217-建筑阴影遮挡下光伏阵列输出特性研究.pdfVIP

建筑阴影遮挡下光伏阵列输出特性 仿真分析 北京建筑大学 那威 张舟 孙永宽 北京市建筑节能与建筑材料管理办公室 宋艳 北京建筑技术发展责任有限公司 罗淑湘 摘要：分布式光伏发电系统的应用中建筑阴影遮挡是其光伏阵列输出特性的主要影响因 素。本文基于硅太阳电池工程用数学模型建立了考虑遮挡建筑阴影随时间变化规律的建筑阴 影遮挡下光伏阵列输出特性。模拟和实测结果对比显示本文方法可行性，描述一天中动态阴 影条件下的光伏阵列输出特性随时间阶段性持续变化规律，为分布式光伏系统建筑中设计、 布置等方面优化提供依据。 关键词：建筑阴影；光伏阵列；光伏组件；输出特性； 1 引言 光伏系统发电量主要受太阳辐射强度和环境温度影响，而对建筑分布式光伏系统，经 常出现系统光伏阵列中部分光伏组件处于周围建筑阴影遮挡下的情况，阴影遮挡会使光伏 阵列中部分光伏组件损失太阳直接辐射，使光伏阵列上的太阳辐射强度分布不均匀，造成 光伏阵列输出性能下降，甚至可能导致热斑效应而损坏组件[1]。建筑阴影在一天中随时间 不断变化，分析建筑阴影遮挡对光伏阵列的影响规律，对把握受建筑阴影遮挡的分布式光 伏系统光伏阵列的输出特性具有重要意义。 国内外学者对局部阴影对光伏发电系统影响的理论分析和实验研究：Khezzar R 考虑 太阳辐射强度和温度的变化提出了改进的太阳电池四参数数学模型[1] 。刘邦银、冯志诚、 SunY 等分别以模型仿真模拟、遮挡实验、实际项目监测等手段，对光伏电池组件在阴影条 件下的输出特性进行了详细分析[2-4] 。翟载腾以太阳能电池的电流方程和电路的基本理论 为基础，从理论上推导出可以运用分段函数准确描述被部分遮挡的串联光伏组件电流和功 率输出特性[5] 。Arih 针对建筑一体化光伏系统中的光伏组件，详细研究了部分遮蔽对光伏 [6] 组件电气参数的影响 。朱文杰、胡义华、刘晓艳等利用建模、仿真、实验对处于局部阴 [7-9] 影条件下的光伏阵列输出特性做出研究 ，其中朱文杰在电路串并联基础上，通过仿真 和实验对光伏阵列支路在局部阴影条件下的输出功率进行了详细分析[7] ；胡义华通过 Matlab/Simulink 对太阳能电池板处于不同阴影遮挡情况下的输出特性进行了仿真，详细 分析了太阳能电池板在阴影影响下输出特性的变化规律[8]；刘晓艳建立了描述局部阴影条 件下光伏阵列输出特性的数学模型，据此对不同的遮挡情况进行了仿真分析，并对光伏阵 列的MPPT 控制进行了讨论[9] 。上述文献虽对阴影遮挡下的光伏组件和光伏阵列进行了详细 的分析和研究，但对具有建筑阴影这种随时间不断变化的动态阴影遮挡对光伏阵列输出特 性的影响却少有涉及。 本文以硅太阳电池工程用数学模型[10]为基础，通过对建筑在晴空下成影规律的详细分 作者简介：那威，男，79 年1 月生，博士，副教授，100044，北京市西城区展览馆路1 号，010， nawei@bucea.edu.cn 。“供热、供燃气、通风与空调工程”北京市重点实验室支持 遮挡对光伏阵列的影响规律，通过实际光伏项目的模拟发电量与现场监测得到的数据进行 对比分析。 2 数学模型的建立 2.1 受遮挡光伏组件个数随时间变化模型 建筑阴影的特点是：建筑高度及太阳高度角决定了阴影的长度；建筑朝向及太阳方位 角决定了阴影的方向[11]，示意图如图1 所示。因此，计算建筑阴影首先要计算出太阳的高 度角和方位角。高度角和方位角的计算公式如下[12]： sin HA sinϕ =⋅ sinδ + cosϕ ⋅ cosδ ⋅ cos Ω （1） sinϕ ⋅sinδ + cosϕ ⋅ cosδ ⋅ cos Ω cos A sin h s （2） 式中 δ 为当地纬度（保留一位小数）； 为太阳赤纬； 为太阳时角， ϕ