局部阴影遮挡影响光伏系统性能实验研究

2016-03-11吴露露王亚辉澈力格尔王晶晶

电源技术 2016年4期

关键词：输出特性太阳电池输出功率

吴露露，王亚辉，2，澈力格尔，王晶晶，田瑞，2*

(1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特010051；2.内蒙古可再生能源重点实验室，内蒙古呼和浩特010051)

局部阴影遮挡影响光伏系统性能实验研究

吴露露1，王亚辉1，2，澈力格尔1，王晶晶1，田瑞1，2*

(1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特010051；2.内蒙古可再生能源重点实验室，内蒙古呼和浩特010051)

研究了局部阴影遮挡对光伏组件和光伏发电系统输出性能的影响，对光伏组件在不同比例局部阴影遮挡，以及光伏系统在10%的阴影遮挡下的输出特性进行了实验研究。结果表明：光伏系统中的任意一块光伏组件的遮挡都会使整个系统的输出功率衰减；当光伏组件有超过10%部分被遮挡时，光伏系统的输出功率损失达85%以上，输出功率损失随着遮挡面积增大而增大；集中遮挡造成的功率损失大于分散遮挡，遮挡越分散对光伏系统造成的功率衰减越小。

光伏系统；阴影遮挡；输出功率

运行中的光伏阵列不仅受到太阳辐照度和温度的影响，也受到云层、树木、建筑物等障碍物阴影的影响。这些阴影会造成光伏组件表面光照强度分布不均，使光伏组件的输出性能衰减，从而造成整个光伏阵列性能衰减。

国内外对局部阴影遮挡对光伏组件输出特性已有多方面的研究，但对并网型光伏系统影响的研究尚需完善。吴小进等[1]针对串、并联光伏组件的输出特性展开理论分析，得出集中式光伏阵列处于复杂光照环境下的输出特性，采用Matlab进行仿真模拟并予以实验验证。肖景良等[2]通过理论分析、仿真及系统实验等方法，提出在局部阴影条件下光伏阵列最大功率点的简化算法，并提出了光伏阵列优化设计方法。土耳其的Engin Karatepe等[3]以阴影对太阳电池影响的分析为基础，提出了一个用以描述光伏阵列在局部阴影遮挡情况下的模型。

在光伏系统的实际运行中，往往只是光伏阵列中的某一个组件受到了局部遮挡，从而对整个光伏阵列造成影响，文献[4-10]等只对阴影遮挡对光伏组件的影响进行研究，并未对阴影对光伏阵列的影响进行深入研究。本文针对局部阴影遮挡对并网光伏系统输出性能的影响进行了实验研究，通过实验分析了七种不同的遮挡方式和遮挡比例对并网光伏系统输出性能的影响，为实际应用提供参考。

1 实验装置与方案

实验测试系统由转换效率为14.4%的5块相同的多晶硅光伏组件、汇流箱、逆变器依次串联，组成并网型光伏系统，系统的最大输出功率为1 175 W，光伏阵列朝向正南，与水平面呈34°夹角倾斜放置，利用TBQ-2型总辐射表和TRM-2型太阳能测试记录仪分别测量和记录光伏系统接收到的太阳辐射量。

实验中所用的逆变器为固德威GW2000-ss型逆变器，通过其自带软件可以实时查看光伏阵列的输出电流、电压、功率等参数，且该逆变器具有最大功率点跟踪(MPPT)的功能。由于光伏阵列的输出参数随太阳辐射强度的变化而变化，所以系统在其运行过程中需要跟踪光伏阵列的工作点，使其处于最大输出状态。

实验所用的汇流箱为南京特玛亨TC30NA-3T型光伏防雷汇流箱，具有总输出过流保护，总输出断路器保护，防雷保护等，以保证实验测试的安全进行。

实验以1 175 W的并网型光伏系统为研究对象，利用不同比例的不透光纸板遮挡在光伏组件的不同位置，对光伏系统进行局部阴影遮挡，并测试光伏系统的输出电压、电流、功率等参数。实验测试选择在呼和浩特市，2013年6月～7月十点至十四点间进行，分别对不同比例和相同比例下阴影遮挡对光伏系统的影响进行了实验研究。图1为太阳能光伏发电系统。

