阴影遮挡条件下半片光伏组件横竖向安装时的发电量对比分析

慎小宝，田书凯，郝东威，樊华龙，李万军，董长安

(西安隆基清洁能源有限公司，西安 710018)

0 引言

随着全球性化石能源短缺、环境污染及气候变暖等问题日益严峻，大力发展新能源已成为全球热点问题。在能源领域，全球煤炭需求放缓，发达国家去煤、减煤速度不断加快，以中国为主的发展中国家也已积极开始控制煤炭使用量。光伏发电作为新能源中的佼佼者，以太阳能储量无限、无污染、不受地域限制等优势，在全球得到快速推广，2019年全球光伏发电装机容量高达114.9 GW，其中，中国光伏发电装机容量高达30.1 GW[1]。随着光伏行业新技术的不断发展与碳中和时代的到来，光伏电站通过精细化设计来降低投资成本和提高发电量的方式越来越受到光伏行业人员的重视。

早晨与傍晚时，光伏阵列前后排阴影遮挡是影响光伏电站发电量的主要原因之一。光伏发电系统中光伏阵列的前后排间距设计通常以当地冬至日真太阳时09:00～15:00期间光伏阵列前后排无阴影遮挡为原则；在该时间段内，光伏组件横向安装时与竖向安装时的发电量基本相同。但在早晨与傍晚期间，前后排光伏阵列阴影遮挡会导致光伏组件采用不同安装方式时的发电量存在一定差异[2]。针对传统的整片光伏组件而言，已有研究表明：整片光伏组件横向安装时的发电量比其竖向安装时的高[3]。

目前，新型半片光伏组件已占据大部分光伏市场，且其功率损耗比整片光伏组件低、发电量也更高。由于半片光伏组件版型设计与整片光伏组件完全不同，行业内关于横向、竖向安装对半片光伏组件发电量的影响并没有明确研究结论。基于此，本文结合太阳电池工作原理，运用LTspice电路仿真软件，对半片光伏组件采用不同安装方式时其光伏组串的输出功率进行了建模仿真分析，并通过实测数据对模型进行了验证，同时结合实测数据与仿真数据，分析讨论了不同安装及排布方式对光伏组串输出功率的影响，可为行业内工程设计提供参考。输出功率累计后即为发电量，因此本文实际分析中，以光伏组串输出功率作为组件不同安装方式下的瞬时分析数据，以输出功率累计值作为不同安装方式下的发电量对比数据。

1 半片光伏组件的建模仿真方法

太阳电池本质是一个p-n结，电子空穴对的产生、分离、输运是其工作中的3个核心过程。固态物理理论推导出的理想的太阳电池双二极管等效电路模型可以比较准确地描述太阳电池的伏安特性。太阳电池双二极管等效电路模型充分考虑了p-n结中性区域复合暗电流与空间耗尽区域复合暗电流对太阳电池暗电流的影响，尤其在弱光条件下，双二极管等效电路模型比单二极管等效电路模型更准确。

太阳电池双二极管等效电路模型中各参数的关系可表示为[4-5]：

式中：I为太阳电池的工作电流；Iph为太阳电池的光生电流；I01和I02分别为太阳电池对应的二极管的反向饱和电流；Rs为等效电路的串联电阻，主要由太阳电池的电极接触电阻与材料体电阻等因素产生；Rsh为等效电路的并联电阻，主要由太阳电池在制备过程中的漏电流引起[5-6]；n1和n2分别为太阳电池对应的二极管的理想因子；VT为热电压；V为太阳电池的工作电压。

Iph可用于衡量太阳电池产生电流的能力，其与太阳辐照度G、太阳电池的短路电流Isc、太阳电池的工作温度Tc之间存在特定关系。太阳电池建模仿真电路中，Iph可表示为：

式中：α为短路电流的温度系数，取值为0.00048。

理想因子用于评估p-n结的工艺质量与复合类型，其取值范围为1～2。电压源V(irr)用于模拟太阳电池接收的太阳辐照度G。

基于太阳电池双二极管等效电路模型，运用LTspice电路仿真软件对单片的半片太阳电池进行建模，如图1所示。图中：D1、D2均为二极管，D1用于描述电中性区的复合暗电流与表面复合暗电流；D2用于描述空间电荷区的复合暗电流[5, 7-8]。

图1 半片太阳电池的等效电路仿真模型Fig. 1 Equivalent circuit simulation model of half-cut solar cell

