阴影条件下光伏组件旁路二极管优化配置研究

阴影条件下光伏组件旁路二极管优化配置研究

李岩

李岩

江苏南京210000

【摘要】由于全球环境问题和能源危机日益加重，太阳能因其储量大、分布广、绿色环保等优势得到广泛应用。整个光伏系统的源泉就是光伏阵列。基于旁路二极管配置不足的基础上，在经过对阴影条件下光伏组件的分析，提出了旁路二极管配置的优化策略，建立了适用于阴影条件下光伏组件排列的新模式。

【关键词】阴影；光伏组件；旁路二极管；优化配置

在光伏阵列的运行过程中，阴影问题是不可避免的，且对光伏发电效率产生了重要影响。解决阴影问题的最基本方法之一就是给光伏组件配置旁路二极管，旁路二极管不仅可以减少阴影条件下光伏阵列的输出损耗，而且可以减轻“热斑效应”的强度。因此，优化光伏组件旁路二极管的配置问题，对光伏组件的输出效率、系统的安全性、可靠性等有重要的意义。

一、优化旁路二极管配置的意义

太阳能作为可再生资源，被全球专家认定为最有发展前景的绿色资源，光伏发电成为全球趋势。据数据统计得知，全球累积装机容量将从2014年的175.4GW上升到2015年的月223.2GW。我国太阳辐射地区广，太阳能源丰富，发电产业前景广阔。

光伏阵列的输出受到太阳辐射强度和环境等因素的影响，太阳辐射不均匀，即产生局部阴影时，光伏阵列的输出特性更为复杂。当光伏组件被局部阴影遮挡时，遮挡区域的电池元可能会发生热斑效应。虽然旁路二极管配置避免了热斑效应，但是传统的计算最大功率的方法因此失效，无法对全局峰值和局部峰值作出判断。若能掌握阴影条件下光伏阵列的排列特性，就可以验证最大输出功率的有效性。

光伏阵列由许多光伏模经固定的组合方式串联组成，分布区域广，在固定的串联方式下，当局部阴影产生时，光伏模组之间的影响会更加明显，使输出率大大减少。为提高光伏阵列的输出功率，可研究光伏阵列的动态组态优化，将输出功率的损耗降到最低，更大程度的提高光伏系统的工作效率。

二、太阳能电池的模型与工作特性分析

（一）太阳能电池模型

太阳能电池的电压与输出电流之间的关系为式（1）所示：

图2太阳电池输出特性曲线图

结合两图可知，在阴影条件下，太阳能输出电流大于生产电流，会变为耗能状态，引发热斑效应。为减轻太阳能电池的耗能状态，避免电池的损耗，常会并联旁路二极管，控制太阳能电池的耗能状态。因此，要解决旁路二极管的优化配置问题，必须先了解由旁路二极管串联成的光伏组件的特性。

（三）太阳能电池的数学模型

由于在小面积阴影条件下，依然没有更好的方法表述光伏组件的数学模式，为了更好的控制光伏组件，太阳能电池的数学模型研究意义重大。阴影的存在改变了光伏阵列的曲线模式，现有的普遍的电池模式不再适用，因此，需要建立适用于阴影条件下的数学模型。在太阳能电池模型的基础上，结合电路的串并联概念，对阴影状态下的光伏组件进行详细的了解，从理论上可知，在部分阴影遮挡情况下，太阳能电池光伏阵列的数学模型可以用分段函数表述。根据所建的数学模型，分析了不同阴影条件下，光伏阵列的工作情况，结果表明，局部阴影面积的不同，光伏阵列的的输出特性也不同。

三、旁路二极管在光伏组件中的作用

（一）热斑效应

被阴影遮挡的太阳能电池部分，会消耗无阴影遮挡部分的能量，被遮挡的太阳能电池组件此时会发热，这就是热斑效应。这种效应能严重的破坏太阳能电池。为了防止热斑效应破坏太阳能电池，可在太阳能电池组件中串联一个旁路二极管，从而减少因阴影而产生的能量消耗。

2014年11月30日上午，湖北省鄂州市汀祖镇光华发电站厂房突发火灾，因为扑救及时，火势未进一步蔓延，成功保住了一批贵重电器设备。据该站的负责人黄某介绍，该站为太阳能发电站，发电设备安装时间不长，旁路二极管配置不够完善，电池组件因负载耗能产生了热斑效应，导致了火灾的发生。

（二）通电

当产生热斑效应时，电池片会因能量供应不足而不能发电。旁路二极管可以让电池片产生的电流通过，持续供应太阳能的电量，不会让太阳能电池出现因热斑效应而电路不通的情况。

在电路中，电流只能从二极管的正极流进，负极流出。当电池片正常工作时，旁路二极管反向截止，对电路不产生任何作用；若电池片工作异常，旁路二极管能导通电流，使电池组件正常工作。二极管最重要的特性就是单方向导电。

四、阴影条件下，旁路二极管的优化配置

（一）基本的旁路二极管配置方式

目前，基本的旁路二极管的配置方式分为无重叠式和有重叠式。当旁路二极管数目相同时，在小面积阴影条件下，无重叠式损耗更小，对热斑反应更弱；在大面积阴影条件下，有重叠式具有较少的导通损耗。

（二）无重叠式旁路二极管的优化配置

为了了解在阴影条件下，不同配置方案的输出性能，根据式（2）分别计算了10种不同旁路二极管的等效功率。

由结果得知，在不同的阴影条件下，出现最大输出功率的二极管配置条件也不同，因此，必须优先考虑不同阴影条件的影响，再选择旁路而激光的配置数量。

（三）层叠式旁路二极管的优化配置

由于基本的旁路二极管配置不能负荷能量损耗，因此提出了新的配置结构——层叠式。层叠式在无重叠式的基础上增加了一层旁路二极管，此模式通过第一层的二极管的数量控制阴影状态下的损耗；通过第二层的二极管的数量来减少导通损耗。

结束语

综上所述，在阴影条件下，不同阴影模式的出现，会导致旁路二极管的优化出现不同的结果：综合各方面的因素考虑，最优的配置方案是8个旁路二极管；在旁路二极管数量相同的情况下，无重叠方式损耗更小，热斑效应更弱；“层叠式”配置方式能提高光伏组件的输出效率。当一层二极管数量为72和二层数量为8时，输出功率最大。当一层二极管数量为24和二层数量为8时，输出功率较大且成本较低。

参考文献：

[1]严俊，赵立飞.储能技术在分布式发电中的应用[J].华北电力技术.2006（10）

[2]冯丽娜.局部阴影下光伏阵列的建模与动态组态优化[D].山东大学，2012.

[3]常军乾.我国能源安全评价体系及对策研究[D].中国地质大学（北京）2010