作者简介：
张帅杰，澳大利亚光伏工程师。毕业于澳大利亚新南威尔士大学可再生能源及太阳能工程系。师从Richard Corkish博士和Alistair Sproul教授。目前就职于澳大利亚一家光伏科技设计研发公司。E-mail：rodd.zhang@sicleanenergy.com.au. 前言：本文是我在澳大利亚Solar 2014的科技研究论坛中被收录的《Shading Analysis & Improvement for Distributed Residential Grid-Connected Photovoltaics System》技术论文的中文版精华总结。 由于阴影的难预测性以及多变性，目前并没有太多的文章专门针对阴影进行归类分析。传统意义上对于阴影的理解可以定义为遮挡物本身或倒影对于电池板造成的遮盖直接并且严重的影响光照强度，进而影响光伏电池板的发电功率。如果阴影持续时间较长，则会进而影响系统的发电量。事实上，由于太阳是移动的，遮挡物也是多种多样的，产生的阴影影响效果和性质也是截然不同的。要想准确的理解阴影如何影响分布式光伏系统，需要清楚的对阴影类别进行归类。此外，传统意义上的“对电池的遮挡导致输出功率（P）的减少”的效果定义是相当片面的。本文会从电流（I）和电压（V）两个角度来分析阴影的真正影响。 阴影类别 阴影不具有唯一性。雾霾，多云，沙尘，树及树叶，鸟粪，周围楼房以及屋顶设施皆可以产生多样的阴影。随着日光移动阴影形状也会随之变化。广泛的，我们可以把阴影分类为“客观阴影”（objective shading）和“主观阴影”（subjective shading）。“主观阴影”又可细分为“动态阴影”（dynamic shading）和“静态阴影”（static shading）。 客观阴影指因天气原因而造成的光照强度减弱，比如多云，阴雨和雾霾天气等。主观阴影是由附近障碍物阻挡了阳光直射而造成的阴影覆盖。客观阴影是不可避免的但是主观阴影却可以通过合理的设计，安装以及定期清理来有效改善。 静态阴影特指在组件表面玻璃上的覆盖物，如鸟粪，黏着的树叶或长久积累在底部的灰土。动态阴影就是我们广泛意义上说的“阴影”。静态阴影形状不随太阳的移动而变化，这也是区分这两种阴影分类的核心点。 传统观念上对于“遮盖”的理解和定义也存在一定的误差。其实根据遮盖比例（shading ratio），遮盖可以分为部分遮盖（partial shading）和完全遮盖（whole shading）。完全遮盖和部分遮盖一般介于电池对于光照强度的临界点，大约在50W/m2左右，完全遮盖和部分遮盖对于组件的电压和电流影响是有很大差别的。 阴影影响 光照主要影响电池的输出电流。上文中提到的临界点，只要光照强度在临界点以上，电池便可以输出电压。由于太阳光的透射和散射，绝大多数的雾霾以及阴雨天光照强度依然可以满足这个临界点。所以哪怕输出电流非常小，哪怕是零功率输出的系统，依然存在满载直流电压的危险。换言之，“客观阴影”对于电池输出电流影响远大于对电压的影响。“电站不发电，不代表电站没电压”。 为了更好的理解“主观阴影”的影响，我们需要重新认识下旁路二极管（bypass diode）对于组件的电压和电流影响。 旁路二极管影响 通常对旁路二极管的理解非常直接，“当电池被阴影覆盖，会导致组件输出电流下降，此时旁路二极管工作，电流会流经二极管而旁路掉被遮挡电池，组件被拯救了！”这是比较片面的。事实上旁路二极管有时候也是一个“小恶魔”，并且并不是大众所想的“只要有阴影就工作”那样。
旁路二极管工作时电压变化关系式及示意图 为了方便理解，不严谨的说，旁路二极管和它所并联的电池串可以视为两个电阻。无遮挡时电池的阻抗小于二极管，电流通过电池串流动。当电池被遮挡时，会导致其内阻远大于二极管，电流从二极管流。如图三所示，一个二极管并联二十块电池，一个二极管的正向偏转电压大约是0.6-0.7伏，而一个电池的工作电压也在0.5伏左右。当二极管工作时，它不仅仅是旁路了电流，同时也旁路掉了20电池的工作电压。 当部分遮盖出现在电池表面时，只要不超过临界值，旁路二极管并不会启动，同时逆变器也会降低电流需求而达到稳压的目的。但是遮盖一旦过大，比如说完全遮盖的这种情况，二极管会从反向偏转（reverse bias）转换为正向偏转（forward bias）而旁路掉被遮盖的电池。所以，BYD并非向传统理解中“一有阴影就灿烂”那样工作。 旁路二极管会带来什么样的问题？最大的就是多波峰（multi maximum power point），如图六所示。从PV曲线中，可以明显的看出两个MPP。在实际应用中，不同状态下的PV曲线还会出现不同情况的多波峰，进而干扰逆变器的MPP追踪。 由此，我提出对于阴影遮盖的一个新的定义和理解：在光伏工程师对于系统做阴影评估时，请放弃传统的“整块组件约百分之几十被遮盖”的说法， 进而用“组件/组串/阵列多少旁路二极管在工作”来记录。如图七所示，当一块电池被完全遮盖而导致该并联的二极管正向偏转，事实上整条20块电池串与此同时均被旁路，换言之，哪怕在同一电池串上若干个电池均被严重遮盖，其效果等同于一块被严重遮盖的电池。如果底部电池均被严重遮盖，该组件的输出功率，将会非常堪忧，如图七。 解决方案 这部分也应该是大家最关心的，我们就分条直接的列出来吧。 首先，对于客观阴影，目前没有什么比较经济或适应的方法来实地改进，所以雾霾，多云，阴天这种情况，没有什么办法好建议的。对于静态阴影，比如粘着的树叶或者鸟粪，如果不懒惰，定期清理（请在清理的时候断开组件和逆变器的连接，对于数目较多的阵列考虑断开组串间的连接），也没什么问题。