太阳电池复合暗电流产生机制示意图如图2所示，展示了光生载流子在太阳电池内部产生、输运与复合的过程。

图2 太阳电池复合暗电流产生机制示意图Fig. 2 Schematic diagram of composite dark current generation mechanism of solar cell

通过太阳电池实测I-V数据拟合获得模型中参数Isc、I01、I02、Rsh、Rs、n1、n2的数值[7]，其中，Isc=5.73 A、I01=2.12×10-11A、I02=1.83×10-6A、Rsh=500 Ω、Rs=0.004 Ω、n1=1、n2=2。可以将实际环境中测试得到的太阳辐照度与太阳电池工作温度输入到该半片太阳电池的等效电路仿真模型中，从而得到特定环境条件下的太阳电池的电性能参数。

将图1中的半片太阳电池的等效电路仿真模型与旁路二极管通过串并联组成半片光伏组件仿真模型。该半片光伏组件仿真模型以型号为LR4-72HPH的光伏组件为模板，为72版型的单面单玻半片光伏组件，该组件共采用144块半片太阳电池，尺寸为166 mm×83 mm，以“6×24”的方式排布，组件尺寸为2094 mm×1038 mm。半片光伏组件内部电路布局如图3所示。

图3 半片光伏组件的内部电路布局Fig. 3 Internal circuit layout of half-cut PV module

通过I-V测试，可以获得标准测试条件(STC)下半片光伏组件电性能参数的实测值。在半片光伏组件仿真模型中，可以获得该组件中每块太阳电池与二极管工作状态下的电流、电压等电性能参数的仿真值。半片光伏组件电性能参数的实测值与仿真值的对比如表1所示，半片光伏组件的I-V实测曲线与仿真曲线如图4所示。

表1 半片光伏组件电性能参数的实测值与仿真值对比Table 1 Comparison of measured values and simulated values of electrical performance parameters of half-cut PV module

图4 半片光伏组件的I-V实测曲线与仿真曲线Fig. 4 I-V measured curve and simulation curve of half-cut PV module

从表1和图4可以看出，半片光伏组件仿真模型得到的I-V仿真曲线与实测曲线的吻合程度较好，组件的Voc、Isc、Vmp、Imp、Pmax的仿真值与实测值之间的误差小于1%。因此，可以基于该半片光伏组件仿真模型对半片光伏组件的各类问题进行仿真研究分析，以辅助光伏发电系统的设计。

2 实验与仿真分析

2.1 阴影遮挡对横向、竖向安装的半片光伏组件输出性能的影响分析

在早晨与傍晚时间段，光伏方阵中前后排光伏阵列之间会存在阴影遮挡，从而引起不同安装方式时光伏组件的输出功率存在一定差异。不同安装方式时整片光伏组件的阴影遮挡情况如图5所示。

图5 不同安装方式时整片光伏组件的阴影遮挡情况Fig. 5 Shadow occlusion of whole PV module with different installation modes

如图5a所示，竖向安装的整片光伏组件，当第1排太阳电池被完全遮挡后，整个光伏组件的输出功率基本为零。如图5b所示，横向安装的整片光伏组件，当第1排太阳电池被完全遮挡后，整个光伏组件的输出功率为原输出功率的2/3。综上，整片光伏组件更适合采用横向安装方式[3]。

本文分别对横向、竖向安装的半片光伏组件进行阴影遮挡实验。本实验采用PROFITESTPV1500I-V测试仪对光伏组件进行输出功率测试。实验要求太阳辐照度大于800 W/m2，采用不透光板对半片光伏组件进行遮挡实验；以组件中最下方的一排太阳电池作为第1排，实验过程中逐次增加阴影遮挡长度；最后将室外测试得到的实测数据转换到STC下，对不同安装方式的实测数据和通过仿真模型得到的仿真数据进行对比分析。不同安装方式时的半片光伏组件阴影遮挡实验如图6所示。

图6 半片光伏组件的阴影遮挡实验Fig. 6 Shadow occlusion experiment of half-cut PV modules

通过阴影遮挡实验得到不同安装方式时半片光伏组件输出功率实测值，通过半片光伏组件仿真模型得到不同安装方式时半片光伏组件输出功率仿真值，实测值与仿真值随阴影遮挡长度变化的对比情况如图7所示。

图7 不同安装方式时半片光伏组件输出功率实测值与仿真值的对比Fig. 7 Comparison between measured values and simulation values of half-cut PV module output power under different installation modes

