸出電流逐漸減小，當太陽電池2的輸出電流等于太陽電池1受遮擋后的光生電流，即時，與太陽電池1并聯(lián)的旁路二極管1兩端開始形成反向偏壓，旁路二極管1進入阻斷狀態(tài)。此時，太陽電池1和2都正常對外輸出功率。

從上述分析可知，由于旁路二極管的存在，對受局部遮擋組件的輸出特性有較為明顯的改變，且輸出特性曲線可以由分段函數(shù)來表達，分段函數(shù)中的斷點是旁路二極管導通與阻斷的轉(zhuǎn)折點：

根據(jù)旁路二極管導通與阻斷兩個階段對電路的影響，從理論上推測在串聯(lián)了N個太陽電池的組件支路中并聯(lián)了K組旁路二極管，當各支路上任何一片電池受到不同面積的陰影遮擋或不同強度的入射光強照射時，組件的I-V曲線將出現(xiàn)K個“臺階”，P-V曲線出現(xiàn)K個峰。

2.2 數(shù)學模型實驗驗證

為驗證上述分段函數(shù)的準確性，在實驗室中利用太陽模擬器進行遮擋實驗，分析組件中單片太陽電池的遮擋面積與輸出特性曲線的關(guān)系。實驗在標準測試條件：AM1.5光譜，光強1000W/m2，環(huán)境溫度25oC下進行，所用儀器為德國optosolar公司制造的ModuleTester，驗證用組件為京瓷公司KC50T-1組件，組件在進行遮擋模型驗證試驗前進行了測試，性能符合標定參數(shù)。

利用不透光黑布依次遮擋組件中單片電池面積的0%、25%、50%、75%、100%，分別得到組件輸出特性的I-V和P-V曲線，實驗結(jié)果如圖2和表2所示。

圖2組件KC50T-1單片太陽電池受到0%、25%、50%、75%、100%遮擋后的輸出特性曲線。

（a）I-V曲線；（b）P-V曲線

隨著組件中單片電池受遮擋面積的逐步增大，開路電壓Voc、短路電流Isc幾乎不變。由于組件中并聯(lián)有兩組旁路二極管，故受到遮擋后的組件輸出I-V曲線呈現(xiàn)出兩個臺階，P-V曲線呈雙峰狀。而且，由于光生電流的大小與電池受光面積成正比，所以在兩個旁路二極管都阻斷的I-V曲線后半部分，組件的輸出電流受遮擋電池的光生電流影響，也隨著單片電池受遮擋面積的增大而成比例減?。划斦趽蹶幱奥湓诙嘤谝黄栯姵仄蠒r，輸出電流與受遮擋最多的單片電池所產(chǎn)生的電流一致。

另外，圖2中遮擋100%遮擋單片電池片時的I-V、P-V曲線，后半段出現(xiàn)一段直線的原因是：在該段的組件輸出電路和效率過低，儀器精度不足，無法收集數(shù)據(jù)。

以上實驗測得的輸出曲線，均符合基于遮擋現(xiàn)象的組件輸出數(shù)學模型的描述，可見此模型能反映組件在受到遮擋時的電性能輸出特征。

3.西北地區(qū)大型并網(wǎng)光伏電站現(xiàn)場檢測及分析

3.1 現(xiàn)場遮擋類型分類

根據(jù)對西北地區(qū)某大型并網(wǎng)光伏電站進行的現(xiàn)場實地調(diào)研，組件被遮擋的情況隨著安裝所在地點和地形不同而有區(qū)別?？偨Y(jié)起來，主要分為三種遮擋類型：（i）電線桿、配電房等配電設施的遮擋；（ii）植物、鳥糞等面積較小且不規(guī)則形狀的遮擋；（iii）前排光伏陣列對后排光伏陣列的遮擋。

圖3西北地區(qū)某大型并網(wǎng)光伏電站遮擋情況分類。

（a）電線桿遮擋；（b）配電房遮擋；（c）植物遮擋；（d）鳥糞遮擋；（e）跟蹤式光伏陣列前排遮擋；（f）固定式光伏陣列前排遮擋。

3.1.1 電線桿與配電房的遮擋

為收集并輸送光伏陣列所發(fā)電力，需要設置電線桿和線纜等；另外，配電房是光伏電站的關(guān)鍵部分，是逆變器、變壓器等設備集中放置的地方。但如果電線桿和配電房的位置設計不當，與光伏陣列之間距離過小，就有可能對光伏陣列造成不用程度的遮擋，如圖3（a）和（b）所示。從圖3（b）可見，配電房的陰影可以對幾個光伏陣列都造成遮擋影響。

3.1.2 植物和鳥糞的遮擋

中國西北地區(qū)荒漠化情況嚴重，建設光伏電站對生態(tài)友好，在治理西北荒漠化和保護生態(tài)環(huán)境中同時具備經(jīng)濟和環(huán)境效益[4]，在電站現(xiàn)場考察時就發(fā)現(xiàn)當?shù)刂脖簧L旺盛，且有大量群居的麻雀，然而，這就導致了在部分組件上出現(xiàn)落有鳥糞或被植物樹葉遮擋的情況，如圖3（c）和（d）所示。這些遮擋的特點是造成陰影的面積相對較小，形狀不規(guī)則，且出現(xiàn)地點較為隨機，需要對電站組件逐一檢查才能實現(xiàn)完全排除。

