遮挡效应：光伏电站性能不可忘却之殇

中国西北地区因其地域开阔、太阳能资源丰富的特点，成为了大型并网光伏电站良好的应用地区，然而在如此开阔的西北地区建设光伏电站，光伏组件和阵列仍然会受到阴影遮挡的影响。

摘要：

中国西北地区因其地域开阔、太阳能资源丰富的特点，成为了大型并网光伏电站良好的应用地区，然而在如此开阔的西北地区建设光伏电站，光伏组件和阵列仍然会受到阴影遮挡的影响。本文首先在实验室标准测试条件下，对带旁路二极管光伏组件在受到不同程度局部遮挡时的输出特性模型进行了验证。

根据中国西北地区某大型并网光伏电站的现场考察结果，总结了西北地区大型并网光伏电站的常见遮挡类型主要包括：配电房和电线杆遮挡，植物和鸟粪遮挡，以及组件的前后排遮挡。通过在光伏电站现场就不同的遮挡类型进行的组件输出特性测试，说明了遮挡对组件输出的影响非常明显。实地考察遮挡效应对西北地区大型并网光伏电站组件输出特性的影响，为大型光伏电站的运行和维护方案制定提供了实际依据。

1.引言

大型光伏电站一般需要设置在地域开阔、太阳能资源充足的地带。中国西北地区广泛分布着戈壁、沙漠和滩涂，非常适合于大面积铺设光伏组件和阵列;另外，西北大部分地区年平均太阳总辐射量为5400-6700MJ/m2以上，相当于1500-1861kWh/m2，与广东沿海地区的年平均太阳总辐射量1167-1500kWh/m2相比，太阳能资源较丰富。

因此，西北地区就成为了中国大型光伏电站较为理想的安装地点。除了考虑安装地点的地形和太阳能资源外，光伏电站在实际安装和运行过程中会碰到许多复杂的环境因素，其中不同遮挡物的遮挡对光伏组件和电站性能的影响，引起了业界和学术界广泛的关注与研究。

光伏组件在长期的户外使用过程中难免会落上树叶、鸟粪等遮挡物;另一方面，由于初步设计中存在失误或设计与电站现场实际地形地貌情况不一致等原因，在实际的光伏电站中，尤其是大型光伏电站，会出现周边建筑或电线杆对光伏组件造成遮挡，以及光伏阵列前后排之间造成遮挡等情况。

组件受光面受到局部遮挡，被部分或全遮挡的太阳电池因光生电流减少而相当于反向二极管(reversediode)成为了同一串列中其他正常工作太阳电池的负载(load)，它将被施以较高的反偏压(reversebias)并以发热的形式消耗部分功率，成为了所谓的“热斑”(hotspot)。热斑效应不但使太阳电池性能失配和输出性能下降，还会导致太阳电池甚至是组件的封装材料损坏，缩短组件使用寿命。

为了消除热斑效应，目前常用方法是在组件中加入旁路二极管。以晶体硅太阳电池组件为例，让多片串联的太阳电池反向并联一个或多个旁路二极管，当电池片串列中的电池由于部分或全遮挡等因素出现性能失配时，电池串两端承受的反偏压，对于旁路二极管而言则为正偏压并使之导通，过量的电流被旁路，且降低了太阳电池串列两端的反偏压，保护了与其并联的整个太阳电池串。

这种方法简单且可靠地避免了由于遮挡形成的热斑效应以及热斑效应对太阳电池和组件的损坏，但还是不可避免地影响了受遮挡组件输出特性。因此，建立带旁路二极管组件在遮挡情况下输出特性的数学模型，有助于更好地了解阴影遮挡对组件输出的影响。

在本文中，建立了晶体硅太阳电池组件的遮挡模型，并于实验室中采用标准测试条件，通过检测晶体硅组件在在不同程度遮挡条件下的输出特性对模型进行了验证。根据中国西北地区某大型并网光伏电站的现场考察结果，总结了西北地区大型并网光伏电站的常见遮挡类型，并对不同遮挡类型的组件输出特性进行了实地现场测试，并加以了详细的分析。