图1 太阳能光伏发电系统

2 局部阴影遮挡对光伏系统的影响

2.1 光伏组件变比例阴影遮挡对光伏系统的影响

测试实验首先对不同比例阴影遮挡对光伏系统的影响进行研究，利用不透光纸板作为遮光板，遮光板的宽度与光伏组件同为994mm，依次遮挡光伏阵列中任意一块光伏组件的5%～70%。如图2所示，每次以不同比例间隔遮挡10 min，测试系统的输出特性，同时测试光伏组件表面接收的太阳辐射强度。光伏组件变比例阴影遮挡对光伏系统的功率损失如表1所示。

图2 光伏组件变比例阴影遮挡对光伏系统的影响

表1 光伏组件变比例阴影遮挡对光伏系统的功率损失

由图2及表1可知，当光伏组件在被遮挡的瞬间，被遮住的太阳电池不能产生电能，导致系统输出功率瞬间下降。当一块太阳电池板的遮挡面积仅为5%时，整个光伏系统的输出功率损失为47.31%；当遮挡面积为10%时，系统的输出功率损失达到86.49%；当遮挡面积为15%以上时，系统的功率损失均可达95%，损失严重。

可见，虽然只对光伏系统中的一块太阳电池板进行遮挡，但对整个系统的输出功率造成的影响很大。当一块太阳电池板被遮挡10%以上时，光伏组件的输出电流、电压减小，而输出功率损失可达80%。实验中的光伏系统为5块太阳电池板串联而成，当其中一块光伏组件受到阴影遮挡时，组件的输出电流、电压、功率均有所下降，由于串联电路中电流处处相等的特性，导致整个光伏系统的电流减小，系统输出功率下降。

2.2 光伏组件10%阴影遮挡对光伏系统的影响

通过以上实验，可知当对光伏系统中的一块光伏组件的遮挡比例大于10%时，系统性能衰减严重，可知光伏组件10%的遮挡比例为光伏系统输出功率的转折点。为研究相同遮挡比例下，不同遮挡位置对光伏系统输出特性的影响，设计了如图3所示的七种典型的遮挡方式，其中，①为遮挡整块光电板的最上方；②为横向遮挡一排太阳电池；③为横向遮挡于两排太阳电池之间；④为纵向遮挡一列太阳电池片；⑤为纵向遮挡于两排太阳电池之间；⑥为遮光板平均分成两块并分别横向遮挡于两排太阳电池片之上；⑦为遮光板平均分成三块并分别横向遮挡于三排太阳电池片之上。

图3 光伏组件的七种遮挡方式

图4 七种遮挡方式对光伏系统的影响

图4为七种遮挡方式对光伏系统的影响，在相同的遮挡比例下，不同的遮挡位置对光伏系统的输出影响不同，七种遮挡方式下的光伏系统的功率损失如表2所示，其中，①、②两种遮挡方式对光伏系统输出性能影响最大，达到90%以上；第④种遮挡方式引起的系统功率衰减最小，仅为8.37%；第③、⑤、⑥种遮挡方式对光伏系统输出性能的影响较为接近，在42%～43.5%之间。通过对相同遮挡比例下不同遮挡位置的分析可知：

(1)①、②与⑥、⑦均为横向遮挡在光伏组件太阳电池上，而①、②造成的功率损失比⑥、⑦高47%～66%，⑦的功率损失小于⑥，这是由于①、②为对光伏组件大面积的集中遮挡，⑥、⑦为分散遮挡，而⑦比⑥更为分散，所以，在总的遮挡比例相同的情况下，集中遮挡对光伏系统造成的功率损失大于分散遮挡。

