慎小寶，田書凱，郝東威，樊華龍，李萬軍，董長安

(西安隆基清潔能源有限公司，西安 710018)

0 引言

隨著全球性化石能源短缺、環(huán)境污染及氣候變暖等問題日益嚴(yán)峻，大力發(fā)展新能源已成為全球熱點(diǎn)問題。在能源領(lǐng)域，全球煤炭需求放緩，發(fā)達(dá)國家去煤、減煤速度不斷加快，以中國為主的發(fā)展中國家也已積極開始控制煤炭使用量。光伏發(fā)電作為新能源中的佼佼者，以太陽能儲量無限、無污染、不受地域限制等優(yōu)勢，在全球得到快速推廣，2019年全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量高達(dá)114.9 GW，其中，中國光伏發(fā)電裝機(jī)容量高達(dá)30.1 GW[1]。隨著光伏行業(yè)新技術(shù)的不斷發(fā)展與碳中和時代的到來，光伏電站通過精細(xì)化設(shè)計來降低投資成本和提高發(fā)電量的方式越來越受到光伏行業(yè)人員的重視。

早晨與傍晚時，光伏陣列前后排陰影遮擋是影響光伏電站發(fā)電量的主要原因之一。光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏陣列的前后排間距設(shè)計通常以當(dāng)?shù)囟寥照嫣枙r09:00～15:00期間光伏陣列前后排無陰影遮擋為原則；在該時間段內(nèi)，光伏組件橫向安裝時與豎向安裝時的發(fā)電量基本相同。但在早晨與傍晚期間，前后排光伏陣列陰影遮擋會導(dǎo)致光伏組件采用不同安裝方式時的發(fā)電量存在一定差異[2]。針對傳統(tǒng)的整片光伏組件而言，已有研究表明：整片光伏組件橫向安裝時的發(fā)電量比其豎向安裝時的高[3]。

目前，新型半片光伏組件已占據(jù)大部分光伏市場，且其功率損耗比整片光伏組件低、發(fā)電量也更高。由于半片光伏組件版型設(shè)計與整片光伏組件完全不同，行業(yè)內(nèi)關(guān)于橫向、豎向安裝對半片光伏組件發(fā)電量的影響并沒有明確研究結(jié)論?；诖耍疚慕Y(jié)合太陽電池工作原理，運(yùn)用LTspice電路仿真軟件，對半片光伏組件采用不同安裝方式時其光伏組串的輸出功率進(jìn)行了建模仿真分析，并通過實測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗證，同時結(jié)合實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)，分析討論了不同安裝及排布方式對光伏組串輸出功率的影響，可為行業(yè)內(nèi)工程設(shè)計提供參考。輸出功率累計后即為發(fā)電量，因此本文實際分析中，以光伏組串輸出功率作為組件不同安裝方式下的瞬時分析數(shù)據(jù)，以輸出功率累計值作為不同安裝方式下的發(fā)電量對比數(shù)據(jù)。

1 半片光伏組件的建模仿真方法

太陽電池本質(zhì)是一個p-n結(jié)，電子空穴對的產(chǎn)生、分離、輸運(yùn)是其工作中的3個核心過程。固態(tài)物理理論推導(dǎo)出的理想的太陽電池雙二極管等效電路模型可以比較準(zhǔn)確地描述太陽電池的伏安特性。太陽電池雙二極管等效電路模型充分考慮了p-n結(jié)中性區(qū)域復(fù)合暗電流與空間耗盡區(qū)域復(fù)合暗電流對太陽電池暗電流的影響，尤其在弱光條件下，雙二極管等效電路模型比單二極管等效電路模型更準(zhǔn)確。

太陽電池雙二極管等效電路模型中各參數(shù)的關(guān)系可表示為[4-5]：

式中：I為太陽電池的工作電流；Iph為太陽電池的光生電流；I01和I02分別為太陽電池對應(yīng)的二極管的反向飽和電流；Rs為等效電路的串聯(lián)電阻，主要由太陽電池的電極接觸電阻與材料體電阻等因素產(chǎn)生；Rsh為等效電路的并聯(lián)電阻，主要由太陽電池在制備過程中的漏電流引起[5-6]；n1和n2分別為太陽電池對應(yīng)的二極管的理想因子；VT為熱電壓；V為太陽電池的工作電壓。

