功率优化器对太阳能组件发电性能的研究

功率优化器对太阳能组件发电性能的研究

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青海黄河上游水电开发有限责任公司西宁太阳能电力分公司        青海 西宁  810000

摘要:通过将功率优化器和太阳能组件相结合，可以在有遮蔽的条件下增加光伏阵列的发电能力。采用不同的遮蔽方法进行仿真试验。在动态遮蔽的条件下，太阳能电池阵列的功率增加，但是没有显著的增加；在固定阴影遮蔽条件下，太阳能电池阵的功率提高17.69%，最低提高1.40%；在光照强度从低至高的变化区间，不同遮蔽情况下，太阳能电池阵列的发电功率呈现出从负向到正向转换的趋势。本文将对功率优先器对太阳能组件发电性能的影响进行分析。

关键词:功率优化器；太阳能组件；阴影遮挡；辐照强度

引言

由于太阳能电池的单一输出功率通常无法满足实际的需要，所以通常采用串联或并联的方法来实现。在选择太阳能电池组成阵列时，往往会遇到串、并联的各元件的电性能参量不一致的情况，并且会造成串、并联后的输出功率比单个部件的总功率总和少的情形，称为失配损耗。同时，如果在串联时，如果电流不匹配，将导致阵列工作在一定的条件下，使得单个太阳能电池的排列出现逆向偏压，从而产生“热斑”；当并联时，如果电压不匹配，将导致器件阵列处于一定的工作状态，从而使其内部产生“环流”。“热斑”与“环流”会使单个部件在串、并联连接中的功耗，并会影响部件的使用寿命。尤其是在不能在相同光线条件下工作的情况下，就会造成更大的失配损耗。

以上所述的太阳能装置可以将不正常的电池串旁通，从而可以在一定程度上降低因电池或元件间的电流不匹配而造成的电力损耗，但是不能消除串联电流不匹配的情况。目前，太阳能装置与电源优化器（DC转换器）相连，可将低电流转换成高电流，以进一步降低因阴影遮蔽或太阳能元件电气特性不匹配而造成的电力损耗，并要求每个太阳能装置都配有一台电源最佳化装置，而后将其输出串接至母线。

1 试验系统搭建与简介

太阳能是新一代能源中的一个重要组成部分，由于其资源的巨大优势，它的应用范围越来越广，而随着我国光伏技术的迅速发展，越来越多的电力优化器出现，为我国太阳能的发展带来了广阔的发展空间。由于目前的光伏发电设备选择比较传统、单一，不能满足于对其性能的实证比较，因此选择以下多块太阳能组件进行测试和分析。

选择48块具有230瓦功率的传统156多晶硅太阳能组件，分成两组（一组装有功率优化器；在其它列中没有设置功率优化器，用作比较阵列；每一组都装有24个部件），置于一个30度倾斜的镀锌托架上，每一列插入一台德国艾思玛SB5000TL的逆变器。

2 测试方案

为测量安装功率优化装置上的光伏组件的增益比，使用30%的透射率黑布将太阳能组件按照不同的面积覆盖，试验方案分为动态遮蔽和固定遮蔽。应根据覆盖区域的不同，可以分为覆盖半个太阳能组件、覆盖太阳能组件的一串竖排电池片和覆盖太阳能组件的一串竖排1/2个电池片。

3测试结果

3.1 动态阴影遮挡试验

所谓的“动态阴影遮蔽”，就是在太阳能装置前面，安装一块宽2米、高1.5米的黑色幕布，因为阳光会从不同的角度照射到黑色幕布上，从而产生一片不断变化的阴影，这就是所谓的“动态阴影”。通过对晴天1d的电气特性资料进行分析，发现安有功率优化器的测试阵列的发电能力为11.32kWh，而未安装功率优化器的测试阵列为11.19kWh，而在有遮蔽的条件下，该功率优化器可以增加1.19%的发电效率。

3.2 固定式阴影遮挡试验

3.2.1 覆盖半个太阳能组件

从表1中得知，如果覆盖一半的太阳能电池，那么安装电源优化装置的测试阵列就会产生更少的电能。这是因为电源优化器本身就是一个电子元件，它本身就会消耗电能，从而降低电能。在两块太阳能电池板上的面积和三块电池板的一半面积上，安有电源优化装置的发电量增加分别为2.41%和4.43%。[1]

表1 覆盖半个太阳能组件的发电量对比表

3.2.2 覆盖太阳能组件的一串竖排电池片

由表2知，在覆盖一组垂直排列的太阳能组件时，测试阵列的发电量仍然是负的，产生的发电量减少，并且随着被遮蔽的元件数目的增多（从覆盖两个太阳能装置的垂直板到覆盖4个太阳能装置的垂直板），发电量显著地增长，并且逐渐增大。

表2 覆盖太阳能组件的一半竖排电池片的发电量对比表

3.2.3 覆盖太阳能组件的一串竖排1/2个电池片

由表3知，随着太阳能组件数目的增加（从1个组件增至4个），安有电源优化装置的测试阵列的发电量呈上升趋势，而在第3阶段（3个组件的垂直排列1/2个）出现拐点，其发电量的增长趋势逐渐减小。

表3 覆盖太阳能组件一串竖排的1/2个电池片的发电量对比表

3.3 不同辐照条件下安有功率优化器的光伏组件阵列发电性能分析

将辐照强度按照不同范围对安有功率优化器的试验阵列和未安装功率优化器的对比阵列进行分析，其辐照范围设置为小于100W/m2、100～200W/m2、200～400W/m2、400～600W/m2、600～800W/m2和大于800W/m2共6个辐照强度范围，测定结果见表4。

由表4可知，由于电源优化器的起动能力很低，因此在动态遮蔽状态下，其发电效率并不高。而当遮光区域不变时，当遮光区域减少时，总发电量的变化趋势会增加，这表明此功率优化器对小阴影遮挡区域的敏感性更高。但是，阻隔面积越小，功率增益也就越大，旁路二极管也是如此。当旁路二极管接通时，与其并联的电池组将会彻底丧失动力。

表4 安有功率优化器的试验陈列在不同辐照强度下的发电量变化表

4结束语

当太阳组件被遮蔽时，安装有电源优化装置的光电试验阵列可以增加电能，并且会根据遮蔽位置和比例而改变发电量；在有遮蔽的情况下，太阳能电池测试阵列的发电量只增加1.19%；从一个太阳能电池板的一半面积到3个电池板的一半，光电测试系统的功率从-1.40%变成4.43%，电性能改善的程度比较低；从一块垂直排列的单块板到一块覆盖4块太阳能板，到一块垂直板，从-0.08%的增加到17.69%，但是电性能得到相当大的改善；从一块垂直排列的1/2块板到一块覆盖4块太阳能板，到一块垂直排列的1/2块板，光伏测试板的功率增益在0.56%至12.17%之间；在辐射强度低于100W/m2的情况下，光伏测试阵列的发电量呈现负增长趋势，从而导致功率输出下降；光电试验阵列的发电量随辐射强度的增大而呈现直线上升，但是拐点多发生在400~600W/m2（对于能大幅度提高功率的实验方案，其日功率增幅大于6%)，随后逐渐降低。

参考文献

[1]杨强.大型光伏并网发电系统功率优化器的设计与研究[D].河北工业大学,2015.

[2]侯跃虎.太阳能阵列的建模与输出优化[D].北方工业大学,2019.

[3]杜立伟.光伏系统并联失配及功率优化研究[D].云南师范大学,2019.

[1]电池容量增加还是发电量增加