局部阴影条件下光伏组件的输出特性研究

1.1 实验方案

    根据工程运行实际，遮挡物在组件上形成的局部阴影会随着太阳运动而扩大在组件上形成的遮挡面积，或逐步移动形成横向或纵向贯穿组件的阴影遮挡。根据这一特点，本文利用不透光遮光板依次在 320 W 单晶硅光伏组件 (72 片 ) 上进行遮挡，形成不同面积、数量、分布方式的局部阴影；测试不同情况下光伏组件的输出电流、电压、功率等参数，并将实验所得数据修正到标准测试环境 (STC) 条件 ( 辐照度 1000 W/m2、电池温度 25 ℃、AM 1.5) 下进行对比和分析。

1.2  实验设备

1.2.1 实验的光伏组件

    本文选用 320 W 单晶硅光伏组件为实验对象，参数如表 1 所示。单块组件内旁路二极管的连接形式如图 1 所示。

表 1 STC 条件下 320 W 单晶硅光伏组件性能参数

图 1 实验组件旁路二极管连接形式示意图

1.3  实验仪器

   选用意大利 HT I-V 曲线测试仪 (I-V 400 W )进行现场实验测试。

1.4  实验条件

  实验在冬至日当天正午进行，首先对被测组件进行清洗以排除灰尘的影响，测试保持辐照度大于 700 W/m2、背板温度处于 58～60 ℃之间；然后利用不透光遮光板依次对阵列中纵向布置的光伏组件进行不同方式遮挡，记录被测组件的输出特性，并修正所有实验数据到 STC 条件下。

     首先利用 PVsyst 软件对受到局部阴影遮挡的光伏组件进行模拟仿真，分析不同面积、数量和位置上的局部阴影对组件功率输出影响的规律和特点。

2.1 不同遮挡面积和输出功率的关系

    如图 2 和图 3 所示，在单片电池片遮挡面积小于 50% 时，电池片所在子串的旁路二极管未被导通，功率的损失比例呈现上升趋势，而输出电流呈线性下降趋势，同时电压缓慢升高。当遮挡面积大于 50% 时，被遮挡电池片所在子串的旁路二极管被导通，该电池串被短路，整个电池组件的电压下降至 23 V 左右，组件的输出功率维持在200 W 左右，约为整个组件输出功率的 2/3。

2.2 不同遮挡数量、位置和光伏组件输出特性的关系

    以上对光伏组件局部遮挡的模拟分析都是基于单一电池片，当光伏组件中多个电池片同时被遮挡，情况就会比较复杂。

    同样以 320 W 单晶硅光伏组件为模拟分析对象，随机选择组件中的 3 块电池片，逐一进行遮挡，遮挡面积都是 80%，分别对 3 块电池片在同一电池子串( 情况 1)、分散在 2 个电池子串( 情况 2) 及分散在 3 个电池子串 ( 情况 3) 这 3 种不同情况下进行模拟分析，研究 3  种情况下局部阴影遮挡造成的组件功率损失，结果如表 2  所示。

表 2 不同遮挡位置对组件输出功率影响

    对表 2 进行分析后可知：当 3 块被遮挡的电池片处于同一电池子串内时，组件的输出功率损失与被遮挡的电池片数量无关，只有 1 个子串的旁路二极管被导通，输出功率损失在组件的 1/3 左右，如图 4 所示；当 3 块电池片分别分散于 2 个电池子串内时，其功率损失约为 2/3 的组件输出功率，也就意味着组件中的 2个旁路二极管所并联的电池片全部被旁路，如图 5 所示；当 3 块电池片分别分散于 3 个电池子串中时，3 个旁路二极管均被导通，功率损失十分严重，如图 6 所示，组件功率输出仅为 25.9 W。

