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圖1 三種典型的拓撲結(jié)構(gòu)
Fig.1 Three typical system congigurations

2電氣效率計算公式

光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率包括光伏陣列的直流效率、逆變器效率和系統(tǒng)效率

光伏陣列的直流效率是太陽電池陣列的輸出功率實際測量值與理論計算值之比。在計算組件輸出功率時需要考慮風速、太陽輻照度和溫度等外部環(huán)境因素對太陽電池陣列的影響，為了方便比較要進行太陽輻照度和溫度修正。直流效率可以用下式來計算：

DC = (Istc / Irr) × (1- )× (PDC / Pnom) (1)

式中：λ為太陽電池組件的功率溫度系數(shù)

Istc為標準太陽輻照度

Irr為太陽輻照度測量值

PDC為光伏陣列輸出功率

Pnom為組件峰值功率之和

為組件溫度修正系數(shù)

其中溫度修正系數(shù) 可使用如下兩個關(guān)系式來計算：

=(Tpv–25)×λ (2)

系統(tǒng)效率是系統(tǒng)輸出功率與光伏組件在一定條件下產(chǎn)生的功率之比。系統(tǒng)效率可由下式計算：

ηs=Pop/Psp

式中：

Pop——系統(tǒng)輸出功率（kW）；

Psp——光伏陣列的輸出功率理論值(kW)。

Psp是光伏陣列的輸出功率理論值，不能直接測量，只能先在室內(nèi)測量單個組件的峰值功率，然后再根據(jù)現(xiàn)場測量得到的太陽輻照度和組件溫度計算出光伏陣列輸出功率的理論值。

逆變器效率ηac=Pac/PDC

即逆變器的輸出功率與輸入功率之比。

逆變器的效率與輸入電壓和功率有關(guān)，一般情況下在輸入功率大的時候逆變器的效率較高，在輸入電壓達到某個特定值時，效率達到最高。

影響光伏陣列直流效率大小的因素有最大功率跟蹤準確度、太陽電池組件匹配度和直流電能傳輸損耗等。最大功率跟蹤準確度與太陽電池組件之間的連接方式有關(guān)，也與光伏陣列與逆變器的是否匹配有關(guān)，太陽電池組件的匹配度與組件的連接方式和組件輸出性能的一致性有關(guān)。所以通過檢測太陽電池陣列的直流效率可檢測系統(tǒng)設(shè)計是否合理，電氣設(shè)備選型是否匹配。

3 電氣效率的測試

為計算直流效率需要同時測量太陽電池組件的輸出功率PDC、太陽輻照度Irr和太陽電池溫度TPV。直流效率考慮了直流電能傳輸?shù)膿p耗，所以應(yīng)該在逆變器的輸入接口測量太陽電池組件的輸出功率。

測量前必須將太陽電池組件表面清洗干凈，測量周期內(nèi)輻照度最大值和最小值之差不能超過20W/m2才能保證直流效率計算的準確度。當光伏陣列內(nèi)各個組件的傾角不同時，應(yīng)同時測量最大和最小傾角的輻照度，計算直流效率時使用太陽輻照度最大值。測量太陽電池溫度時要把溫度探頭放在被測太陽電池組件底部的中心位置。

為比較組串型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和交流組件型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流效率，特進行組串型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)直流效率測試實驗和交流組件型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)直流效率測試實驗。

一塊太陽電池組件的輸出特性。本文使用室外太陽能太陽電池組件輸出特性測試儀I-V400來測量，測量結(jié)果如下：

 

表1 太陽電池組件輸出特性測量值
Table 1 The date of Solar cell module output measurement

從上表可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)中五塊組件的峰值功率總和為1018.04W，即Pnom=1018.04W。
然后再測量光伏陣列在正常工作時的輸出電流和輸出電壓以及太陽輻照度、太陽電池溫度和環(huán)境溫度。把這些參數(shù)值代入直流效率計算公式中即可計算光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流效率。以下是測量結(jié)果：

表2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣效率
Table 2 PV system’s DC efficiency

上表使用關(guān)系式(2)來計算太陽電池陣列的直流效率，由以上數(shù)據(jù)可知，在不同的太陽輻照度和環(huán)境溫度下，光伏陣列的直流效率基本不變，這說明了以下幾點：

（1） 在輻照度大于200W/m2時逆變器的效率基本保持不變。在輻照度小于200W/m2時，效率隨輻照度減小而急劇下降。

（2） 組串式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流效率約96%，也就是有約4%的能量損失，這個數(shù)值與逆變器的最大功率跟蹤準確度、太陽電池組件的匹配度和直流傳輸損耗等相關(guān)。

