局部阴影遮挡下大尺寸光伏组件的输出特性研究

林皓 孙晓寅 陈昊旻

摘 要：以太阳电池尺寸为210 mm×105 mm、电路结构为并串结构的大尺寸光伏组件为例，首先分析单片太阳电池不同阴影遮挡比例时的情况，然后分析光伏组件6种不同阴影遮挡比例和18种典型阴影遮挡位置和形状对大尺寸光伏组件输出特性的影响。结果表明：随着单片太阳电池阴影遮挡比例不断增大，二极管始终未导通，但光伏组件的最大功率逐渐降低，最后降至初始功率的2/3；阴影遮挡比例对采用并串电路结构的大尺寸光伏组件的I-V特性的影响是非线性的。对于整块光伏组件而言，阴影遮挡比例越大，光伏组件的最大功率越小；在同一阴影遮挡比例下，集中阴影遮挡对光伏组件最大功率损失的影响更大。

关键词：局部阴影遮挡；大尺寸；太阳电池；光伏组件；输出特性研究；并串电路结构

中图分类号：TK514 文献标志码：A

0  引言

光伏组件的输出功率容易受到建筑、山体、乌云、树木等障碍物形成的局部阴影遮挡的影响，这些阴影遮挡会造成光伏组件中各片太阳电池产生的电流大小不一，导致光伏组件的输出功率降低。而每块光伏组件的输出功率不一致，容易造成光伏阵列出现失配损失[1]，甚至导致光伏组件出现热斑效应[2]，从而大幅降低整个光伏阵列的发电效率。虽然国内外对局部阴影遮挡下光伏组件的性能情况已进行了多方面的研究，但主要是针对常规尺寸的光伏组件[3-7]。这些光伏组件的太阳电池尺寸大多是156 mm，且都是采用整片串联的结构，这与目前主流的采用182 mm或210 mm尺寸太阳电池的大尺寸光伏组件存在较大差异。

针对上述情况，本文以太阳电池尺寸为210 mm×105 mm，电路结构为并串结构的大尺寸光伏组件为例，首先分析单片太阳电池不同阴影遮挡比例时的情况，然后分析光伏组件6种不同阴影遮挡比例、18种典型阴影遮挡位置和形状对大尺寸光伏组件输出特性的影响。

1  实验方案与设备

1.1  实验方案

在光伏电站的实际应用中，大尺寸光伏组件一般横向放置，此时光伏组件受到的局部阴影遮挡比例、位置和形状不是一成不变的。因此，本文利用黑色遮光板形成不同遮挡比例、位置和形状的局部阴影遮挡，模拟现实中出现的光伏组件阴影遮挡情况。首先，对单片太阳电池在不同阴影遮挡比例时的情况进行实验，分析光伏组件的I-V特性和二极管的工作状态；其次，对光伏组件表面进行不同比例的阴影遮挡，以确定不同阴影遮挡比例对光伏组件功率损失的影响；最后，使用同一阴影遮挡比例，对比不同位置和形状的阴影遮挡对光伏组件输出特性的影响。依据IEC 60904-1：2020《光伏器件——第1部分：光伏电流-电压特性的测量》对光伏组件进行I-V特性测试，从而获得电流、电压、输出功率等参数数据。

1.2  实验设备

实验用光伏组件采用650 W半片双玻单晶硅光伏组件，其铭牌参数如表1所示。

该实验用光伏组件由132片太阳电池组成，且采用并串电路结构；光伏组件已分别依据IEC 61215-1：2021、IEC 61215-1-1：2021和IEC 61215-2：2021完成稳定性测试。单块光伏组件的内部电路结构示意图如图1所示。实验所用的模拟器为瑞士PASAN公司生产的3A级太阳光模拟器。

2 不同阴影遮挡情况下大尺寸光伏组件的输出特性研究

2.1 单片太阳电池不同阴影遮挡比例对光伏组件输出特性的影响

随机选取光伏组件中的1片太阳电池，使用黑色遮光板进行阴影遮挡，遮挡比例以10%为间隔，逐步由0%增加至100%，分别测试单片太阳电池不同阴影遮挡比例下光伏组件的输出特性。单片太阳电池不同阴影遮挡比例时，光伏组件的最大功率损失比例、最大功率点电压、最大功率点电流情况分别如图2、图3所示。

结合图2和图3可以发现：单片太阳电池阴影遮挡比例对光伏组件I-V特性的影响是非线性的，这得益于大尺寸光伏组件的并串电路结构。当单片太阳电池阴影遮挡比例小于90%时，随着阴影遮挡比例增加，光伏组件的最大功率点电流逐渐降低，最大功率点电压逐渐上升，光伏组件的输出功率逐渐降低；当单片太阳电池阴影遮挡比例为100%时，光伏组件的最大功率点电流急剧上升，最大功率点电压急剧下降，光伏组件的输出功率大约降至初始输出功率的2/3。