(2)③、⑥对光伏系统造成的功率损失较为接近，③虽然也为集中遮挡，但由于遮挡在两排太阳电池上，与⑥的分散遮挡类似，说明集中遮挡在一块太阳电池上对光伏系统造成的损失较大，当光伏组件中有太阳电池片被完全遮挡时，会造成被遮挡的太阳电池不能进行光电转换，其所在的子串的电流大大减小，从而使光伏组件的输出功率大幅降低，当太阳电池片未被完全遮挡时，未被遮挡的太阳电池仍能光电转换，光伏组件的输出功率衰减程度小于集中遮挡。

(3)②、④分别为横向和纵向遮挡在太阳电池上，而②造成的功率损失比④高出近10倍，这是因为光伏组件由3个子串组并联而成，②为横向遮挡，对3个子串组均有遮挡，对光伏组件的影响较大，而④为纵向遮挡，只遮挡了其中一个子串组，对光伏系统的影响较小。

表2 七种遮挡方式下的光伏系统的功率损失

3 光伏系统10%阴影遮挡对系统的影响

在以上研究的基础上进行了对光伏系统遮挡的实验研究，整个光伏系统遮挡10%，对不同遮挡位置对光伏系统输出特性的影响进行了研究，遮挡位置如图5所示，其中，⑧为横向遮挡整个光伏系统的最上方；⑨为横向遮挡整个系统的两排太阳电池之间；⑩为横向遮挡整个光伏系统的下方。

图5 光伏系统的三种遮挡方式

三种遮挡方式下系统的输出功率如图6所示，光伏系统的功率损失如表3所示，第⑩种遮挡方式造成的功率损失最大，达到100%；第⑨种遮挡方式造成的功率损失最小，为47.81%。通过对光伏系统不同遮挡位置的分析可知：

(1)第⑩种遮挡方式为完全遮挡光伏系统的一串太阳电池片，由之前的研究可知，将光伏组件的一串电池片遮挡后，光伏系统的输出功率大幅衰减，而当所有的光伏组件都被遮挡一串太阳电池后，光伏系统的输出功率便衰减殆尽；

图6 三种遮挡方式对光伏系统的影响

表3 三种遮挡方式下的光伏系统的功率损失

(2)第⑧种遮挡方式遮挡了太阳电池的大部分，而未被遮挡的部分仍能继续进行光电转换，但这部分的发电量很微弱，光伏系统输出功率衰减很大；

(3)第⑨种遮挡方式虽然对两排太阳电池均有遮挡，但根据以上实验，可知在一串太阳电池上未被遮挡的部分较⑧多，故⑨的功率衰减小于⑧。

4 结论

通过对光伏组件在不同比例下的局部阴影遮挡，以及光伏系统在10%的阴影遮挡下的系统输出特性进行了实验研究及分析，可知：(1)光伏系统中的任意一块光伏组件的遮挡都会对整个系统的输出功率造成衰减；当光伏组件有超过10%的部分被遮挡时，光伏系统的输出功率损失达85%以上；输出功率损失随着遮挡面积增大而增大；(2)光伏组件有10%的面积被遮挡时，不同遮挡位置对光伏系统造成的功率损失不同；相同遮挡比例下，集中遮挡造成的功率损失大于分散遮挡，遮挡越分散对光伏系统造成的功率衰减越小；(3)集中遮挡在多串太阳电池片上造成的功率损失大于集中遮挡在一串太阳电池片上。所以，光伏发电系统应当尽量建在环境空旷的地方，以避免周围建筑物、数木等在光伏系统上遮挡而引起输出功率的下降。

[1]吴小进，魏学业，于蓉蓉，等.复杂光照环境下光伏阵列输出特性研究[J].中国电机工程学报，2011，31(z1)：162-167.

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[3]KARATEPE E，BOZTEPE M，COLAK M.Development of a suitable model for characterizing photovoltaic arrays with shaded solar cells[J].Solar Energy，2007，81(8):977-992.

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[5]翟载腾，程晓舫，丁金磊，等.被部分遮挡的串联光伏组件输出特性[J].中国科学技术大学学报，2009，39(4)：398-402.

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[9]吴昊天，葛强，谈磊，等.局部阴影条件下光伏阵列最大功率点跟踪研究[J].扬州大学学报，2012，15(2)：52-55.

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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

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