（3） 組串式光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)效率在81%左右。

（4） 逆變器的實際轉(zhuǎn)換效率小于88%，低于逆變器的歐洲效率90.7%，這是因為逆變器的轉(zhuǎn)換效率與逆變器的工作溫度、光伏陣列的輸出電壓和功率有關(guān)。

3.2微逆變器光伏發(fā)電系統(tǒng)直流效率測試

圖2 微逆變器光伏發(fā)電系統(tǒng)接線示意圖
Fig 2 The micro-inverter system

微逆變器光伏發(fā)電系統(tǒng)的接線方式為每塊太陽電池組件接一個逆變器，各個微逆變器將組件輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，然后再將所有的逆變器輸出端并聯(lián)。這種連接方式解決了組件失配造成功率損失的問題，同時也增加了最大功率跟蹤的準確度。

此交流組件型光伏發(fā)電系統(tǒng)使用1塊型號為KD202GH-2PU-KH的多晶硅太陽電池組件，經(jīng)室外太陽電池組件特性測試儀測試得出以下數(shù)據(jù)：

然后再測量太陽電池組件在正常工作時的輸出電流和輸出電壓以及太陽輻照度、太陽電池溫度和環(huán)境溫度。把這些參數(shù)值代入直流效率計算公式中即可計算光伏陣列的直流效率。以下是測量結(jié)果：

由于微逆變器一般放在組件底下，直流端導(dǎo)線較短，傳輸損失較小，而且一塊組件帶一個最大功率跟蹤器，各個組件之間相互獨立，光伏陣列的直流效率主要與逆變器的最大功率跟蹤準確度有關(guān)，與組件匹配度無關(guān)，所以直流效率較高。

3.3 陰影遮擋對系統(tǒng)效率的影響

為避免對光伏組件發(fā)生熱斑效應(yīng)，原則上要求在早上9點到下午15點光伏方陣不能有陰影遮擋，其實除了這段時間之外光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量也是不能忽視的，而且有時為滿足客戶要求或者達到一定的安裝容量，不得不在有陰影遮擋的地方安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，所以研究如何在有陰影遮擋的情況下提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率仍然有實際應(yīng)用價值。

國外在陰影對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響方面已經(jīng)做了很多相關(guān)研究，造成組件失配的原因主要有云層遮擋、表面污垢、地面物體遮擋和組件參數(shù)差異等。其中最引人關(guān)注的問題是在有地面物體遮擋時應(yīng)用組件型拓撲結(jié)構(gòu)是否比其他結(jié)構(gòu)更合適。Graaf、Weiden和Haan等人的研究表明，陰影遮擋對組件型和組串型拓撲結(jié)構(gòu)的影響較小。Beuth在1998年在一個實驗中用組串型、集中型和組件型拓撲結(jié)構(gòu)光伏系統(tǒng)做陰影條件下的性能比較實驗，得出的結(jié)論是組件型拓撲結(jié)構(gòu)并不具有優(yōu)勢，從安裝成本和可靠性方面考慮，陰影條件下使用組串型和集中型逆變器更合適。但Gross等人在1997年的實驗表明，使用組件型逆變器比使用集中型逆變器可減少陰影造成損失的19.5%～25%。

為了研究陰影對光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率的影響以及組串式逆變器是否比微逆變器更有利于減少陰影造成的功率，我們進行了如下實驗：

實驗中使用七塊型號為KD202GH-2PU-KH的組件串聯(lián)接入一個型號為Sunny Boy SB 1200逆變器中組成一個組串光伏發(fā)電系統(tǒng)，組件型光伏發(fā)電系統(tǒng)使用一塊型號為KD202GH-2PU-KH的組件連接一個英偉力微逆變器，兩個系統(tǒng)在大于700W/m2的穩(wěn)定自然光伏照射下正常工作。

組件的電路圖和陰影遮擋方式如下圖所示：

圖中綠色、藍色、紅色、紫色、黃色、灰色分別表示單片、兩片橫、三片橫、兩片豎、三片豎、三角形遮擋。遮擋時，使用普通紙片進行遮擋，遮擋比例為70%，在實驗中為保證遮擋比例相同，我們同時測量了無陰影和有陰影時的太陽輻照度，然后通過改變遮擋紙片與組件之間的垂直距離來改變陰影的遮擋比例，從而獲得比較一致的遮擋比例。