利用太阳光模拟器得到单片太阳电池不同阴影遮挡比例时，光伏组件的I-V曲线，如图4所示。

从图4可以看出：随着单片太阳电池的阴影遮挡面积不断增加，光伏组件的I-V曲线拐点不断往左下方偏移；当阴影遮挡比例为100%时，I-V曲线的拐点处电流为短路电流的一半。这是因为被阴影遮挡的太阳电池产生了热斑效应，且二极管并未导通。当单片太阳电池的阴影遮挡比例为100%时，图1中左侧支路仅有两路工作，工作电流减小为左右两侧同时工作时的一半，左侧支路里上、中、下3个部分太阳电池串联，所以整个光伏组件的工作电流减小为正常情况下的一半。

2.2 整块光伏组件不同阴影遮挡比例对光伏组件输出特性的影响

由于实际使用时大尺寸光伏组件一般为横向放置，因此用黑色遮光板對光伏组件进行横向阴影遮挡，阴影遮挡比例以10%为间隔，逐步由0%增加至60%，分别测试各个阴影遮挡比例下光伏组件的输出特性。整块光伏组件阴影遮挡示意图如图5所示。

不同阴影遮挡比例下光伏组件的输出特性测试结果如表2所示。表中，FF为填充因子。

由表2可知：阴影遮挡比例越大，光伏组件的最大功率越小。当阴影遮挡比例从0%增大到10%，光伏组件的最大功率损失比例迅速升高；当阴影遮挡比例为10%～30%时，光伏组件的最大功率损失比例约为35%；当阴影遮挡比例为40%时，光伏组件的最大功率损失比例约为61%；当阴影遮挡比例达到50%和60%时，光伏组件的最大功率损失比例分别约为70%和69%，均接近光伏组件初始功率的2/3。

不同阴影遮挡比例下光伏组件的I-V曲线和P-V曲线如图6所示。

结合表2，由图6可知：当阴影遮挡比例为10%时，光伏组件的最大功率损失比例达到35%左右，但I-V曲线拐点处电流为短路电流的1/2，此时二极管还是处于截止状态。当阴影遮挡比例为20%和30%时，光伏组件的最大功率损失比例仍然在35%左右，漏电流小于1 A，此时第1个二极管打开。当阴影遮挡比例为40%时，光伏组件的最大功率损失比例约为61%，此时I-V曲线有两个拐点，第1个拐点接近短路电流的1/2，意味着第2个二极管未打开，电流从并联的支路流通；第2个拐点则意味着第1个二极管保持着打开状态。当阴影遮挡比例为50%和60%时，光伏组件的最大功率损失比例在69%左右，漏电流小于1 A，此时第1个二极管和第2个二极管同时打开。

2.3 同一阴影遮挡比例下，不同阴影遮挡位置和形状对光伏组件输出特性的影响

通过以上实验可以发现：当对单片太阳电池进行全部阴影遮挡时，也就是只要1串支路不工作时，光伏组件的最大功率损失比例较大。为研究同一阴影遮挡比例下，不同阴影遮挡位置和遮挡形状对光伏组件输出特性的影响，本文采用了18种典型的阴影遮挡方式，把遮光板面积分为整块、1/2块和1/3块，再放置于光伏组件的不同位置，具体摆放方式如图7所示。为方便展示阴影遮挡位置，图中的光伏组件图片均为旋转90°后显示。

18种典型阴影遮挡方式下光伏组件的输出特性如表3所示。

从表3可以看出：第2和第9种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响最大，最大功率损失比例达到40%以上；第5和第16种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响最小，最大功率损失比例仅不到10%；第11、14、17、18种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响较为接近，最大功率损失比例在10%～13%之间；第1、3、4、7、8、10、12、13、15种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响较大，最大功率损失比例在16%～28%之间；第6种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响也比较典型，最大功率损失比例为33.85%。

通过对同一阴影遮挡比例，不同阴影遮挡形状和位置时的数据进行分析发现：

1） 第1、2、3、8、9、14、15种阴影遮挡方式均为横向阴影遮挡。其中，第1～3种阴影遮挡方式为遮光板整块横向阴影遮挡，第8、9种阴影遮挡方式为遮光板平均分成两部分横向阴影遮挡，第14、15种阴影遮挡方式为遮光板平均分成3部分横向阴影遮挡。

第2、9种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响最大，最大功率损失比例为40%～48%。之所以这两种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响最大，是因为这两种方式中的3串电路都被阴影遮挡了。不过第2种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响大于第9种阴影遮挡方式的，是因为前者为集中阴影遮挡，后者为分散阴影遮挡。