从图7可以看出：无论是横向安装还是竖向安装，随着阴影遮挡长度的增加，半片光伏组件输出功率的仿真值与实测值基本吻合，变化趋势基本相同。

结合图6a、图7a可以看出：半片光伏组件采用竖向安装时，组件内共有24排太阳电池，当第1排太阳电池被完全遮挡时，组件的输出功率为原输出功率的1/2；在第13排太阳电池未被遮挡之前，组件的输出功率一直保持在原输出功率的1/2；当第13排太阳电池被完全遮挡后，组件的输出功率基本为零。

结合图6b、图7b可以看出：半片光伏组件采用横向安装时，组件内共有6排太阳电池，当第1排太阳电池被完全遮挡时，组件的输出功率为原输出功率的2/3；在第3排太阳电池未被遮挡之前，组件的输出功率一直保持在原输出功率的2/3；当第3排太阳电池被完全遮挡后，组件的输出功率为原输出功率的1/3；当第5排太阳电池被完全遮挡后，组件的输出功率基本为零。

通过图7a与图7b的对比可以看出：整片光伏组件的阴影遮挡理论不再适用于半片光伏组件；在完全遮挡第1排太阳电池的条件下，半片光伏组件采用横向安装时的输出功率比竖向安装时的大，抗阴影遮挡能力更强。

2.2 不同散射光占比阴影遮挡环境下不同排布方式光伏组串输出性能的对比分析

在实际光伏电站中，早晨与傍晚时段光伏组件上的阴影遮挡区域实际并不是完全不透光遮挡，环境中的散射光及经过物体的漫反射光会作用于光伏组串，使被遮挡区域的太阳电池仍然具有功率输出，进而影响整个光伏组串的输出功率。早晚光伏阵列之间的阴影遮挡实际情况如图8所示。

图8 早晚光伏阵列之间的阴影遮挡实际情况Fig. 8 Actual situation of shadow occlusion between PV arrays in the morning and in the evening

光伏组串的排布方式主要为“C”字型和“一”字型2种。横向安装光伏组件时，光伏组串的排布方式为“C”字型(下文简称为“横装C字型”)；竖向安装光伏组件时，光伏组串的排布方式为“一”字型(下文简称为“竖装一字型”)。本文分别针对横装C字型和竖装一字型排布方式设置了2种光伏组串阴影遮挡仿真实验方案，每个实验方案均设置1个由20块光伏组件串联组成的光伏组串。光伏组串采用横装C字型方式排布时，其光伏组件采用横向2排共10列的方式安装；采用竖装一字型方式排布时，其光伏组件采用竖向1排共20列的方式安装。不同排布方式时仿真实验方案的参数设置如表2所示，示意图如图9所示。

表2 不同排布方式时仿真实验方案的参数设置Table 2 Parameter setting of simulation experiment schemes in different arrangement modes

图9 光伏组串不同排布方式示意图Fig. 9 Schematic diagram of different arrangement modes of PV string

为研究不同散射光占比(分析时用透光率来表征散射光占比)阴影遮挡环境对不同排布方式下光伏组串输出功率的影响，本文在单块半片光伏组件仿真模型的基础上，搭建了横装C字型和竖装一字型2种光伏组串阴影遮挡仿真模型。在该仿真模型中，基于控制变量法设置光伏组件工作在STC下，即：太阳辐照度为1000 W/m2，光伏组件的工作温度为25 ℃。

设置光伏组件没有阴影遮挡时，其接收的太阳辐照度为1000 W/m2；在光伏组件存在阴影遮挡时，设置了完全遮挡、5%透光遮挡、15%透光遮挡、25%透光遮挡、30%透光遮挡、35%透光遮挡6种散射光占比环境下阴影遮挡模式。以5%透光遮挡的散射光占比环境下阴影遮挡模式为例，5%透光遮挡是指光伏组件未被阴影遮挡区域接收到的太阳辐照度为1000 W/m2，阴影遮挡区域的透光率为5%，即被阴影遮挡区域接收到的太阳辐照度为50 W/m2。

6种散射光占比阴影遮挡模式下，不同排布方式时光伏组串输出功率与阴影遮挡长度之间的关系如图10所示。

从图10可以看出，随着阴影遮挡长度的增加，阴影遮挡面积不断增大，无论排布方式采用横装C字型还是竖装一字型，光伏组串输出功率均呈现不断减小的趋势。

图10 在6种散射光占比阴影遮挡模式下，光伏组串输出功率与阴影遮挡长度之间的关系Fig. 10 Relationship between output power of PV string and shadow occlusion length under six kinds of scattered light ratio shadow occlusion modes