3.1.3 前排光伏陣列對后排光伏陣列的遮擋

經(jīng)過實地觀察，當太陽高度角較小時，光伏電站中部分光伏陣列出現(xiàn)被前排陣列遮擋的現(xiàn)象。如圖3（e）和（f），照片拍攝在冬季11月份的一天，從該天的8：40至16：10，都有部分光伏陣列受到前排陣列的遮擋，形成這一現(xiàn)象主要由于光伏陣列之間的距離設置不當所致。原因是由于安裝地點的地表結(jié)構(gòu)存在差異，使光伏電站在施工過程中難以保證與設計圖紙完全匹配，從而形成部分陣列在實際安裝后與設計存在偏差，陣列之間距離過小，因此在太陽高度角較小的情況下造成前排陣列對后排陣列的大面積遮擋。

3.2 遮擋對組件輸出特性的影響

在電站現(xiàn)場對陰影遮擋的典型例子進行了研究。所檢測光伏陣列組件采用黃河公司的Huanghe220（30）p型號多晶硅組件，由60片156×156mm2多晶硅太陽電池組成，其中每20片電池并聯(lián)一組旁路二極管，共三組旁路二極管。測試時間為2012年9月12日10：00am到11：00am，天氣晴朗無云，太陽輻照度穩(wěn)定，在850W/m2左右。測試儀器采用意大利HT公司的光伏組件I-V特性測試儀I-V400，在自然光下所測得數(shù)據(jù)經(jīng)過儀器轉(zhuǎn)換成標準測試條件下的輸出特性曲線。

3.2.1 電線桿遮擋情況研究

為了收集和輸送電站所發(fā)電力，在電站四周均立有不少電線桿，電線桿的陰影會隨著日照情況而改變，有的幾乎整個白天都有陰影落在陣列的受光面上，并且變化速度較快。在實驗數(shù)據(jù)采集的10min內(nèi)，4號組件左側(cè)組件上的陰影就迅速移走并消失。所檢測組件排列及電線桿遮擋情況如圖4所示。采用HTI-V400依次快速采集1號至5號組件被電線桿遮擋后的電性能數(shù)據(jù)，如表4所列，組件I-V、P-V曲線如圖5所示。

由于所檢測組件中有三組旁路二極管，因此受遮擋組件I-V曲線最多出現(xiàn)3個臺階，P-V曲線具有3個峰值。對1號組件進行詳細分析，由于每20片電池并聯(lián)一個旁路二極管，因此可把1號組件從右到左設定為M1-1、M1-2、M1-3三條串聯(lián)支路，三條支路中單片太陽電池被電線桿遮擋的最大面積依次為22.5%、90%、96%，因此可得。根據(jù)2.1的討論，隨著外接負載電阻的增大，當時，M1-2、M1-3的旁路二極管導通，輸出M1-1的特性曲線；當時，只有M1-3的旁路二極管導通，輸出M1-1、M1-2共同的特性曲線；當時，三組旁路二極管均處于阻斷狀態(tài)，輸出M1-1、M1-2、M1-3的特性曲線。

同理，因為2號組件三條支路中單片太陽電池被電線桿遮擋的最大面積依次為96%、90%、96%，3號組件為96%、50%、0%，4號組件為0%、90%、96%，所以輸出的I-V曲線同樣具有3個“臺階”，P-V曲線具有3個峰值，斷點是旁路二極管導通與阻斷的轉(zhuǎn)折點。由于利用HTI-V400測得陰影處平均光強為80W/m2，因此，即使組件中某片電池被完全遮擋，也仍然能有I-V曲線輸出。5號組件由于未被遮擋，故I-V、P-V曲線與標準曲線保持一致。

雖然電線桿造成的陰影面積不大，但由于其窄長的形狀特征，陰影在很多情況下是覆蓋在多個組件的多條串聯(lián)支路上，嚴重降低了光伏組件，甚至是整個光伏陣列的輸出，故應盡量減少此類遮擋。為了避免電線桿對光伏陣列造成陰影，最有效的方法是在光伏電站的設計階段就對電線桿和電纜的設置地點和走向進行詳細的分析和排布。

3.2.2 植物與鳥糞遮擋情況研究

植物雜草與鳥糞對光伏組件造成遮擋的情況，在大型光伏電站中較為普遍。中國西北地區(qū)由于荒漠化治理取得了較好成果，且人煙稀少，給該地區(qū)的植被和鳥類提供了良好的生存和繁衍環(huán)境，因此，西北地區(qū)大型光伏電站組件受植物和鳥糞遮擋的情況更加突出。

對圖3（c）受植物遮擋組件采用HTI-V400進行植物移除前后的現(xiàn)場電性能輸出特性檢測，檢測數(shù)據(jù)如表5所列，組件I-V、P-V曲線如圖6所示。

雖然植物造成的陰影面積較小，且形狀不規(guī)律，但由于組件的三條串聯(lián)支路上均落上了陰影，故輸出的I-V曲線同樣具有3個“臺階”、P-V曲線呈三峰狀，且最大功率點功率輸出只有植物移除后的50.12%。

較小面積且形狀不規(guī)則的遮擋情況除了植物遮擋外，還需要考慮鳥糞的遮擋。對圖3（d）受鳥糞遮擋的組件采用HTI-V400進行遮擋物清除前后的現(xiàn)場電性能輸出特性檢測，檢測數(shù)據(jù)如表6所列，組件I-V、P-V曲線如圖7所示。