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摘要:光伏在市场和政策的双轮驱动下，近几年爆发性的增长，同时也暴露出下游端电站建设的质量问题。光伏电站是一个系统集成的工程，在建设过程中各关键环节的把控不到位，也将给光伏系统的长期可靠性带来巨大的影响。以现实工程中对影响光伏系统集成的可靠性因素进行分析，从光伏组件受遮挡和产生热斑等方面分析存在的危害及隐患，为光伏电站的建设提供参考。
关键词 光伏系统 光伏电站建设 阴影遮挡 热斑 可靠性 失效
0 引言
光伏组件是光伏系统的核心部件，对其寿命的追求为25年，相应的集成系统也追求达到相当的年限。光伏电站爆发性增长的同时也暴露出了质量问题，操作不规范而出现部件的婴儿期失效，进而影响光伏系统的可靠性。光伏系统的建设周期仅占全生命周期的5%，所以在系统集成过程中需严格控制质量，确保光伏系统长期运行的可靠性。光伏系统集成的过程是将一些孤立的部件通过设计与施工等方式集中在一起，产生联系，从而构成一个有机整体的过程。光伏系统集成的可靠性是光伏电站整体集成后需满足在当地气候条件下，完成25年正常运行发电的能力。
1 光伏系统集成可靠性分析
光伏电站是一个集成的系统，全生命周期中任一环节欠缺考量将极大影响光伏电站的整体性能及长期可靠性，在集成过程中的分析设计、设备选型、电站施工等内部条件和在雷电、盐碱潮湿、风沙等外部气象环境条件的综合影响下出现隐患甚至失效现象。
1.1 遮挡与热斑分析
1.1.1 遮挡
项目前期勘查是设计与分析的依据，国家标准与行业标准对光伏发电站的建设规范只能减少系统失效的概率。即使有完整的标准体系对光伏系统进行规范化，但在实际电站中仍出现大量影响系统长期可靠性的现象，阴影遮挡是常见的现象之一，在辐照度较高的时间段出现阴影遮挡将造成较大的损失，提高组件发生热斑的可能性。
① 屋面建筑物遮挡
水泥屋面一般有上人屋面和不上人屋面两种类型，不上人屋面女儿墙较低，产生的遮挡区域相对有限，但其荷载能力较上人屋面低；上人屋面的女儿墙较高，屋面一般有较多的障碍物，设计不当或考虑不周全容易对方阵组件造成阴影遮挡。一味的追求装机量而牺牲光伏电站的安全和性能要求，也是造成此类现象的重要原因。图1是屋面排气管和装饰物过高对光伏组件造成阴影遮挡，在电站的设计和建设过程中未严格考量屋面相关建筑物的影响而布置光伏组件。
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② 光伏场区植被遮挡
选址为山地或非利用地的光伏项目，这些地方一般植被比较多，地形相对比较复杂，前期的场地整顿也给施工人员带来不小的挑战，落实到实际操作中，为节省成本，对潜在的遮挡物放任不管，施工人员按照图纸尺寸对组件进行排布，而不知其潜在的危害，埋下隐患。这种设计与施工产生的脱离给实际应用中的光伏组件造成阴影遮挡。
③ 前后、左右排遮挡
光伏场区存在坡度，施工过程中并未对坡度进行整体平整，而预制桩采取同样的入土深度，施工精度控制不到位，导致阵列产生水平偏差，造成前后、左右排组件阴影遮挡。在光伏设计中，对坡度的考虑主要是采用简化的方式进行处理，往往假定同一线上的坡度一致，而现实情况则是中间低两边高的倒弧状形貌，因此在实际施工中也将进一步放大误差而带来光伏组件间的阴影遮挡问题。
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④ 光伏场区设施遮挡
光伏系统集成前期，需根据场地情况进行详细分析与设计优化，不仅要考虑原始场地的障碍物，同时也需考虑光伏系统相关配套设备的布置情况，避免光伏集成过程中产生的自遮挡行为。如路灯等附属工程的建设需考虑其高度及与光伏阵列间的距离，既满足照明的需求同时也不可对光伏组件造成遮挡。箱式变压器因其集成度高，方便安装而广泛应用于光伏电站中，因其具备一定的重量同时要考虑水位的影响，需要为其搭建水泥基础，水泥基础的高度加上箱式变压器本身的高度在布置时就需要考虑其位置，避免位置距光伏组件过近，箱式变压器的整体高度给光伏组件造成阴影遮挡。
