光伏发电损失的罪魁祸首——木桶效应【精彩刺激的赛车竞速游戏】

常常听见光伏部件经常出现种种创意，比如组件实验室效率24％、量产效率20％，而逆变器切换效率声称99％。其中组件效率所指的是光电切换效率，逆变器切换效率所指的就是指其直流输出切换为电网交流的工作效率。大家都告诉电站“切换效率”十分关键，因为它直接影响到了发电收益。虽然上面提及的两个核心部件的切换效率已构建了跨越式突破，但还是常常看见光伏电站的统计数据中，从光伏组件直流切换为电网交流的切换效率却较低至74～80％。

即使逆变器切换效率实际为98％，但是这个差额18～24％去哪里了？有人有可能猜测是交直流电缆线损、直流汇流箱或交流配电柜损耗所造成，但是这部分损耗一般仅有为1～3％左右，还是说明没法这么大的能量损失。只不过，车站在整体系统的角度考虑到，“发电量损失”的根源正是“组件串联的木桶效应所造成的失配损失”，木桶效应是光伏发电损失的罪魁祸首，这也是本文所要辩论的核心问题。

1、光伏组件的伏安特性当前光伏发电市场的应用于主流是晶硅组件，包括多晶和单晶。薄膜电池可倾斜性好、弱光发电能力较强，但相比较之下，晶硅组件性价比、能量密度更高及长年运营稳定性更佳。

所以，晶硅组件也沦为本文的主要辩论对象。晶硅组件核心材料是量大价低的半导体硅，主要由电池片、焊带、背板、边框、及含有旁路二极管的接线盒等包含，如图1右图。图1晶硅光伏组件的外形图光伏组件内部电池片的等效模型如图2右图，其中Rs为组件串联电阻、Rsh为组件自身电阻。光伏电池本质上是一个电流源，只是这个电源东流被二极管限定版电压至0．5～0．7V。

由于晶硅组件内部由多个电池片串联而出，因此组件输入电压约为30～42V。图2光伏组件内部电池片的等效模型基于以上电池片等效模型，可以获得以下光伏电流和电压之间的数学函数关系式。根据高等数学的涉及科学知识，从这个函数关系可以确切显现出，这两者之间是一种非线性关系。

光照强度直接影响组件输入电流，以sunpower白硅单晶组件为事例，如图3右图（https：／／us．sunpower．com／sites／sunpower／files／media－library／data－sheets／ds－e18－series－225－solar－panel－datasheet．pdf）。光照强度为200w／m2时，组件电流为1．2A；如果光照强度减小至1000w／m2时，组件电流适当减小至6．0A，从而解释组件电流与光照强度成正比，反之亦然。图3光伏组件的伏安特性曲线由图3也可看见一个有意思并且最重要的现象，即在标准测试条件（STC）下，每种光照条件的伏安特性曲线只有一个拐点，这个点就是光伏组件的仅次于功率点（MPP）。

另外，如果STC中的环境温度由25C减小至50C时，同种光照强度下组件电流基本无变化，但组件电压不会减少，从而解释环境温度直接影响光伏组件输入电压。图4确切说明了晶硅组件的温度特性：相对于25Co标准测试条件，温度每增高1Co，组件电流可减小0．067％，组件开路电压减少0．33％，组件仅次于功率减少0．43％。从而温度对组件电压影响较小，但对组件电流影响并不大，基本可以忽略不计，因而温度每增高1Co，组件MPP电压减少0．43％。

这里挂个题外话，在组串中自由选择组件串联的个数时，须要根据所搭配的组件温度系数，细心核算低温下组串电压不能多达逆变器的仅次于输出电压。图4晶硅组件的温度特性2、组件和组串的内部串联结构常常听见晶硅组件60片、72片的众说纷纭，这个实际谈的是组件内部电池片串联的个数，每个电池片是一个独立国家的光伏电池单元。如图5右图，每20片或24片光伏电池对应一个子串，光伏组件由3个子串串联而出，每个子串两端反并联一个旁路二极管，旁路二极管可减轻热斑效应。这3个子串的输入线及旁路二极管在组件接线盒中用作电气相连，再行通过接线盒引向总的正负两根出线，也就是光伏组件日常附带的直流连接器和电缆。