Iph可用于衡量太陽電池產(chǎn)生電流的能力，其與太陽輻照度G、太陽電池的短路電流Isc、太陽電池的工作溫度Tc之間存在特定關(guān)系。太陽電池建模仿真電路中，Iph可表示為：

式中：α為短路電流的溫度系數(shù)，取值為0.00048。

理想因子用于評估p-n結(jié)的工藝質(zhì)量與復(fù)合類型，其取值范圍為1～2。電壓源V(irr)用于模擬太陽電池接收的太陽輻照度G。

基于太陽電池雙二極管等效電路模型，運(yùn)用LTspice電路仿真軟件對單片的半片太陽電池進(jìn)行建模，如圖1所示。圖中：D1、D2均為二極管，D1用于描述電中性區(qū)的復(fù)合暗電流與表面復(fù)合暗電流；D2用于描述空間電荷區(qū)的復(fù)合暗電流[5, 7-8]。

圖1 半片太陽電池的等效電路仿真模型Fig. 1 Equivalent circuit simulation model of half-cut solar cell

太陽電池復(fù)合暗電流產(chǎn)生機(jī)制示意圖如圖2所示，展示了光生載流子在太陽電池內(nèi)部產(chǎn)生、輸運(yùn)與復(fù)合的過程。

圖2 太陽電池復(fù)合暗電流產(chǎn)生機(jī)制示意圖Fig. 2 Schematic diagram of composite dark current generation mechanism of solar cell

通過太陽電池實測I-V數(shù)據(jù)擬合獲得模型中參數(shù)Isc、I01、I02、Rsh、Rs、n1、n2的數(shù)值[7]，其中，Isc=5.73 A、I01=2.12×10-11A、I02=1.83×10-6A、Rsh=500 Ω、Rs=0.004 Ω、n1=1、n2=2?？梢詫嶋H環(huán)境中測試得到的太陽輻照度與太陽電池工作溫度輸入到該半片太陽電池的等效電路仿真模型中，從而得到特定環(huán)境條件下的太陽電池的電性能參數(shù)。

將圖1中的半片太陽電池的等效電路仿真模型與旁路二極管通過串并聯(lián)組成半片光伏組件仿真模型。該半片光伏組件仿真模型以型號為LR4-72HPH的光伏組件為模板，為72版型的單面單玻半片光伏組件，該組件共采用144塊半片太陽電池，尺寸為166 mm×83 mm，以“6×24”的方式排布，組件尺寸為2094 mm×1038 mm。半片光伏組件內(nèi)部電路布局如圖3所示。

圖3 半片光伏組件的內(nèi)部電路布局Fig. 3 Internal circuit layout of half-cut PV module

通過I-V測試，可以獲得標(biāo)準(zhǔn)測試條件(STC)下半片光伏組件電性能參數(shù)的實測值。在半片光伏組件仿真模型中，可以獲得該組件中每塊太陽電池與二極管工作狀態(tài)下的電流、電壓等電性能參數(shù)的仿真值。半片光伏組件電性能參數(shù)的實測值與仿真值的對比如表1所示，半片光伏組件的I-V實測曲線與仿真曲線如圖4所示。

表1 半片光伏組件電性能參數(shù)的實測值與仿真值對比Table 1 Comparison of measured values and simulated values of electrical performance parameters of half-cut PV module

圖4 半片光伏組件的I-V實測曲線與仿真曲線Fig. 4 I-V measured curve and simulation curve of half-cut PV module

從表1和圖4可以看出，半片光伏組件仿真模型得到的I-V仿真曲線與實測曲線的吻合程度較好，組件的Voc、Isc、Vmp、Imp、Pmax的仿真值與實測值之間的誤差小于1%。因此，可以基于該半片光伏組件仿真模型對半片光伏組件的各類問題進(jìn)行仿真研究分析，以輔助光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計。