我们主要来讨论下动态阴影的解决方案。 1在安装前的实地考察，通过专业测量潜在阴影的工具来分析合理的安装位置以及改善方案尤为重要。住户的屋顶可能各不相同，所以一定不能千篇一律，想当然的随意设计。 2对于已经安装好，但是遭受前排组串阴影遮盖的系统，改变安装方向，由纵向变为横向，这样仅仅一个旁路二极管会启动而不是如图七所示的三个二极管旁路掉整个组件。 3对于一时不能接受“旁路二极管”表述阴影遮盖的朋友，方法三可以这样介绍：如果一个系统的动态阴影遮盖不超过10%，可以把这些被遮盖的组件平均的分配到各组串中，逆变器的MPPT会降流稳压来保证系统输出。如果不超过20%，需要把这些被遮盖的组件单独组成一个组串，连入逆变器单独的一个MPPT，把“健康的和不健康的”组串隔离开。如果超过了20%，请考虑微型逆变器或者功率优化器。 4对于没有“完全遮盖”的东西朝向屋顶，组件是可以分开串联，然后并联接入逆变器的。其实这也是由“客观阴影不影响组件输出电压”理论而来。早晨虽然西向的组串接收的日光强度较少，但是他们仅仅是输出的电流比较少而已，电压依然可以达到满载。所以完全可以并联到与其数目相当，也没有“完全遮盖”影响的东向组串。从“博世”最新发表的研究报告来看，22.5度的东西朝向系统和正南朝向系统年发电量仅相差不到百分之四。 5行间距的计算： 合理的行间距可以帮助系统有效的该站发电量以及减少很多不必要的后期返工。 6逆变器的选择。这点其实更多依赖于设计师以及工程师的职业操守和专业技巧了，正所谓内行看门道，外行看热闹，客户是不会明白A机和B机在处理阴影遮盖上面有什么差别的。对于阴影情况复杂的项目，更宽的直流电压输入范围，多MPPT以及优化的追踪算法，这些都是需要工程师来把关。 参考文献 “Analytical Modeling of Partially Shaded Photovoltaic Systems”, Energies 2013, 6, 128-144; doi:10.3390/en6010128 A. Masoum, F. Padovan, M. A.S. Masoum 2010, “Impact of Partial Shading on Voltage- and Current-based Maximum Power Point Tracking of Solar Modules”, Institute of Electrical and Electronics Engineers C.Chin, P. Neelakantan, S. Yang, etc. 2010, “Effect of Partially Shaded Conditons on Photovoltaic Array’s Maximum Power Point Tracking”, Vol.12, No.3, Institute of Electrical and Electronics Engineers Clean Energy Council, “How Solar PV Works”, “https://www.solaraccreditation.com.au/consumers/purchasing-your-solar-pv-system/how-solar-pv-works.html” access:19/12/2013 D. Passias and B. Kallback (1984), “Shading Effects in Rows of Solar Cell Panels”, Institute of Microwave Technology, Sweden, page 281-291 H. Chang, C.Chen, L. Huang, C. Lin (2010), “Implementation of a Power Supply with the Characteristics of Solar Panels under Partially Shaded”, Institute of Electrical and Electronics Engineers H. Haeberlin (2007), “Damages at Bypass Diodes by Induced Voltages and Currents in PV modules Caused by Nearby Lightning Currents”, 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano, Italy Solmetric, Inc. “http://www.solmetric.com/” access: 15/12/2013 S. Pachpande and P. Zope (2012), “Studying the effect of shading on Solar Panel using MATLAB”, International Journal of Science and Applied Information Technology, Volume 1, No. 2 S.R. Wenham, M.A. Green, M.E. Watt & R. Corkish 2007, “Applied Photovoltaics (2nd Edition)”, Earthscan, London |