图 5情况 2遮挡条件下的 I-V曲线

    通过软件模拟，初步分析得出了组件局部阴影遮挡和输出特性之间的关系，为进一步研究局部阴影遮挡对光伏组件输出特性影响，并验证软件模拟的分析结论，本文通过现场实验对不同遮挡比例和不同分布方式下的局部阴影所产生的影响进行研究。

图 7 现场被测试组件所在阵列

3.1 不同遮挡面积对光伏组件输出特性的影响

    利用不透光遮光板依次对被测光伏组件中任

意 1 块电池片进行遮挡，遮挡的面积分别为该电池片的 0%、30%、50%、70% 及 100%，测试光伏组件的输出特性，测试结果如表 3 所示。

   被测试组件由 72 片电池片串联组成，每 24 个电池片与一个旁路二极管并联。根据旁路二极管的“正向导通、反向截止”特性，当电池片正常工作时，旁路二极管反向截止，对电路不产生任何作用；但当与旁路二极管并联的电池片存在一个非正常工作的电池片时，整个线路的电力将由流经最小电流的电池片决定，即由遮挡电池片的面积决定；若反偏压高于电池片最小电压，旁路二极管导通，与之并联的电池片被旁路。

表 3 单块电池片遮挡对光伏组件输出特性影响实测数据

   由表 3 可知，在实测过程中，当电池片被遮挡面积在30% 以下时，流经该电池片的电流降低， 导致整个组件的输出功率在一定程度上有所降 低，但被遮挡电池片未被短路，其并联的旁路二极管仍处于截止状态；随着遮挡面积逐渐增大  ( 超过电池片面积 50%)，此时被遮挡电池片所并联的旁路二极管间存在较大反向偏压，二极管被导通，与此二极管并联的电池片被旁路；此后无论被遮挡电池片的遮挡面积增加多少，整个组件输出功率几乎没有变化，一直保持在 2/3 组件功率输出的工作状态，这一状态与软件模拟条件下的结论保持一致。

3.2 不同遮挡数量和位置对光伏组件输出特性的影响

   利用不透光遮光板依次对被测光伏组件进行遮挡，遮挡方式如图 8 所示；然后测试光伏组件的输出特性，结果如表 4 所示。

图 8 不同局部阴影遮挡方式

表 4 不同遮挡数量和位置对光伏组件输出特性的影响的实测数据

    由表 4 可知，在光伏组件中，不论被遮挡的电池片数量是多少，只要被遮挡的电池片处于同一子串中，就会影响这一子串的输出。如遮挡方式 1、2、7～17、19 和 20 中，被遮挡的电池片都并联于一个旁路二极管内，因此只有 1/3 的电池片会被短路，所造成的功率损失约在 29%，这与软件所模拟的情况 1 相符；遮挡方式 3～6 分别会对组件中的 2 个电池子串和 3 个电池子串造成影响，其造成的功率损失约在 60% 和 95%， 与软件所模拟情况 3 中的遮挡 2 块电池片和遮挡3 块电池片所造成的组件功率损失基本一致。

    遮挡方式 18 为遮挡 3 个子串中的 6 块电池片 50% 面积，其输出功率为 151.46 W，相比遮挡3 个子串中6 块电池片100% 面积( 遮挡方式6)， 功率损失要减少 41.73%。随着单片电池片上遮挡面积的减小，在遮挡方式 18 下，该组件的旁路二极管仍处于截止状态，未被导通，因此其输出功率较被完全导通时提高 134 W。

    另一方面，遮挡方式 20 与 21 遮挡的电池片数量虽然一样，但由于遮挡电池片在组件中遮挡的位置不一致，所导致的功率损失也不尽相同。遮挡方式 20 只影响了 1 个子串，因此组件功率输出为 224.85 W；而遮挡方式 21 在 3 个子串中都造成了遮挡影响，但在其中 1 个子串中遮挡的面积并不是很大，没有导致该子串被旁路，因此功率输出比同样对 3  个子串都造成遮挡影响的遮挡方式 5 高，为 98.62 W。