2 實驗與仿真分析

2.1 陰影遮擋對橫向、豎向安裝的半片光伏組件輸出性能的影響分析

在早晨與傍晚時間段，光伏方陣中前后排光伏陣列之間會存在陰影遮擋，從而引起不同安裝方式時光伏組件的輸出功率存在一定差異。不同安裝方式時整片光伏組件的陰影遮擋情況如圖5所示。

圖5 不同安裝方式時整片光伏組件的陰影遮擋情況Fig. 5 Shadow occlusion of whole PV module with different installation modes

如圖5a所示，豎向安裝的整片光伏組件，當(dāng)?shù)?排太陽電池被完全遮擋后，整個光伏組件的輸出功率基本為零。如圖5b所示，橫向安裝的整片光伏組件，當(dāng)?shù)?排太陽電池被完全遮擋后，整個光伏組件的輸出功率為原輸出功率的2/3。綜上，整片光伏組件更適合采用橫向安裝方式[3]。

本文分別對橫向、豎向安裝的半片光伏組件進(jìn)行陰影遮擋實驗。本實驗采用PROFITESTPV1500I-V測試儀對光伏組件進(jìn)行輸出功率測試。實驗要求太陽輻照度大于800 W/m2，采用不透光板對半片光伏組件進(jìn)行遮擋實驗；以組件中最下方的一排太陽電池作為第1排，實驗過程中逐次增加陰影遮擋長度；最后將室外測試得到的實測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到STC下，對不同安裝方式的實測數(shù)據(jù)和通過仿真模型得到的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。不同安裝方式時的半片光伏組件陰影遮擋實驗如圖6所示。

圖6 半片光伏組件的陰影遮擋實驗Fig. 6 Shadow occlusion experiment of half-cut PV modules

通過陰影遮擋實驗得到不同安裝方式時半片光伏組件輸出功率實測值，通過半片光伏組件仿真模型得到不同安裝方式時半片光伏組件輸出功率仿真值，實測值與仿真值隨陰影遮擋長度變化的對比情況如圖7所示。

圖7 不同安裝方式時半片光伏組件輸出功率實測值與仿真值的對比Fig. 7 Comparison between measured values and simulation values of half-cut PV module output power under different installation modes

從圖7可以看出：無論是橫向安裝還是豎向安裝，隨著陰影遮擋長度的增加，半片光伏組件輸出功率的仿真值與實測值基本吻合，變化趨勢基本相同。

結(jié)合圖6a、圖7a可以看出：半片光伏組件采用豎向安裝時，組件內(nèi)共有24排太陽電池，當(dāng)?shù)?排太陽電池被完全遮擋時，組件的輸出功率為原輸出功率的1/2；在第13排太陽電池未被遮擋之前，組件的輸出功率一直保持在原輸出功率的1/2；當(dāng)?shù)?3排太陽電池被完全遮擋后，組件的輸出功率基本為零。

結(jié)合圖6b、圖7b可以看出：半片光伏組件采用橫向安裝時，組件內(nèi)共有6排太陽電池，當(dāng)?shù)?排太陽電池被完全遮擋時，組件的輸出功率為原輸出功率的2/3；在第3排太陽電池未被遮擋之前，組件的輸出功率一直保持在原輸出功率的2/3；當(dāng)?shù)?排太陽電池被完全遮擋后，組件的輸出功率為原輸出功率的1/3；當(dāng)?shù)?排太陽電池被完全遮擋后，組件的輸出功率基本為零。

通過圖7a與圖7b的對比可以看出：整片光伏組件的陰影遮擋理論不再適用于半片光伏組件；在完全遮擋第1排太陽電池的條件下，半片光伏組件采用橫向安裝時的輸出功率比豎向安裝時的大，抗陰影遮擋能力更強(qiáng)。

2.2 不同散射光占比陰影遮擋環(huán)境下不同排布方式光伏組串輸出性能的對比分析

在實際光伏電站中，早晨與傍晚時段光伏組件上的陰影遮擋區(qū)域?qū)嶋H并不是完全不透光遮擋，環(huán)境中的散射光及經(jīng)過物體的漫反射光會作用于光伏組串，使被遮擋區(qū)域的太陽電池仍然具有功率輸出，進(jìn)而影響整個光伏組串的輸出功率。早晚光伏陣列之間的陰影遮擋實際情況如圖8所示。