2.遮挡模型建立及验证

2.1 基于遮挡现象的组件输出数学模型

为分析被遮挡后光伏组件的输出特性，假设组件只有两片晶体硅太阳电池，每片电池均与一个旁路二极管并联，如图1所示。

在该模型中，认为每片太阳电池的参数一致，即在相同均匀光照强度下，它们产生相同的光生电流，两个旁路二极管都处于阻断状态，描述此时太阳电池组件输出特性的公式为(电池的并联内阻很大，对输出电流的影响可忽略不计)[b]：

其中，为光生电流;为反向饱和电流;为太阳电池串联内阻;为二极管影响因子;为电子电荷常熟，为;为温度;为波尔兹曼常数为。

旁路二极管的电流为

如图1所示，当其中一片电池被遮挡时，该太阳电池产生的光生电流减小，即，随着外接负载电阻逐渐增大，旁路二极管存在导通和阻断两种状态：

(1)当外接负载电阻较小时，组件输出电流较大，即，此时在与太阳电池1并联的旁路二极管1两端形成了正向偏压，使旁路二极管1导通，多出的输出电流从旁路二极管流过并对外输出。这个阶段相当于只有太阳电池2对外输出功率。

(2)随着外接负载电阻的增大，输出电流逐渐减小，当太阳电池2的输出电流等于太阳电池1受遮挡后的光生电流，即时，与太阳电池1并联的旁路二极管1两端开始形成反向偏压，旁路二极管1进入阻断状态。此时，太阳电池1和2都正常对外输出功率。

从上述分析可知，由于旁路二极管的存在，对受局部遮挡组件的输出特性有较为明显的改变，且输出特性曲线可以由分段函数来表达，分段函数中的断点是旁路二极管导通与阻断的转折点：

根据旁路二极管导通与阻断两个阶段对电路的影响，从理论上推测在串联了N个太阳电池的组件支路中并联了K组旁路二极管，当各支路上任何一片电池受到不同面积的阴影遮挡或不同强度的入射光强照射时，组件的I-V曲线将出现K个“台阶”，P-V曲线出现K个峰。

2.2 数学模型实验验证

为验证上述分段函数的准确性，在实验室中利用太阳模拟器进行遮挡实验，分析组件中单片太阳电池的遮挡面积与输出特性曲线的关系。实验在标准测试条件：AM1.5光谱，光强1000W/m2，环境温度25oC下进行，所用仪器为德国optosolar公司制造的ModuleTester，验证用组件为京瓷公司KC50T-1组件，组件在进行遮挡模型验证试验前进行了测试，性能符合标定参数。

利用不透光黑布依次遮挡组件中单片电池面积的0%、25%、50%、75%、100%，分别得到组件输出特性的I-V和P-V曲线，实验结果如图2和表2所示。

图2组件KC50T-1单片太阳电池受到0%、25%、50%、75%、100%遮挡后的输出特性曲线。

(a)I-V曲线;(b)P-V曲线

随着组件中单片电池受遮挡面积的逐步增大，开路电压Voc、短路电流Isc几乎不变。由于组件中并联有两组旁路二极管，故受到遮挡后的组件输出I-V曲线呈现出两个台阶，P-V曲线呈双峰状。而且，由于光生电流的大小与电池受光面积成正比，所以在两个旁路二极管都阻断的I-V曲线后半部分，组件的输出电流受遮挡电池的光生电流影响，也随着单片电池受遮挡面积的增大而成比例减小;当遮挡阴影落在多于一片太阳电池片上时，输出电流与受遮挡最多的单片电池所产生的电流一致。

另外，图2中遮挡100%遮挡单片电池片时的I-V、P-V曲线，后半段出现一段直线的原因是：在该段的组件输出电路和效率过低，仪器精度不足，无法收集数据。

以上实验测得的输出曲线，均符合基于遮挡现象的组件输出数学模型的描述，可见此模型能反映组件在受到遮挡时的电性能输出特征。