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⑤ 其它遮挡
光伏建筑一体化是将光伏组件当成建筑材料使用，与建筑物集成一体的过程。将光伏组件作为屋面材料，用工程胶将组件间的间隙粘合形成一面不透水且能发电的屋面。然而工程胶的使用在施工过程中容易在光伏组件表面形成污染，难以祛除，造成永久遮挡。
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1.1.2 热斑分析
热斑是太阳能光伏领域一个众所周知的现象，它是光伏组件中有局部区域温度与周围区域相比非常高，形成的异常高温区域称为“热斑”[1]。局部温度过高可导致组件局部位置焦灼，严重时可导致组件燃烧。
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太阳电池热斑的形成可由内因和外因造成，外在因素主要来源于光伏组件受到的阴影遮挡，内在因素主要由两个构成，分别与内阻和太阳电池自身暗电流大小有关[2]。对组件（阵列）的温度可用以下模型简化，其中L表示日照强度，Ta表示环境温度，Ti表示内阻产生的温升。
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T0为L=0，Ta=0，Ti=0时阵列的温度；T0、a1、a2是根据实验数据按最小二乘法处理后得到的系数，与使用的太阳电池的类型、安装地点、支架形式等因素都有关系。由式（1）可见，当光伏系统处于短路或典型负载等不同工作状态时，受遮挡部分相较于未遮挡部分的温度是不同的，流过的电流和内阻均有变化，如组件中电池损坏，其温度差异将更加明显。
对于一个串接在系统里的光伏组件，当由于某种原因，某电池被完全遮阴或部分遮阴，直至该光伏组件进入逆反状态，旁路二极管功能启动，该组件电压平衡为：
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式中：Vsb是遮阴或热斑电池两端产生的电压；Vi是每个光伏电池正常发电产生的电压；Vd是旁路二极管正向导通压降，一般为0.3~0.6V。
该平衡式的含义是该问题组件被遮阴的电池上产生的压降要大于该组件其他光伏电池所产生的电压总和，旁路二极管才能自动投入工作，进而保护该组件，此时阵列中串接的其他组件所发出的电力将大部分通过旁路二极管流出，但也有部分电流通过了被遮阴的光伏电池上。如旁路二极管仍未导通起旁路的作用，则受遮挡部位将持续为负载消耗能量并发热。
2 结语
综上，先天电池间的差异或外部遮挡影响均可提高热斑形成的可能性。因此在设备选型上建议首选一线厂商品牌的组件，提供组件检测报告，确保组件性能可靠；在设计与施工过程中应避免遮挡现象的产生。
光伏系统集成是将各部件进行组合，使之成为一个有机整体的过程，光伏系统不仅仅着重于发电量，也需确保其长期运行的安全性。光伏系统集成的可靠性需要在电站选址、分析设计、设备选型、电站施工和后期运维全生命过程中认真对待，让各组成部分及组成后相互依存的系统能在25年内安全有效的运行。
参考文献：
[1]Kottmeier K，Müller C，Huber R，et al.An investigation into hot-spots in two large grid-connected PV plants[J].Progress in Photovoltaics Research & Applications，2008，16（8）：693–701.
[2]Numerical Simulation of Current Voltage Characteristics of Photovoltaic Systems with Shaded Solar Cell.
[3]上海电力设计院有限公司、中国电力企业联合会.GB 50797-2012 光伏发电站设计规范[S].中国计划出版社，2012.