首先用光伏組串I－V特性現(xiàn)場測試儀分別測量兩個光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏陣列在各種面積的陰影下的I—V曲線，我們得到的結(jié)果如下圖所示：

光伏組串在陰影下的I－V曲線

上圖中藍色線和紅色線分別是遮擋一塊和橫向三塊電池片時光伏組串的I－V曲線，洋紅色和綠色分別是遮擋一塊和橫向三塊電池片時光伏組串的功率曲線，從實驗數(shù)據(jù)來看，兩種不同面積的陰影遮擋下，最大功率點電流與無陰影遮擋時基本相同，功率點電壓下降了7.3伏左右，剛好是平均一塊組件的最大功率點電壓的1/3。這是由于每個組件都有三個旁路二極管，組件中部分電池片被遮擋時，旁路二極導(dǎo)通，導(dǎo)致組件的最大功率點電壓急驟下降。

光伏組件在陰影下的I－V曲線

綠色線和黃色線分別是遮擋一塊和橫向三塊電池片時光伏組件的I－V曲線，藍色線和紅色線分別是遮擋一塊和橫向三塊電池片時光伏組串的功率曲線，從實驗數(shù)據(jù)來看，兩種不同面積的陰影遮擋下，組件輸出的I-V曲線

 

用室外太陽能光伏系統(tǒng)效率測試儀測試得到如下數(shù)據(jù)：

從數(shù)據(jù)可知，使用微逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)在有陰影遮擋時，工作電壓升為27伏，工作電流降為0.14安培，使用組串式逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)在電壓隨被遮擋串列數(shù)而有變化，但電流隨輻照度變化，將電流實際值轉(zhuǎn)化為標準值后發(fā)現(xiàn)電流值基本與無遮擋時相同。

微逆變器光伏發(fā)電系統(tǒng)在受單片、兩片橫和三片橫遮擋時直流效率損失了70%左右，組串式光伏發(fā)電系統(tǒng)在受單片、兩片橫、三片橫、二片豎、三片豎和三角形遮擋時直流效率分別損失了。

對于微逆變器光伏發(fā)電系統(tǒng)，當與防反二極管并聯(lián)的被遮擋電池片串數(shù)為1時，單塊組件的最大功率點電壓下降到20伏以下，在電壓27V左右有一個次峰值功率點，微逆變器由于最大功率跟蹤范圍在20伏到30伏之間，所以微逆變器只能跟蹤到次峰值功率點；而當與防反二極管并聯(lián)的被遮擋電池片串數(shù)為2時，在電壓27V左右有最大功率點，由于此電壓值在微逆變器的最大功率跟蹤范圍內(nèi)，微逆變器能準確跟蹤到最大功率點。當與防反二極管并聯(lián)的被遮擋電池片串數(shù)為3時，最大功率點在16V左右。

對于組串式光伏發(fā)電系統(tǒng)，當受陰影遮擋時，與被遮擋電池片并聯(lián)的防反二極管導(dǎo)通，電壓下降，電壓下降值基本上與導(dǎo)通的二極管數(shù)量成正比，電流不變。假設(shè)光伏組串的組件數(shù)量為m，每個組件有三個防反二極管，那么電池片串數(shù)為3m，由于電池片被遮擋造成導(dǎo)通的二極管數(shù)量為n，那么直流效率的損失率為n/3m。由于電壓的下降，逆變器的轉(zhuǎn)換效率也隨之下降。

1、組串式光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流效率損失率為n/3m。

4 結(jié)語

光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流效率是反映太陽電池陣列整體性能的物理量，它僅與光伏陣列的內(nèi)部因素如最大功率跟蹤準確度、組件匹配度、電能傳輸損耗等有關(guān)。為排除外部因素如太陽輻照度和溫度對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響，需要對光伏陣列輸出功率進行修正，所以直流效率的計算公式為DC = (Istc / Irr) × (1－φ)× (PDC / Pnom)。其中溫度修正系數(shù)φ可分別用兩個公式來計算，在室外條件下使用公式φ=(Tpv–25)×λ來計算溫度修正系數(shù)比較合適。

在使用微逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，一塊組件連接一個微逆變器，減少了組件失配造成的功率損失，所以直流效率較高。通過實驗也證明使用微逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)有較高的直流效率。

光伏陣列的直流效率是光伏陣列高效運行以及經(jīng)濟效益回收的重要指標，通過光伏陣列直流效率測試可以檢測系統(tǒng)設(shè)計是否合理，電氣設(shè)備選型是否匹配等系統(tǒng)的重要信息。



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