在整个遮挡面积递增过程中，对光伏组串输出功率曲线进行积分，结果表明：当阴影遮挡区域的透光率小于等于30%时，横装C字型的光伏组串输出功率累计值比竖装一字型光伏组串的大；在阴影遮挡区域的透光率大于30%之后，竖装一字型的光伏组串输出功率累计值大于横装C字型光伏组串的；且随着阴影遮挡区域的透光率逐渐增加，竖装一字型光伏组串的抗阴影遮挡能力逐渐优于横装C字型光伏组串的。横装C字型、竖装一字型的光伏组串在不同阴影遮挡面积条件下各有优势。

分析结果表明：当散射光占比大于30%时，竖装一字型光伏组串的抗阴影遮挡能力强于横装C字型光伏组串的；阴影遮挡区域的透光率越高(即环境散射光占比越大)，竖装一字型光伏组串的抗阴影遮挡能力优势越明显。综上所述，散射光占比、阴影遮挡面积大小均是导致光伏组件横向、竖向安装发电量差异的主要原因。

2.3 光伏组串实测值与仿真值的对比分析

为了进一步完善光伏组串阴影遮挡仿真模型，本文在山西某光伏电站进行了实验测试，对光伏组串分别采用竖装一字型与横装C字型排布方式时的输出功率实测值和仿真值进行对比分析。测试时间为2020年10月29日，光伏组件安装倾角为21°，每串光伏组串中的光伏组件数量为20块，光伏组件的电性能参数的实测值与仿真值见前文表1，光伏组串安装详细情况见前文表2和图9。

选择测试当天16:55～17:15时间段的数据进行分析，项目所在地实测太阳辐照度、光伏组件工作温度，以及不同排布方式时光伏组串输出功率的实测值及仿真值等数据如表3所示。

表3 项目所在地光伏组串输出功率实测值与仿真值对比Table 3 Comparison between measured values and simulated values of PV string output power at the project location

不同排布方式下，项目所在地光伏组串输出功率的实测值及仿真值随时间变化关系如图11所示，光伏组串输出功率的实测累计值与仿真累计值的对比情况如表4所示。

图11 光伏组串输出功率实测值与仿真值随时间变化关系Fig. 11 Relationship between measured values and simulation values of PV string output power with time

表4 光伏组串输出功率实测累计值与仿真累计值对比Table 4 Comparison between measured cumulative values and simulated cumulative values of PV string output power

从图11和表4可以看出，光伏组串输出功率仿真结果与实测结果的趋势基本一致，仿真误差率在4.02%以内。仿真结果与实测结果均表明：在测试当天16:55～17:15时间段内，随着太阳高度角的降低，光伏阵列前排对后排的阴影遮挡面积不断增加，横装C字型与竖装一字型时光伏组串输出功率也均随之减小；在该时间段内，竖装一字型光伏组串输出功率优于横装C型光伏组串输出功率。通过观察散射光占比情况可以发现，在该时间段内，环境中散射光占比均大于30%，则该实测结果也验证了前文2.2节中结论的准确性，并验证了所建立的光伏组串阴影遮挡仿真模型的准确性。因此，光伏组串阴影遮挡仿真模型可较为准确地反映阴影遮挡对光伏组串输出性能的影响。

3 结论

本文结合太阳电池工作原理与实验测试，针对阴影遮挡问题，对新型半片光伏组件和光伏组串采用不同安装方式时的输出功率进行了建模仿真分析，并通过实际光伏发电项目进行了实验测试，验证了所建立的光伏组串阴影遮挡仿真模型具有较好的准确性。实验结论与仿真结论均证明：由于半片光伏组件版型设计与整片光伏组件完全不同，因此整片光伏组件的阴影遮挡理论不适用于半片光伏组件；半片光伏组件采用竖向安装时，其第1排太阳电池被阴影遮挡时，光伏组件输出功率为原输出功率的1/2；在光伏组串数量相同条件下，半片光伏组件采用竖向安装、一字型排布与采用横向安装、C字型排布相比，在不同光伏阵列前后排阴影遮挡条件下各有优势；环境中散射光占比越大，竖向安装、一字型排布时光伏组串的抗阴影遮挡优势越明显；环境中散射光占比、阴影遮挡面积的大小均是影响光伏组件横向、竖向安装发电量差异的主要原因。