遮挡现象对大型并网光伏电站输出性能的影响*

谢丽莹，孙韵琳，李祥志，洪瑞江

(中山大学太阳能系统研究所，广东 广州510275

光伏电站一般设置在地域开阔、阳光充足的地带，西北地区广泛分布的戈壁、沙漠、滩涂，为其提供了理想的地点。然而由于设计的不周全或电站现场部分地区地表不规整，在实际安装过程中会造成阵列前后排、电线杆等的阴影遮挡；在户外长期使用的过程中也难免落上鸟粪、树叶等遮挡物，而使光伏阵列产生局部的阴影现象，直接影响光伏组件的输出特性。表面被局部遮挡、光强分布不均匀等因素均会导致光伏组件输出电流及功率降低，甚至被遮挡的电池相当于负载消耗电能，并会出现过热甚至击穿的热斑现象，严重影响光伏组件的输出特性和使用寿命[1]。

1 遮挡现象的数学模型

为分析遮挡后光伏组件的输出特性，将其简化成两组支路串联的模型，如图1。在模型中，每组支路的参数一致，在相同光照强度下，有相同的光生电流[2]、旁路二极管阻断。描述支路的输出特性的公式为

图1 光伏组件等效电路图Fig.1 Equivalent circuit of a PV module

而旁路二极管的电流Ib为

式中，c1、c2分别为光强影响系数和温度影响系数，G为光强、AO、AC分别为电池面积和电池被遮挡面积，ΔT=T-Tref为实验中产生的温度差，T、Tref分别为电池工作温度和参考温度。

组件中的电池串联后，输出的总电流与受遮挡最多的电池片所产生的电流一致[3]。当M1中有电池被遮挡，且Iph1

2 大型光伏电站调研结果及分析

2012年9月12日10∶00～11∶00，太阳辐照度稳定在850W/m2，对西北某大型光伏电站进行现场实地调研后发现，组件被遮挡的情况不尽相同，但也存在一定的共性，见图2，分别是前后排阵列、配电装置、植被以及鸟粪。测试组件为220 W标准多晶组件，仪器为HT(I-V400)，测试结果为自然光下测得的数据，经过仪器转换成标准测试条件(Standard testing condition，STC)下的输出特性曲线。

图2 西北地区典型的遮挡现象Fig.2 Shading examples of northwest PV system

1)前后排阵列的遮挡。

实地调研中发现，冬天8∶40至16∶10间，部分阵列出现了前后排间的阴影遮挡，如图2a。原因是施工过程中由于地表结构的差异，难以保证与设计图纸完全匹配使其在安装后与设计出现偏差。

2)配电装置的遮挡。

配电房的位置设计不当，会对周边阵列造成一定的阴影遮挡；而为输送所发电力所设置的电线杆、线缆等也会然在光伏阵列中导致不同程度的阴影遮挡，使交流输出效率降低，如图2b和2c。

图2c中，1号区域从右到左分成M1-1、M1-2、M1-3三条支路，各支路中被遮挡的单片电池的最大面积依次为22.5%、70%、80%，所以Iph1>Iph2>Iph3。当Iph2

图3 电线杆阴影下的输出特性曲线Fig.3 Electrical characteristic curves of pole shading(a) measured data; (b)theoretical value

组件的输出不仅跟被遮挡面积有关，还需考虑入射光强和温度[6-7]。测得阴影处平均光强为80 W/m2，环境温度为27.5 ℃。忽略环境因素带来的影响，如温度、辐照，根据数学模型计算出来1号区域的分段函数断点与实测的数据相差不大，图3b。同理，2号区域被遮挡80%、70%、80%，3号区域被遮挡80%、50%、0%，4号区域被遮挡0%、60%、80%，5号区域未被遮挡，可计算相应的理论断点并作比较。

