遮挡效应：光伏电站性能不可忘却之殇

3.西北地区大型并网光伏电站现场检测及分析

3.1 现场遮挡类型分类

根据对西北地区某大型并网光伏电站进行的现场实地调研，组件被遮挡的情况随着安装所在地点和地形不同而有区别。总结起来，主要分为三种遮挡类型：(i)电线杆、配电房等配电设施的遮挡;(ii)植物、鸟粪等面积较小且不规则形状的遮挡;(iii)前排光伏阵列对后排光伏阵列的遮挡。

图3西北地区某大型并网光伏电站遮挡情况分类。

(a)电线杆遮挡;(b)配电房遮挡;(c)植物遮挡;(d)鸟粪遮挡;(e)跟踪式光伏阵列前排遮挡;(f)固定式光伏阵列前排遮挡。

3.1.1 电线杆与配电房的遮挡

为收集并输送光伏阵列所发电力，需要设置电线杆和线缆等;另外，配电房是光伏电站的关键部分，是逆变器、变压器等设备集中放置的地方。但如果电线杆和配电房的位置设计不当，与光伏阵列之间距离过小，就有可能对光伏阵列造成不用程度的遮挡，如图3(a)和(b)所示。从图3(b)可见，配电房的阴影可以对几个光伏阵列都造成遮挡影响。

3.1.2 植物和鸟粪的遮挡

中国西北地区荒漠化情况严重，建设光伏电站对生态友好，在治理西北荒漠化和保护生态环境中同时具备经济和环境效益[4]，在电站现场考察时就发现当地植被生长旺盛，且有大量群居的麻雀，然而，这就导致了在部分组件上出现落有鸟粪或被植物树叶遮挡的情况，如图3(c)和(d)所示。这些遮挡的特点是造成阴影的面积相对较小，形状不规则，且出现地点较为随机，需要对电站组件逐一检查才能实现完全排除。

3.1.3 前排光伏阵列对后排光伏阵列的遮挡

经过实地观察，当太阳高度角较小时，光伏电站中部分光伏阵列出现被前排阵列遮挡的现象。如图3(e)和(f)，照片拍摄在冬季11月份的一天，从该天的8：40至16：10，都有部分光伏阵列受到前排阵列的遮挡，形成这一现象主要由于光伏阵列之间的距离设置不当所致。原因是由于安装地点的地表结构存在差异，使光伏电站在施工过程中难以保证与设计图纸完全匹配，从而形成部分阵列在实际安装后与设计存在偏差，阵列之间距离过小，因此在太阳高度角较小的情况下造成前排阵列对后排阵列的大面积遮挡。

3.2 遮挡对组件输出特性的影响

在电站现场对阴影遮挡的典型例子进行了研究。所检测光伏阵列组件采用黄河公司的Huanghe220(30)p型号多晶硅组件，由60片156×156mm2多晶硅太阳电池组成，其中每20片电池并联一组旁路二极管，共三组旁路二极管。测试时间为2012年9月12日10：00am到11：00am，天气晴朗无云，太阳辐照度稳定，在850W/m2左右。测试仪器采用意大利HT公司的光伏组件I-V特性测试仪I-V400，在自然光下所测得数据经过仪器转换成标准测试条件下的输出特性曲线。

3.2.1 电线杆遮挡情况研究

为了收集和输送电站所发电力，在电站四周均立有不少电线杆，电线杆的阴影会随着日照情况而改变，有的几乎整个白天都有阴影落在阵列的受光面上，并且变化速度较快。在实验数据采集的10min内，4号组件左侧组件上的阴影就迅速移走并消失。所检测组件排列及电线杆遮挡情况如图4所示。采用HTI-V400依次快速采集1号至5号组件被电线杆遮挡后的电性能数据，如表4所列，组件I-V、P-V曲线如图5所示。

由于所检测组件中有三组旁路二极管，因此受遮挡组件I-V曲线最多出现3个台阶，P-V曲线具有3个峰值。对1号组件进行详细分析，由于每20片电池并联一个旁路二极管，因此可把1号组件从右到左设定为M1-1、M1-2、M1-3三条串联支路，三条支路中单片太阳电池被电线杆遮挡的最大面积依次为22.5%、90%、96%，因此可得。根据2.1的讨论，随着外接负载电阻的增大，当时，M1-2、M1-3的旁路二极管导通，输出M1-1的特性曲线;当时，只有M1-3的旁路二极管导通，输出M1-1、M1-2共同的特性曲线;当时，三组旁路二极管均处于阻断状态，输出M1-1、M1-2、M1-3的特性曲线。

同理，因为2号组件三条支路中单片太阳电池被电线杆遮挡的最大面积依次为96%、90%、96%，3号组件为96%、50%、0%，4号组件为0%、90%、96%，所以输出的I-V曲线同样具有3个“台阶”，P-V曲线具有3个峰值，断点是旁路二极管导通与阻断的转折点。由于利用HTI-V400测得阴影处平均光强为80W/m2，因此，即使组件中某片电池被完全遮挡，也仍然能有I-V曲线输出。5号组件由于未被遮挡，故I-V、P-V曲线与标准曲线保持一致。

虽然电线杆造成的阴影面积不大，但由于其窄长的形状特征，阴影在很多情况下是覆盖在多个组件的多条串联支路上，严重降低了光伏组件，甚至是整个光伏阵列的输出，故应尽量减少此类遮挡。为了避免电线杆对光伏阵列造成阴影，最有效的方法是在光伏电站的设计阶段就对电线杆和电缆的设置地点和走向进行详细的分析和排布。

3.2.2 植物与鸟粪遮挡情况研究

植物杂草与鸟粪对光伏组件造成遮挡的情况，在大型光伏电站中较为普遍。中国西北地区由于荒漠化治理取得了较好成果，且人烟稀少，给该地区的植被和鸟类提供了良好的生存和繁衍环境，因此，西北地区大型光伏电站组件受植物和鸟粪遮挡的情况更加突出。

对图3(c)受植物遮挡组件采用HTI-V400进行植物移除前后的现场电性能输出特性检测，检测数据如表5所列，组件I-V、P-V曲线如图6所示。

虽然植物造成的阴影面积较小，且形状不规律，但由于组件的三条串联支路上均落上了阴影，故输出的I-V曲线同样具有3个“台阶”、P-V曲线呈三峰状，且最大功率点功率输出只有植物移除后的50.12%。

较小面积且形状不规则的遮挡情况除了植物遮挡外，还需要考虑鸟粪的遮挡。对图3(d)受鸟粪遮挡的组件采用HTI-V400进行遮挡物清除前后的现场电性能输出特性检测，检测数据如表6所列，组件I-V、P-V曲线如图7所示。