圖8 早晚光伏陣列之間的陰影遮擋實際情況Fig. 8 Actual situation of shadow occlusion between PV arrays in the morning and in the evening

光伏組串的排布方式主要為“C”字型和“一”字型2種。橫向安裝光伏組件時，光伏組串的排布方式為“C”字型(下文簡稱為“橫裝C字型”)；豎向安裝光伏組件時，光伏組串的排布方式為“一”字型(下文簡稱為“豎裝一字型”)。本文分別針對橫裝C字型和豎裝一字型排布方式設(shè)置了2種光伏組串陰影遮擋仿真實驗方案，每個實驗方案均設(shè)置1個由20塊光伏組件串聯(lián)組成的光伏組串。光伏組串采用橫裝C字型方式排布時，其光伏組件采用橫向2排共10列的方式安裝；采用豎裝一字型方式排布時，其光伏組件采用豎向1排共20列的方式安裝。不同排布方式時仿真實驗方案的參數(shù)設(shè)置如表2所示，示意圖如圖9所示。

表2 不同排布方式時仿真實驗方案的參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter setting of simulation experiment schemes in different arrangement modes

圖9 光伏組串不同排布方式示意圖Fig. 9 Schematic diagram of different arrangement modes of PV string

為研究不同散射光占比(分析時用透光率來表征散射光占比)陰影遮擋環(huán)境對不同排布方式下光伏組串輸出功率的影響，本文在單塊半片光伏組件仿真模型的基礎(chǔ)上，搭建了橫裝C字型和豎裝一字型2種光伏組串陰影遮擋仿真模型。在該仿真模型中，基于控制變量法設(shè)置光伏組件工作在STC下，即：太陽輻照度為1000 W/m2，光伏組件的工作溫度為25 ℃。

設(shè)置光伏組件沒有陰影遮擋時，其接收的太陽輻照度為1000 W/m2；在光伏組件存在陰影遮擋時，設(shè)置了完全遮擋、5%透光遮擋、15%透光遮擋、25%透光遮擋、30%透光遮擋、35%透光遮擋6種散射光占比環(huán)境下陰影遮擋模式。以5%透光遮擋的散射光占比環(huán)境下陰影遮擋模式為例，5%透光遮擋是指光伏組件未被陰影遮擋區(qū)域接收到的太陽輻照度為1000 W/m2，陰影遮擋區(qū)域的透光率為5%，即被陰影遮擋區(qū)域接收到的太陽輻照度為50 W/m2。

6種散射光占比陰影遮擋模式下，不同排布方式時光伏組串輸出功率與陰影遮擋長度之間的關(guān)系如圖10所示。

從圖10可以看出，隨著陰影遮擋長度的增加，陰影遮擋面積不斷增大，無論排布方式采用橫裝C字型還是豎裝一字型，光伏組串輸出功率均呈現(xiàn)不斷減小的趨勢。

圖10 在6種散射光占比陰影遮擋模式下，光伏組串輸出功率與陰影遮擋長度之間的關(guān)系Fig. 10 Relationship between output power of PV string and shadow occlusion length under six kinds of scattered light ratio shadow occlusion modes

在整個遮擋面積遞增過程中，對光伏組串輸出功率曲線進(jìn)行積分，結(jié)果表明：當(dāng)陰影遮擋區(qū)域的透光率小于等于30%時，橫裝C字型的光伏組串輸出功率累計值比豎裝一字型光伏組串的大；在陰影遮擋區(qū)域的透光率大于30%之后，豎裝一字型的光伏組串輸出功率累計值大于橫裝C字型光伏組串的；且隨著陰影遮擋區(qū)域的透光率逐漸增加，豎裝一字型光伏組串的抗陰影遮擋能力逐漸優(yōu)于橫裝C字型光伏組串的。橫裝C字型、豎裝一字型的光伏組串在不同陰影遮擋面積條件下各有優(yōu)勢。

