静态阴影对太阳能房光伏发电的影响实验与研究

郭琳琳，鞠振河，刘 婕

(沈阳工程学院 a.电力学院;b.新能源学院，辽宁沈阳110136)

近年来，随着光伏电池生产规模的扩大，电池成本的不断降低，光伏发电技术已走出实验室，进入了商业化运行阶段［1］。沈阳工程学院的示范项目——太阳能房，不仅将光伏发电技术巧妙地应用在了建筑住宅中，而且东、西、南三面铺板实现了朝向对光伏组件输出特性影响的真实研究，是光伏行业各研究领域的试验平台。太阳能房初步效果图如图1所示。

图1 太阳能房初步效果

由于行云、树木、建筑物以及鸟的排泄物的影响，光伏阵列会受到局部遮挡，在这种情况下，光伏组件所接收的光照强度会各不相同，组串输出特性也会发生改变，局部遮挡的程度也直接影响整个光伏发电系统效益的高低［4］。从上世纪80年代开始，太阳电池的遮挡性在国外就被广泛研究。太阳电池在使用过程中，可能出现一个或一组电池由于阴影遮光等影响造成不匹配，导致其特性与整体不谐调［9］。在合理的光照条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳电池，会由发电单元变为耗电单元，被遮蔽的太阳电池不但对组件输出没有贡献，而且会消耗其他电池产生的电量，此时会发生热斑效应。

阴影被分为“客观阴影”(objective shading)和“主观阴影”(subjective shading)。“主观阴影”又可细分为“动态阴影”(dynamic shading)和“静态阴影”(static shading)。客观阴影指因天气原因而造成光照强度减弱，比如多云、阴雨和雾霾天气等。主观阴影是由附近障碍物阻挡了阳光直射而造成的阴影覆盖。静态阴影特指在组件表面玻璃上的覆盖物，如鸟粪、树叶或长久积累在底部的灰土。动态阴影就是广泛意义上说的“阴影”。静态阴影形状不随太阳的移动而变化，这也是区分这两种阴影分类的核心点。这里是针对静态阴影展开的一系列研究。文献［5-8］建立了阴影遮挡情况下的太阳电池组件模型，采用MATLAB、Saber等仿真模拟软件分析了不同局部阴影条件下太阳组件的I-V特性。国内科研机构近年也开展了相关理论研究，在太阳电池电流方程的基础上，进行太阳电池组件的正向和反向特性研究。但是历来对此阴影遮挡研究的试验相关工作比较少。

计划在太阳能房这个真实的环境下，研究阴影遮挡对其光伏组件发电量的影响，但考虑到屋顶操作的安全问题，故采用同等条件模拟试验的方案。选取南面微网光伏组件的某单元作为研究对象，进行同等条件下的试验模拟，将遮挡面积作为可变因素，实时测得光伏组件在各种情况下的输出特性，分析并比较阴影遮挡对光伏组件发电量的影响，并对其进行一定程度的优化，分析并比较优化后的结果。

1 实验模型

1.1 模拟测试系统

选取如图2所示的单元作为研究对象。选择依据为:考虑测量透光率的准确性和测量人员的安全性，选择屋檐边缘的组件;考虑由于组件高度带来的试验误差，选择左右排列的一整串组件;考虑夏天正南几乎无遮挡以及周边建筑的影响，选择偏东的组件。综上所述，图中所示单元为最佳模拟单元，可做为研究对象。

图2 研究单元

对选取单元的两侧(A侧和B侧)使用太阳眼(SORLAR EYE)进行透光率测量，分析测量数据，进而得出该单元透光率的结论，其中A侧透光率和测量结果如图3和表1所示，B侧透光率和测量结果如图4和表2所示。

图3 A侧透光率

表1 A侧测量结果

图4 B侧透光率

表2 B侧测量结果

经比较可得，所选单元的五月份透光率为93%。由于屋顶倾斜角度大约为30°，因此在地面做模拟实验室时，也要将倾斜角度设为30°，以保证实验的准确性。用太阳眼设备在太阳能房的周边进行透光率测量，并将93%透光率的区域作标示。最终把能同时满足透光率大约93%和能铺设两串组件面积的条件的区域作为模拟实验的地点。

1.2 测试方法和步骤

试验仪器包括8块30W/17V的太阳能组件，4块优化器，2台滑行变阻器，2块功率表，2个空开，若干导线和绝缘胶带。

根据试验要求，设计电路原理图如图5所示。

图5 试验电路原理

根据原理图在地面上连接电路，板子的倾斜角度为30°，面向南面摆放。接线图如图6所示。

图6 试验接线

实验过程中，采用厚度为0.2 mm的深色纸板作为遮光片，单块太阳能板遮挡面积分别为0%、20%、40%，由于4块板子串联连接，折算到整串组件的遮挡面积为0%、5%、10%。

采集5月10日一天的数据，由于上午8:30之前和下午17:00之后的辐射强度很低，所以数据采集的时间区间为8:30-17:00。在此期间，15 min-30 min采集1次数据，记录下此时的辐射量、输出电压U、输出电流I、输出功率P。

2 优化前测试结果及分析

2.1 遮挡对电池性能的影响

不同遮挡情况的I-V、P-V曲线如图7所示。

图7 不同遮挡情况的I-V特性曲线

由图知:相同时间段内，0%遮挡情况下，当电压在10 V～60 V间变化的时候，电流的变化空间为0.25 A～1.5 A;5%遮挡情况下，输出电压和电流骤减，输出电压在辐射量较高的时候不过15 V，电流在0.1 A～0.4 A间波动，变化范围很狭窄;10%遮挡情况下，输出电压、电流很微弱，电压不过几伏，电流几乎可以忽略不计，此时光伏组件发电量极其低下。