第1、3、8、15种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响居中，最大功率损失比例为19%～28%。其中，第1、8、15种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响较为接近，而第3种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响相对较大，这是因为第1、3种阴影遮挡方式都属于集中阴影遮挡，但第3种阴影遮挡方式为横向阴影遮挡在两排太阳电池上，与第8、15种阴影遮挡方式的分散阴影遮挡类似。

第14种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响最小，只有约13%。这是因为此种阴影遮挡方式属于分散阴影遮挡，且只影响了光伏组件一半的电路。

2）第4～7种阴影遮挡方式均为竖向阴影遮挡。其中，第6种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响最大，最大功率损失比例为33.85%。这是因为第6种阴影遮挡方式属于集中阴影遮挡，且涉及上下两部分电路。第4、7种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响居中且较为接近，最大功率损失比例分别为16.79%和20.96%。这是因为第4种阴影遮挡方式属于整片太阳电池阴影遮挡，但是只涉及上半部分电路，而第7种阴影遮挡方式属于半片太阳电池阴影遮挡，但涉及上下两部分电路。第5种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响最小，最大功率损失比例只有7.31%。这是因为此种阴影遮挡方式属于半片太阳电池阴影遮挡，且只涉及上部分电路。

3）第2、4种阴影遮挡方式分别为横向和纵向阴影遮挡。第2种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响比第4种阴影遮挡方式高出近3倍，这是因为光伏组件为并串电路结构，因此第2种阴影遮挡方式影响了上半部分所有电路，而第4种阴影遮挡方式只影响了一串电路。

4）第10～13种阴影遮挡方式为遮光板平均分成两部分的斜向阴影遮挡，其中，第10、12、13种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响较为接近，而第11种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响最低。这是因为第10、12、13种阴影遮挡方式均涉及上下两部分电路，而第11种阴影遮挡方式只涉及上部分电路。

5）第16～18种阴影遮挡方式为遮光板平均分成3部分的斜向阴影遮挡，其中，第17、18种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影響较为接近，而第16种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响最低，这是因为第17、18种阴影遮挡方式均涉及上下两部分电路，而第16种阴影遮挡方式只涉及上部分电路。

6） 第16种阴影遮挡方式对光伏组件最大功率的影响比第11种阴影遮挡方式低近一半，这又充分说明了在同一阴影遮挡比例下，集中阴影遮挡对光伏组件最大功率的影响大于分散阴影遮挡时。

3  结论

本文以太阳电池尺寸为210 mm×105 mm，电路结构为并串结构的大尺寸光伏组件为例，分析了单片太阳电池不同阴影遮挡比例时的情况，并分析了光伏组件6种不同阴影遮挡比例和18种典型阴影遮挡位置和形状对大尺寸光伏组件输出特性的影响，得到以下结论：

1）当单片太阳电池阴影遮挡比例小于90%时，随着阴影遮挡比例增加，光伏组件的最大功率点电流逐渐降低，最大功率点电压逐渐上升，光伏组件的输出功率逐漸降低。当单片太阳电池阴影遮挡比例为100%时，光伏组件的最大功率点电流急剧上升，最大功率点电压急剧下降，光伏组件的输出功率大约降至初始功率的2/3。但不管单片太阳电池阴影遮挡比例为多少，二极管均未导通。

2）当光伏组件的面积被阴影遮挡10%～30%时，光伏组件的最大功率损失比例接近；当光伏组件的面积被阴影遮挡50%～60%时，光伏组件的最大功率损失比例也较为接近。

3）当光伏组件在同一阴影遮挡比例下时，集中阴影遮挡对光伏组件最大功率的影响大于分散阴影遮挡时。阴影遮挡时涉及到的串联电路越多，对光伏组件最大功率的影响就越大。

[参考文献]

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OUTPUT CHARACTERISTICS study of large size PV modules

under partial shadow OCCLUSION

Lin Hao，Sun Xiaoyin，Chen Haomin

（Wuxi Institute of Inspection，Testing and Certification，Wuxi  214000，China）

Abstract：This paper takes a large PV module with a solar cell size of 210 mm×105 mm and a circuit structure of parallel series structure as an example，first analyze the different shadow occlusion ratios of a single solar cell，and then analyze the impact of 6 different shadow occlusion ratios and 18 shadow occlusion positions and shapes of the PV module on the output characteristics of the large PV module. The results show that with the increase of the shadow occlusion ratio of the single solar cell，the diode is not connected all the time，but the maximum power of the PV module gradually decreases，and finally decreases to 2/3 of the initial power. The influence of shadow occlusion ratio on the I-V characteristics of large size PV modules with parallel series circuit structure is nonlinear. For a whole PV module，the larger the shadow shielding ratio，the smaller the maximum power of the PV module. At the same shadow shielding ratio，concentrated shadow shielding has a greater impact on the maximum power loss of PV modules.

Keywords：partial shadow occlusion；large size；solar cells；PV modules；output characteristic；parallel series circuit structure