局部阴影条件下建筑集成光伏系统的能效评估

摘要：对于建筑集成光伏系统，局部阴影对系统能效的影响非常大。通过对集中式系统和多串式系统在两种典型阴影条件下的研究，发现当阴影问题较严重时，两种能量变换结构的系统能效有较大的区别，但当阴影问题不明显时，两种结构的系统能效基本相同。通过研究表明，在局部阴影影响较大的系统中，采用合适的能效变换结构是解决问题的关键。

关键词：光伏系统；局部阴影； 能量变换结构；能效

中图分类号：TN209 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）08-1823-03

光伏系统的能量变换结构常采用集中式系统、串式系统或多串式系统，影响系统能效的主要因素包括环境条件、电气参数及变换器的输入电压范围等[1-3]。在诸多的影响因素中，局部阴影对许多光伏系统来说是关键的影响因素，但此方面的研究相对较少[4]。尤其在建筑集成光伏（BIPV）系统中，光伏组件一般固定在建筑物面向太阳的部分，但周围的树木、其它建筑物会在光伏组件上留下阴影或局部阴影，降低系统能效 [5-7]，所以研究局部阴影的影响有很重要的意义。

1 光伏组件的局部阴影

光伏组件的局部阴影可以定义为：

[S=1-EbehindEbefore×100%] （1）

式中Ebehind为遮挡物之后的光照强度， Ebefore为遮挡物之前的光照强度，单位 W/m2。光伏组件的光生电流与温度和阴影有关，在不考虑光伏组件温度的影响时光生电流可用式（2）表示，其中Iph0为光伏组件在标准测试条件下的光生电流。

[Iph=（1-S）Ebefore1000Iph0] （2）

2 能量变换结构及能效计算方法：

在研究光伏组件的能效问题时，需要确定光伏系统的能量变换结构，能量变换结构有集中式系统、串式系统和多串式系统等[2-3]。集中式系统由光伏阵列（光伏组件串并联形成）和集中式逆变器构成，其能效计算如下式所示：

[ηEC=ηCIPASk=1nPM_K×100%] （3）

其中，[S=10，，（VCImin≤VA≤VCImax）（VA≤VCImin，VCImax≤VA）]

式中n表示系统中所含光伏组件的个数，在一定外部环境条件下，第k个光伏组件可输出的最大功率为PM_K，光伏阵列的输出电压为 VA，光伏阵列的实际输出功率为PA，集中式逆变器正常运行时输入电压的最小值为VCimin，最大值为VCimax，集中式逆变器的效率为ηCI。

常规串式与多串式系统由1-3个光伏组件串和相应结构的逆变器构成[4]，在一定外部环境条件下，其能效计算由公式（4）决定：

[ηEC=ηSIj=1mPS_jSjk=1nPM_K×100%] （4）

其中，[Sj=10，，（VSImin≤VS_j≤VSImax）（VS_j≤VSImin，VSImax≤VS_j）]

式中n表示系统中所含光伏组件的个数，m为系统中光伏组件串的个数，在一定外部环境条件下，第k个光伏组件可输出的最大功率为PM_K，第j个光伏组件串的输出电压为VS_j，第j个光伏组件串下的实际输出功率为PS_j为，串式或多串式逆变器的效率为ηSI，串式或多串式逆变器输入电压的最小值为VSimin，最大值为VSimax。

3 系统能效评估

3.1系统能效评估的条件

以光伏组件为最小阴影单元，在不考虑温度时，光伏电池元电气参数如表1所示，图中Iph0为光生电流，二极管D1的反向饱和电流为Is1，二极管D1的品质因子为A1；二极管D2的反向饱和电流为Is2，二极管D2的品质因子为A2。

3.2系统能效评估（局部阴影条件A）

局部阴影条件A主要模拟系统处于强光且阴影问题不严重时。两组光伏组件的具体阴影分布情况如表3所示，此时只有少数几个光伏组件处在阴影中，且没有完全阴影的组件（S=1）。

3.3系统能效评估（局部阴影条件B）

局部阴影条件B主要模拟系统处于强光且阴影问题严重时。两组光伏组件的具体阴影分布情况如表4所示，此时有多个光伏组件位于阴影中，且有3个完全阴影（S=1）。

4 结论

对于建筑集成光伏系统，局部阴影对系统能效的影响非常大。根据两种阴影条件情况的能效评估结果，在假设的能效评估条件下，我们发现当阴影问题不严重时，多串式和集中式系统能量变换结构的系统能效均比较高并且差别较小；当阴影问题较严重时，两种能量变换结构的系统能效差别很大。总的来讲，多串式系统比集中式系统的能效高，所以选择更优的能量变换结构是提高系统能效的关键因素。

参考文献：

[1] Tsani S， Stela Z. Energy consumption and economic growth： A causality analysis for Greece[J]. Energy Economics，2010， 32（3）： 582-590.

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[3] Tsani S， Stela Z. Energy consumption and economic growth： A causality analysis for Greece[J]. Energy Economics，2010， 32（3）： 582-590.

[4] 徐鹏威，刘飞，刘邦银.几种光伏系统MPPT方法的分析[J].电力电子技术，2011，41（5）：3-5.

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