光伏电站太阳能组件横排和竖排优势分析论文_黄荟

摘要：随着我国经济社会持续发展，能源生产和消费模式正在发生重大转变，能源产业肩负着提高能源效率、保障能源安全、促进新能源消纳和推动环境保护等新使命。光伏项目随着政策的推进越来越普及，项目成本越来越低。光伏项目精细化的设计对于降本增效越来越重要。本文以华能上海罗泾光伏发电项目为例，对光伏组件在相同位置，相同组件的单列布置下横排和竖排的优势对比。

关键词：光伏组件；横排布置；竖排布置；遮挡

引言

在光伏发电项目组件排布的设计非常重要，好的组件排布对整体安装容量、安装难易程度、长期发电量及保障投资收益，都有不少区别。通过深入分析组件的横排和竖排方式对发电量增益的影响相当有必要，不仅有益于提高项目整体收益，还能降低施工安装难度。

1、 横、竖排方案简介

光伏组件横排是指组件安装到支架时，长边与东西方向平行，组件竖排是指组件安装到支架上时，短边与东西方向平行。示意图详见下图：

图 3.1-1 光伏组件横、竖排方案

图3.1-2 光伏组件横排竖排现场安装图

2、横排竖排占地面积比较

组件占地是在一定倾角的条件前排组件不遮挡后排（通常按冬至日真太阳时9：00-15：00前排不遮挡后排）。那么只要组件容量一定，倾角一定，组件横排与竖排占地一样多，利用简单的平行四边形就可计算得出。所谓的组件横排之后支架变高，阵列间距加大，只是中间视觉过程，实际占地几乎一样。

3、光伏专用缆用量及线损

组件横排光伏专用缆U型串线后，直流侧更集中，如下横排图所示，每个组串的电缆利用组件自带正负极线即可完成，1×4mm2电缆用量会减小，线损也会相应降低。而组件竖排时，如下竖排图所示，需要另接两根电缆到汇流箱，线缆用量增大，线损也加大。

图3.3-1 组件横排组和竖排串串线方式

4、 组件横、竖排发电量影响

4.1 前后遮挡造成电站电量损失

在电站设计过程中， 阵列间距是非常重要的一个参数。由于土地面积的限制，阵列间距一般只考虑冬至日 6 个小时不遮挡。然而，6小时之外，太阳能辐照度仍是足以发电的。从本人获得的光伏电站的实测数据来看，大部分电站冬至日的发电时间在7小时以上，在西部甚至可以达到9个小时。（一个简单的判别方法，日照时数是辐射强度≥120W/m 2 的时间长度，而辐射强度 ≥50W/m 2 时，逆变器就可以向电网供电。因此，当 12 月份的日照时数在 6h 以上时，发电时间肯定大于6h。）

结论：我们为了减少占地面积，在早晚前后光伏方阵必然会有遮挡，造成发电量损失。

4.2 光伏组件都有旁路二极管

热斑效应：一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量，被遮蔽的太阳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电池。有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏， 最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。因此，旁路二极管的作用就是：当电池片出现热斑效应不能发电时，起旁路作用，让其它电池片所产生的电流从二极管流出，使太阳能发电系统继续发电，不会因为某一片电池片出现问题而产生发电电路不通的情况。

结论：光伏组件式需要旁路二极管的。

4.3 二极管在纵向遮挡和横向遮挡时的作用

当组件竖向排布时，阴影会同时遮挡3个电池串，3个二极管若全部正向导通，则组件没有功率输出，3个二极管若没有全部正向导通，则组件产生的功率会全部被遮挡电池消耗，组件也没有功率输出。

当组件横向排布时，阴影只遮挡1个电池串，被遮挡电池串对应的旁路二极管会承受正压而导通，这时被遮挡电池串产生的功率全部被遮挡电池消耗，同时二极管正向导通，可以避免被遮挡电池消耗未被遮挡电池串产生的功率，另外2个电池串可以正常输出功率。

图3.4.3-1 组件横向布置和组件竖向布置时被遮挡示意图

结论：纵向遮挡，3串都受影响，3串的输出功率都降低；横向遮挡，只有1串受影响，另外2串正常工作。

标准测试条件（即温度25℃，光谱分布AM1.5，辐照强度是1000W/m2，）下，未遮挡、纵向遮挡、横向遮挡的输出功率图：

图3.4.3-3 组件未被遮挡时的输出功率图

图3.4.3-3 组件横向遮挡时和竖排遮挡时的输出功率图

从图中可以看到，3组件横向遮挡电池片时，组件的输出功率约为正常输出功率的 2/3，说明二极管导通，起到保护作用，组件纵向遮挡电池片时，组件几乎没有功率输出，测试结果与理论一致。

结论：在光伏电站中组件采用横向排布，可以减少阴影遮挡造成的发电量损失。

为了更好的说明这一问题，借用一组实验实测的数据来说明。采用了下面7种不同的遮挡方式。

图3.4.3-6 7种不同的遮挡方式

这7种遮挡方式中，方案2和方案6、方案3和方案7的遮挡量基本相同。那他们的输出功率如下表。

可以看出，方案6的输出功率远大于方案2，方案7的输出功率远大于方案3。纵向安装阴影遮挡后，二极管全部导通，在这种情况下，组件的电流是很低，小于1A；横向安装阴影遮挡后，仅有一个二极管导通，其余两个是正常的，所以功率降低不大。

4.4 半片组件横、竖排影响分析

半片电池技术使用激光切割法沿着垂直于电池主栅线的方向将标准规格电池片(156mmx156mm)切成相同的两个半片电池片(156x78mm)后进行焊接串联。为了与整片电池构成的组件在电气参数上一致，应在组件内部进行电池片的串并联。一种可能的连接方式为：每20片半片串联，与另外一串20个半片并联，再整体与第二个这种并联体串联，再与第三串串联，仍旧使用三个旁路二极管。

由于太阳能晶硅电池电压与面积无关，而功率与面积成正比，因此半片电池与整片电池相比电压不变，功率减半，电流减半。

图3.4.4-1 半片电池片电流减半

图3.4.4-2 半片组件内部串并联示意图

结束语

兼顾支架与土地利用率的同时，同常规组件竖向布置相比减少遮挡造成的发电量损失。常规光伏组件安装在光伏电站上进行组件阵列排布时，通常有纵向排布与横向排布两种方式。纵向排布组件的优点是安装方便、支架利用率高、占地面积较小，缺点是在早晚阴影、灰尘、水渍、积雪等造成遮挡时，纵向排布的组件发电量损失比横向组件更多。半片组件凭借其特殊的并串结构，可以使组件在纵向排布提高支架与土地利用率的同时减少阴影遮挡造成的发电量损失。

参考文献

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论文作者:黄荟

论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期

论文发表时间:2020/4/13

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