图4晶硅组件内部的3个子串及其旁路二极管以上说明了晶硅组件内部由3个子串串联而出，只不过当前光伏发电系统的光伏组串也是由多个组件串联而出，如图5右图。不管是集中式逆变器的直流汇流箱、还是组串式逆变器的直流输出末端，都会终端光伏组串，组串一般由20～24个组件串联而出。所以，当前所有光伏发电本质上都是把多个电池片串联用于，以分解光伏组串的直流高压，便于逆变器构建并网交流发电。由初中物理科学知识由此可知，电路中不容许多个电流源串联，否则总电流由大于电流的电流源要求。

另外在这里偷偷地说一句，几个组串并联也不存在能量损失，由于线路电阻的不存在，并联电压源的总电压由低于电压的电压源要求。图5多个组件串联的组串式或集中式光伏发电系统3、光伏组件的木桶效应参照度娘百科，盛水的木桶是由多块木板箍成的，丰水量也是由这些木板联合要求的。若其中一块木板很短，则此木桶的盛水量就被容许，该短板就出了这个木桶丰水量的“容许因素”（或称之为“短板效应”）。

若要使此木桶丰水量减少，只有换成短板或将其缩短才讫。一个水桶无论有多低，丰水量各不相同其中最短的那块木板，人们把这一规律总结为“木桶原理”或“木桶效应”，又称“短板理论”。

其核心内容为：一只水桶盛水的多少，并不各不相同桶壁上最久的那块木块，而才是各不相同桶壁上最短的那块。根据这一核心内容，“木桶效应”还有两个假设：其一，只有桶壁上的所有木板都充足低，那水桶才能盛满水。

其二，只要这个水桶里有一块过于高度，水桶里的水就不有可能是剩的。为了让水桶尽可能多装水，必需要找到薄弱环节（短板），并且改良该环节把这个较短木板缩短。

命苦无法恨政府，快乐的家庭是相近的，而意外的家庭各有各的意外。很意外光伏组件串联或内部串联子串都不存在木桶效应，甚至可以说道木桶效应已充满著光伏发电系统中。由于组件内部串联子串或组串中多个组件串联的本质特性相近，以下以组串为事例解释。

如图7右图，由3个光伏组件串联包含一个组串，每个组件电流完全相同时，包含组串的总电流也完全相同，实质上组串总电流相等每个组件电流。这种工作状况下，每个组件的MPP完全一致，当然这是一种十分理想而实际中并不不存在的情形。图7组件MPP完全一致情况下的组串电气特性理想很甜美，现实过于骨感。

实质上，组串中每个组件MPP不有可能完全一致，如图8右图的第3个组件（PV3）由于种种原因MPP发生变化，而第1、2个组件（PV1、2）依然可实现MPP。这种情况下如果这3个组件依然串联包含一个组串时，组串的总电流不有可能超过理想数值，也不有可能之后仅次于功率输入。

组串仅次于输出功率不受逆变器的MPPT算法容许，既有可能工作于不受电流源串联物理原的影响而电流容许在PV3的小MPP电流，也有可能工作于PV1、2近似于仅次于功率点而PV3旁路二极管导通的状态（即图8右图）。图8组件MPP不完全一致情况下的组串电气特性4、木桶效应造成组件失配上一节提及，当组串中组件PV3的MPP变小时，组串仅次于输出功率不受逆变器的MPPT算法容许，既有可能工作于不受电流源串联物理原的影响而电流容许在PV3的MPP，此时的直观状态是组串电压低而功率小；也有可能工作于PV1、2近似于仅次于功率点而PV3旁路二极管导通的状态，此时的直观状态是组串电压较低而功率大。

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