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摘要：

中國(guó)西北地區(qū)因其地域開(kāi)闊、太陽(yáng)能資源豐富的特點(diǎn)，成為了大型并網(wǎng)光伏電站良好的應(yīng)用地區(qū)，然而在如此開(kāi)闊的西北地區(qū)建設(shè)光伏電站，光伏組件和陣列仍然會(huì)受到陰影遮擋的影響。本文首先在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，對(duì)帶旁路二極管光伏組件在受到不同程度局部遮擋時(shí)的輸出特性模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

根據(jù)中國(guó)西北地區(qū)某大型并網(wǎng)光伏電站的現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果，總結(jié)了西北地區(qū)大型并網(wǎng)光伏電站的常見(jiàn)遮擋類(lèi)型主要包括：配電房和電線桿遮擋，植物和鳥(niǎo)糞遮擋，以及組件的前后排遮擋。通過(guò)在光伏電站現(xiàn)場(chǎng)就不同的遮擋類(lèi)型進(jìn)行的組件輸出特性測(cè)試，說(shuō)明了遮擋對(duì)組件輸出的影響非常明顯。實(shí)地考察遮擋效應(yīng)對(duì)西北地區(qū)大型并網(wǎng)光伏電站組件輸出特性的影響，為大型光伏電站的運(yùn)行和維護(hù)方案制定提供了實(shí)際依據(jù)。

1. 引言

大型光伏電站一般需要設(shè)置在地域開(kāi)闊、太陽(yáng)能資源充足的地帶。中國(guó)西北地區(qū)廣泛分布著戈壁、沙漠和灘涂，非常適合于大面積鋪設(shè)光伏組件和陣列；另外，西北大部分地區(qū)年平均太陽(yáng)總輻射量為5400-6700 MJ/m2以上，相當(dāng)于1500-1861 kWh/m2，與廣東沿海地區(qū)的年平均太陽(yáng)總輻射量1167-1500 kWh/m2相比，太陽(yáng)能資源較豐富。

因此，西北地區(qū)就成為了中國(guó)大型光伏電站較為理想的安裝地點(diǎn)。除了考慮安裝地點(diǎn)的地形和太陽(yáng)能資源外，光伏電站在實(shí)際安裝和運(yùn)行過(guò)程中會(huì)碰到許多復(fù)雜的環(huán)境因素，其中不同遮擋物的遮擋對(duì)光伏組件和電站性能的影響，引起了業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注與研究。

光伏組件在長(zhǎng)期的戶外使用過(guò)程中難免會(huì)落上樹(shù)葉、鳥(niǎo)糞等遮擋物；另一方面，由于初步設(shè)計(jì)中存在失誤或設(shè)計(jì)與電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形地貌情況不一致等原因，在實(shí)際的光伏電站中，尤其是大型光伏電站，會(huì)出現(xiàn)周邊建筑或電線桿對(duì)光伏組件造成遮擋，以及光伏陣列前后排之間造成遮擋等情況。

組件受光面受到局部遮擋，被部分或全遮擋的太陽(yáng)電池因光生電流減少而相當(dāng)于反向二極管（reverse diode）成為了同一串列中其他正常工作太陽(yáng)電池的負(fù)載（load），它將被施以較高的反偏壓（reverse bias）并以發(fā)熱的形式消耗部分功率，成為了所謂的“熱斑”（hot spot）。熱斑效應(yīng)不但使太陽(yáng)電池性能失配和輸出性能下降，還會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)電池甚至是組件的封裝材料損壞，縮短組件使用壽命。

為了消除熱斑效應(yīng)，目前常用方法是在組件中加入旁路二極管。以晶體硅太陽(yáng)電池組件為例，讓多片串聯(lián)的太陽(yáng)電池反向并聯(lián)一個(gè)或多個(gè)旁路二極管，當(dāng)電池片串列中的電池由于部分或全遮擋等因素出現(xiàn)性能失配時(shí)，電池串兩端承受的反偏壓，對(duì)于旁路二極管而言則為正偏壓并使之導(dǎo)通，過(guò)量的電流被旁路，且降低了太陽(yáng)電池串列兩端的反偏壓，保護(hù)了與其并聯(lián)的整個(gè)太陽(yáng)電池串。

這種方法簡(jiǎn)單且可靠地避免了由于遮擋形成的熱斑效應(yīng)以及熱斑效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)電池和組件的損壞，但還是不可避免地影響了受遮擋組件輸出特性。因此，建立帶旁路二極管組件在遮擋情況下輸出特性的數(shù)學(xué)模型，有助于更好地了解陰影遮擋對(duì)組件輸出的影響。

在本文中，建立了晶體硅太陽(yáng)電池組件的遮擋模型，并于實(shí)驗(yàn)室中采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，通過(guò)檢測(cè)晶體硅組件在在不同程度遮擋條件下的輸出特性對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)中國(guó)西北地區(qū)某大型并網(wǎng)光伏電站的現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果，總結(jié)了西北地區(qū)大型并網(wǎng)光伏電站的常見(jiàn)遮擋類(lèi)型，并對(duì)不同遮擋類(lèi)型的組件輸出特性進(jìn)行了實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并加以了詳細(xì)的分析。
1. Introduction


2. 遮擋模型建立及驗(yàn)證

2.1 基于遮擋現(xiàn)象的組件輸出數(shù)學(xué)模型

為分析被遮擋后光伏組件的輸出特性，假設(shè)組件只有兩片晶體硅太陽(yáng)電池，每片電池均與一個(gè)旁路二極管并聯(lián)，如圖1所示。
其中，為光生電流；為反向飽和電流；為太陽(yáng)電池串聯(lián)內(nèi)阻；為二極管影響因子；為電子電荷常熟，為；為溫度；為波爾茲曼常數(shù)，為。
旁路二極管的電流為
根據(jù)旁路二極管導(dǎo)通與阻斷兩個(gè)階段對(duì)電路的影響，從理論上推測(cè)在串聯(lián)了N個(gè)太陽(yáng)電池的組件支路中并聯(lián)了K組旁路二極管，當(dāng)各支路上任何一片電池受到不同面積的陰影遮擋或不同強(qiáng)度的入射光強(qiáng)照射時(shí)，組件的I-V曲線將出現(xiàn)K個(gè)“臺(tái)階”，P-V曲線出現(xiàn)K個(gè)峰。