阴影条件下光伏组件旁路二极管优化配置研究

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  【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:
  太阳能电池的输出伏安特性是分析光伏组件特性的重要数据之一,对于光伏发电系统的分析和设计具有重要意义。在太阳能单二极管等效电路的基础上,分析了太阳能电池模型,得知单二极管等效模型能准确的模拟出太阳能电池的伏安特性,能为优化旁路二极管的配置提供准确的数值。
  (二)阴影条件下,太阳能电池的工作特性
  如图1所示,为太阳能电池等效电路图。
  图1 太阳电池等效电路图
  如图2所示,为太阳能电池的输出特性曲线图。
  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
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