乔虹桥 冯相赛 张海磊 唐寅彬 王 翀 王训春 赵欣侃

上海太阳能工程技术研究中心有限公司

1 引言

随着光伏发电技术的普及应用，光伏建筑一体化系统在城市住宅小区屋顶的应用越来越普遍[1]。据统计，2014年全国光伏发电累计装机容量为2 805万kW，其中，光伏电站2 338万kW，分布式发电系统467万kW，年发电量约为250亿kwh。在光伏电站及分布式发电系统建设的过程中，不可避免地要考虑光伏组件受到阴影遮挡的问题。在光伏电站方面，相邻组件之间的阴影遮挡，影响着组件阵列排布的数量；在分布式屋顶光伏系统方面，由于建筑物附近可能存在产生阴影的物体，如树木、老虎窗等。同时随着光伏组件运行时间的延长，组件表面会沉积一定的灰尘，组件底部积灰严重的部位对组件产生某种程度的遮挡，影响组件的发电效率。阴影遮挡因素的存在一方面会降低光伏组件的有效利用面积，另一方面会影响光伏组件的发电效率，降低系统的发电量，使得光伏组件系统不能够有效地被充分利用。为了提高光伏组件的综合发电效率，光伏建筑一体化系统诸多方面的性能有待进行进一步的研究[2]。

在有阴影遮挡的情况下，光伏系统组件会产生局部的热斑效应。热斑效应是指，当组件中的一块或者一组电池被遮光或者损坏时，它所产生的最大光生电流小于所在串联电路的工作电流，此时该电池的某一部分温度高于周围正常工作的电池，则把这种加热效应称为：“热斑效应”。热斑效应所产生的高温能够使电池开裂、焊点熔化、焊带脱落等现象，严重时还有可能引起电气火灾。所以如何有效地避免“热斑效应”的出现，是光伏发电大范围推广应用亟待解决的问题。

本文从工程实际出发，针对光伏组件由于阴影遮挡而出现热斑效应的情况，对研发的耐热斑芯片进行实验研究。

2 光伏系统实验

该实验选用峰值功率为250 Wp的普通组件和耐热斑组件各3块。3个普通组件串联之后连接一个逆变器作为普通组件系统，3个耐热斑组件串联后连接另外一个逆变器作为耐热斑组件系统。两个小系统的实验结果通过逆变器监控系统收集数据并进行分析处理。本文相继进行无阴影遮挡和有阴影遮挡的光伏组件发电实验，对比分析有无阴影遮挡两种组件的发电性能。

本文采用100 mm×100 mm的规则阴影对所有组件的单个电池片（156 mm×156 mm）进行阴影遮挡。阴影与电池片的简图如图1所示。

图1 阴影遮挡电池片示意图（单位：mm）

从阴影遮挡的面积中可以得出，在本实验中，单个电池片的遮挡面积比约为64%，由于每个组件的由60个电池片组成，所以组件的阴影遮挡面积比率约为1.07%。

为了尽可能减少两种光伏组件安装位置对系统发电性能的影响，将普通组件和有耐热斑芯片的组件交替放置。本实验中有无阴影遮挡组件系统实验装置如图2、图3所示。

图2 无阴影遮挡耐热斑组件示图

图3 有阴影遮挡耐热斑组件示图

3 结果及讨论

通过逆变器及无线数据搜集设备搜集到普通组件与耐热斑芯片组件的发电数据如图4所示。

从图4两种光伏组件的直流输出电压中可以看出，在相同的条件下，普通组件的直流输出电压高于耐热斑组件的直流输出电压；在有阴影遮挡的情况下，耐热斑组件的电压低于普通组件的电压这一现象更为明显。

从图5直流输出电流的对比可以看出，在无阴影遮挡的情况下，两种组件的电流几乎一致，而在有阴影遮挡的情况下，耐热斑组件系统的电流明显高于普通组件的直流输出电流。

从图6有无阴影遮挡情况下的交流输出电压对比中可以看出，不管有无阴影遮挡，两种组件系统的交流输出电压变化均一致。

从图7交流输出电流对比图中可以看出，在无阴影遮挡情况下，两种组件系统的交流输出电流基本一致，而在有阴影遮挡的情况下，耐热斑组件的交流输出电流明显高于普通组件的交流输出电流。

图4 直流输出电压对比

图5 直流输出电流对比

图6 交流输出电压对比

从图8有无阴影两种情况下的交流输出功率可以看出，在无阴影遮挡情况下两种组件系统的交流输出功率并无明显差异，而在有阴影遮挡的情况下，耐热斑组件的交流输出功率明显高于普通组件系统的交流输出功率。

从图9有无阴影遮挡两种组件系统的交流输出频率的对比图中可以看出，普通组件与耐热斑组件在有无阴影遮挡的情况下的交流输出频率并无差异。

从图10有无阴影情况下两种组件的逆变器温度变化曲线中可以看出，在没有阴影遮挡下的温度变化基本一致，而在有阴影遮挡的情况下，耐热斑组件系统逆变器的温度变化相对与普通组件系统的逆变器温度变化更为平稳，而且峰值温度低于普通组件系统逆变器温度的峰值，说明，耐热斑组件能够在一定程度上降低系统所产生的热量。

从图11和图12有无阴影遮挡情况下两种组件系统的单日发电量对比可以看出，在无阴影遮挡的情况下，两种组件的发电量基本相当，而在有阴影遮挡的情况下，耐热斑组件系统的单日发电量明显高于普通组件系统的单日发电量。

4 结语

图7 交流输出电流对比

图8 交流输出功率对比

图9 交流输出频率对比

从以上实验结果的分析中可以看出，在相同的天气情况下，耐热斑组件光伏系统的发电量明显高于普通组件系统的发电量，说明该种耐热斑组件能够有效地降低阴影遮挡对组件系统发电量的影响。在有阴影遮挡情况下，耐热斑组件中的芯片会自动调节组件系统中的电流，从而保证组件系统输出功率高于普通组件系统的输出功率。本实验研究得出的具体结论如下：

图10 逆变器温度对比

图11 单日发电量对比

图12 有无阴影遮挡发电量对比

（1）耐热斑芯片能够有效提高组件系统的直流输出电流。

（2）耐热斑芯片能够有效降低组件系统的工作温度。

（3）耐热斑芯片不会影响组件系统的发电频率。

（4）耐热斑芯片能够有效提高系统组件抗阴影遮挡能力，提高系统组件的发电量。

[1]郭家林, 聂壤. 一种新型孤岛检测方法在光伏建筑一体化工程中的应用 [J]. 智能电网, 2014,2(4): 40-44.

[2]Zeng G, Cao M, Chen Y. A multi-functional utility interface of BIPV systems based on cascade multilevel converter [J]. Energy procedia, 2012, 17(0): 356-365.