分析結(jié)果表明：當(dāng)散射光占比大于30%時，豎裝一字型光伏組串的抗陰影遮擋能力強(qiáng)于橫裝C字型光伏組串的；陰影遮擋區(qū)域的透光率越高(即環(huán)境散射光占比越大)，豎裝一字型光伏組串的抗陰影遮擋能力優(yōu)勢越明顯。綜上所述，散射光占比、陰影遮擋面積大小均是導(dǎo)致光伏組件橫向、豎向安裝發(fā)電量差異的主要原因。

2.3 光伏組串實測值與仿真值的對比分析

為了進(jìn)一步完善光伏組串陰影遮擋仿真模型，本文在山西某光伏電站進(jìn)行了實驗測試，對光伏組串分別采用豎裝一字型與橫裝C字型排布方式時的輸出功率實測值和仿真值進(jìn)行對比分析。測試時間為2020年10月29日，光伏組件安裝傾角為21°，每串光伏組串中的光伏組件數(shù)量為20塊，光伏組件的電性能參數(shù)的實測值與仿真值見前文表1，光伏組串安裝詳細(xì)情況見前文表2和圖9。

選擇測試當(dāng)天16:55～17:15時間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，項目所在地實測太陽輻照度、光伏組件工作溫度，以及不同排布方式時光伏組串輸出功率的實測值及仿真值等數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 項目所在地光伏組串輸出功率實測值與仿真值對比Table 3 Comparison between measured values and simulated values of PV string output power at the project location

不同排布方式下，項目所在地光伏組串輸出功率的實測值及仿真值隨時間變化關(guān)系如圖11所示，光伏組串輸出功率的實測累計值與仿真累計值的對比情況如表4所示。

圖11 光伏組串輸出功率實測值與仿真值隨時間變化關(guān)系Fig. 11 Relationship between measured values and simulation values of PV string output power with time

表4 光伏組串輸出功率實測累計值與仿真累計值對比Table 4 Comparison between measured cumulative values and simulated cumulative values of PV string output power

從圖11和表4可以看出，光伏組串輸出功率仿真結(jié)果與實測結(jié)果的趨勢基本一致，仿真誤差率在4.02%以內(nèi)。仿真結(jié)果與實測結(jié)果均表明：在測試當(dāng)天16:55～17:15時間段內(nèi)，隨著太陽高度角的降低，光伏陣列前排對后排的陰影遮擋面積不斷增加，橫裝C字型與豎裝一字型時光伏組串輸出功率也均隨之減??；在該時間段內(nèi)，豎裝一字型光伏組串輸出功率優(yōu)于橫裝C型光伏組串輸出功率。通過觀察散射光占比情況可以發(fā)現(xiàn)，在該時間段內(nèi)，環(huán)境中散射光占比均大于30%，則該實測結(jié)果也驗證了前文2.2節(jié)中結(jié)論的準(zhǔn)確性，并驗證了所建立的光伏組串陰影遮擋仿真模型的準(zhǔn)確性。因此，光伏組串陰影遮擋仿真模型可較為準(zhǔn)確地反映陰影遮擋對光伏組串輸出性能的影響。

3 結(jié)論

本文結(jié)合太陽電池工作原理與實驗測試，針對陰影遮擋問題，對新型半片光伏組件和光伏組串采用不同安裝方式時的輸出功率進(jìn)行了建模仿真分析，并通過實際光伏發(fā)電項目進(jìn)行了實驗測試，驗證了所建立的光伏組串陰影遮擋仿真模型具有較好的準(zhǔn)確性。實驗結(jié)論與仿真結(jié)論均證明：由于半片光伏組件版型設(shè)計與整片光伏組件完全不同，因此整片光伏組件的陰影遮擋理論不適用于半片光伏組件；半片光伏組件采用豎向安裝時，其第1排太陽電池被陰影遮擋時，光伏組件輸出功率為原輸出功率的1/2；在光伏組串?dāng)?shù)量相同條件下，半片光伏組件采用豎向安裝、一字型排布與采用橫向安裝、C字型排布相比，在不同光伏陣列前后排陰影遮擋條件下各有優(yōu)勢；環(huán)境中散射光占比越大，豎向安裝、一字型排布時光伏組串的抗陰影遮擋優(yōu)勢越明顯；環(huán)境中散射光占比、陰影遮擋面積的大小均是影響光伏組件橫向、豎向安裝發(fā)電量差異的主要原因。