由图可知，遮挡对电池性能的影响很大，使电池能量降低，尤其是各参数下降幅度很大。遮挡5%较无遮挡的时候，功率下降50% ～80%;遮挡10%较无遮挡的时候，功率下降60% ～90%。

图8 不同遮挡情况的P-V特性曲线

图9 辐射量对遮挡电池的性能影响

2.2 辐射强度对遮挡电池性能的影响

从上图可看出，无遮挡的情况下，辐射量与输出功率成正比关系，辐射量越高，电池输出能量越高;而遮挡情况下，不管遮挡面积为多少，只要有遮挡，遮挡部位就会从发电的角色变换为负载的角色，大大拉低整串的输出功率，时间过长还会损坏电池板，危害很大。光伏发电工程中，一旦部分遮挡，就会对整个工程的发电量有破坏性的影响，所以一定要定期保证电池组件的清洁，避免树叶、灰尘、鸟粪等遮挡物的覆盖，确保光伏组件发电的稳定运行。

根据上述测试结果和分析可得:当树木、烟囱或其他物体投射的阴影遮挡住光伏组件时，就会导致系统造成“失配”问题。即使光伏系统只受到一点点阴影的遮挡都会导致发电量的大幅下跌。部分遮蔽导致的系统失配对发电量的实际影响很难通过简单的计算公式获得。因为影响系统发电量的因素很多，包括内部电池模块间互连、模块定向、光伏电池组间的串并联问题以及逆变器的配置等。光伏模块通过多个电池串相互连接而成，每个电池串被称为一个“组列”。每个组列由1个旁路二极管来保护，以免1个或多个电池被遮蔽或损坏时导致整个电池串因为过热而受到损坏。这些串联或并联的电池组列能够使电池板产生相对较高的电压或电流。

不同的案例研究和现场测试证明，部分遮蔽对光伏系统的发电量具有严重的影响。通过使用分布式MPPT控制可以减轻遮蔽对系统的不利影响。而光伏优化器中有MPPT跟踪和通信功能，使用优化器是否能改良遮挡对光伏组件发电量，下面的试验结果给出了有力的分析。

3 优化后测试结果及比较分析

由于采集数据的时间间隔很短，一天中共采集了30组数据，有部分数据辐射量极其接近，视为重叠数据，可剔除;又因为云遮挡原因使得采集前与采集后的辐射量差别很大，这种数据没有说服力，会对试验结果产生误差，视为坏数据，可剔除。综合两种情况，对数据进行处理后得到的数据表如表3所示。

由以上数据和曲线可以得到以下结论:

1)0%遮挡情况下，优化前后的输出功率P随辐射量的增大而增大。当辐射量低于700 W/m2的时候，优化后的功率输出明显高于优化前的功率输出，起到了良好的优化作用，此区间，辐射量越低，优化后输出功率的增加百分比越高，优化效果越明显，但辐射量越接近700 W/m2，虽然依然呈现增加趋势，但是增加百分比逐渐减少，优化的作用渐弱。当辐射量高于700 W/m2的时候，优化前后的功率输出相差无几，几乎起不到优化的作用，随辐射量的增高，反而有拉低输出功率的现象，在当天最高辐射量900 W/m2左后的时候，大约拉低优化前功率35%～40%。

根据数据表绘制曲线如图10所示。

对优化前后的数据进行单独比较，能明显看到优化器会光伏组件发电量的影响，显示结果如图11所示。

2)5%遮挡情况下，优化前的输出功率很低，随辐射量的增加虽然也呈增长的趋势，但在0～5 W的范围内增长，增长范围很小;然而优化后的输出功率，虽然在某个辐射量值时会出现峰值功率，但总体的优化效果是很明显的，优化后的功率范围在4 W～30 W之间。加优化器之后光伏组件的输出得到了很大的优化，优化后的最低输出功率几乎与优化前的最高输出功率齐平，优化效果显而易见;但是优化之后也出现了，输出不稳定，有反应延迟，出现功率峰值等现象，这可能是由于优化器本身设计的相互之间通信功能及其算法造成的，至于具体的原因，由于没有充足的试验依据，尚不能确定。

表3 优化前后辐射量与输出功率的数据表

图10 各种遮挡情况下辐射量与发电量的关系

3)10%遮挡情况下，优化前的的光伏组件几乎不发电，即使在正午辐射量最高的时候也不过1 W左右，可看出阴影遮挡对光伏组件的输出影响是极其大的。优化后的功率输出有了明显改善，随着辐射量的增加，输出功率也在3 W～30 W的范围内不同程度的增加。

图11 优化前后辐射量与发电量的关系

4 结语

所建试验模型综合考虑了阴影遮挡和优化器方案对光伏发电的影响。在相似周边环境、透光率、倾角、温度等客观因素的基础上，设计了太阳电池组件遮挡实验，并对组件能进行实际测试，详细分析了组件从8:00～17:00不同遮挡情况下的工作状态。

试验结果表明，在局部遮挡条件下，组件串联输出的功率曲线呈骤减趋势，加入优化器后不仅可以保护光伏组件，更能提高系统效率，但也存在输出波动的现象，这就需要寻找更优的MPPT技术。组件遮挡对光伏系统输出特性产生很大的影响，本次试验对光伏系统经济性的提高具有较高的工程指导意义。

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