在电站中，多晶组件的电气接入方式为每个组串有20个组件串联，根据电站的输出特性，该组串日发电量约为18.83 kWh。当组串中有一块组件的输出功率减低，整个组串的效率随之下降[8]。

电线杆遮挡的出现，使单块组件功率的下降幅度约84%，组串整体的功率也下降，日发电量下降10 kWh左右。2012年电站所在地，晴天约有180 d，保守预估一个电线杆的阴影会导致电站的年发电量少了1 800 kWh。因此，电站中小规模的遮挡导致的经济损失也较为严重。

3)植被的遮挡。

人类活动是造成西北地区荒漠化的主要诱因，大型并网光伏电站的建立，不但可以解决当地部分就业问题，还可以通过调整资源的供给，改善产业结构，促进经济的发展和进步，有利于西北地区的自然环境改善[6]。然而当植被生长过高时会出现一定的阴影遮挡，影响输出。

图2d中，大叶杂草M6-1、M6-2、M6-3三条支路中被遮挡的单片电池的最大面积依次约为10%、40%、70%，其原理与电线杆遮挡相似，故输出的I-V曲线有三个膝形、P-V曲线呈三峰，见图4a；图2e中，小叶杂草被遮挡仅为8%、100%、100%，因此输出I-V、P-V曲线与没有遮挡时的曲线几乎重合，效率的降低不明显，见图4b。

图4 植被阴影下的输出特性曲线Fig.4 Electrical characteristic curves of plant

由于植被遮挡的出现，功率下降幅度约为50 %，组串日发电量下降9 kWh左右，预估由此导致的电站的年总发电量少了1 620 kWh。因此，在光伏电站的后期维护中，需要雇请专人进行定期除草，降低植被对组件遮挡的可能性。另外，可以在光伏电站设计的初期对电站地表植被进行翻种，如根据当地情况种植花生、白药等有相当经济价值的低矮植物，在降低后期维护成本的同时、增加额外的经济收入。

4)鸟粪的遮挡。

如今西北地区荒漠化治理有了较好的成果，该地区开始变得越来越适合鸟类生存和繁衍，因此，除了要考虑电线杆和杂草这类小面积的遮挡现象会影响光伏电站的输出之外，还需要考虑鸟粪的遮挡现象。鸟粪的遮挡面积其实并不算特别大，可是还是有一定的影响的，主要表现为最大输出功率Pmax降低了1 W，填充因子FF下降了1%，输出特征曲线与没有遮挡时的曲线有稍微的不重合。

3 有效的防范措施

由于组件被遮挡后，其各方面性能都有很大的损耗，因此提出一下几个方面的建议：在组件中要使用旁路二极管来限制阴影对组件和电池带来的严重损耗[9]；阵列设计时计算合适的间距，避免行距不当或倾斜角选择失误导致阴影的产生[10]；电站设计时，考虑到配电房、电线杆、树木、植被等周边环境所产生的阴影对阵列的影响，必要时适当移除；经常清理组件表面的灰尘、树叶等，保持太阳电池组件的清洁[11]。

4 小 结

本文首先从理论得知组件中并联了K组旁路二极管，则当受到不同的阴影遮挡或入射光强照射时，组件的I-V曲线将出现K个膝形，P-V曲线出现K个峰。然后结合对西北某大型光伏电站的考察调研结果，对几种典型现象进行归纳和总结，得出大型光伏并网电站的遮挡共性，包括前后排阵列、配电装置、电线杆、植被、鸟粪等。对几种典型的遮挡现象进行测试，并对所得的I-V、P-V输出特性曲线以及各个电学参数进行分析，进一步验证了数学模型计算出来函数断点与实测的数据有一定的一致性。由于2012年电站所在地，晴天约有180 d，保守预估由电线杆引起的电站年发电量减少量为1 800 kWh/个，植被遮挡后发电量减少量为1 620 kWh/个。因此，在电站设计时对这些典型遮挡现象进行有效的规避。

参考文献：

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