《Energies》：Techno-Economic Approach for the Analysis of Uniform Horizontal Shading on Photovoltaic Modules: A Comparative Study of Five Solar Sites in Mauritania
Cheikh Malainine Mrabih Rabou,
Ahmed Mohamed Yahya,
Mamadou Lamine Samb,
Kaan Yetilmezsoy,
Shafqur Rehman,
Christophe Ménézo and
Abdel Kader Mahmoud
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在沙漠环境中，积灰和部分阴影显著阻碍了光伏（Photovoltaic, PV）的性能。为了填补极端撒哈拉条件下实证数据的空白，本研究在毛里塔尼亚开展了一项针对均匀水平阴影（Uniform Horizontal Shading, UHS）的创新性技经评估。研究使
在沙漠环境中，积灰和部分阴影显著阻碍了光伏（Photovoltaic, PV）的性能。为了填补极端撒哈拉条件下实证数据的空白，本研究在毛里塔尼亚开展了一项针对均匀水平阴影（Uniform Horizontal Shading, UHS）的创新性技经评估。研究使用250 W晶体硅光伏组件和PVPM 2540C I–V曲线追踪器进行受控户外实验，施加2.5%至20%的渐进式阴影水平。本研究的创新之处在于将高分辨率实验I–V/P–V特性表征与针对五个预商用光伏电厂的本地化技经模型相结合。观察发现，光伏组件对阴影异常敏感；具体而言，仅10%的阴影面积导致功率和电流出现灾难性的90%下降，而电压保持 remarkably 稳定。热成像分析进一步验证了热梯度及旁路二极管的功能性。通过量化财务影响，本研究强调，在五个实地站点中，累积经济损失达到87.95%，超过55,000 MRU。这些发现为优化干旱地形中的光伏系统提供了战略框架，并为增强沙漠环境中大规模太阳能应用的设计和运营提供了强有力的工具。
**论文解读：基于均匀水平阴影的光伏组件性能与技经影响分析——以毛里塔尼亚沙漠环境为例**
在全球能源部门主要依靠化石燃料燃烧导致大量温室气体（Greenhouse Gas, GHG）排放，且人口增长与技术发展加剧能源基础设施压力的背景下，向可持续能源转型已成为紧迫任务。在众多可再生能源中，光伏（Photovoltaic, PV）技术因其成熟性和商业可行性而脱颖而出。然而，PV阵列的运行效率常受环境挑战影响，尤其是部分阴影条件，这会破坏组件有源表面的均匀光照，导致功率损失、热点形成甚至热降解。尽管现有研究已关注到从阵列重配置到改进电气配置等多种缓解策略，且模拟工具如MATLAB-Simulink在分析阴影效应方面发挥作用，但纯软件方法在实际PV系统分析中仍存在局限，特别是在极端气候条件下，缺乏结合高分辨率实验数据与本地化技经评估的综合研究。毛里塔尼亚具有典型的柯本-盖格BWh气候（炎热沙漠气候），具有高照度、重灰尘和显著温度波动的特征，这种极端环境下的实证数据尤为稀缺。因此，研究人员旨在通过实验研究均匀水平阴影（Uniform Horizontal Shading, UHS）对撒哈拉环境光伏组件的影响，并将其转化为全面的技经框架，以填补这一知识空白。
研究人员在毛里塔尼亚努瓦克肖特的URA3E实验室开展了户外实验。研究对象为250 W晶体硅光伏组件，使用PVPM 2540C I–V曲线追踪器和校准参考电池进行电气参数测量，同时利用BSIDE HX1红外热成像相机进行热分析，并配备风速计、辐射计和温度计以记录气象数据。实验模拟了2.5%至20%的渐进式UHS水平，该范围代表了撒哈拉气候中常见的积灰和灰尘积累模式。研究人员通过非透光聚合物板产生均匀阴影，确保透光率近似为零，从而排除光扩散误差。随后，研究人员将实验得出的相对功率损失函数扩展应用于毛里塔尼亚五个不同地点的JA Solar 560 W光伏电厂，结合当地电费和避免的二氧化碳（CO2）排放数据进行技经评估。样本队列来源为毛里塔尼亚五个实际运营的光伏站点，包括Kiffa购物中心、Chami服务站、Bareina住宅、努瓦迪布住宅以及努瓦克肖行政大楼。
在研究结果部分，研究人员首先分析了均匀阴影对光伏电气参数的影响。结果表明，随着阴影比例增加，最大功率电压（Vmp）基本稳定，而最大功率电流（Imp）和短路电流（Isc）显著下降。具体而言，当阴影面积达到10%时，Imp从5.92 A急剧降至0.63 A，降幅高达90%。其次，在I–V和P–V特性响应趋势方面，Isc和Imp在阴影0%至10%区间呈线性下降，超过10%后趋于饱和；开路电压（Voc）变化微弱，仅在最大阴影下下降不超过2.5%。P–V曲线显示，最大功率从无阴影时的162.6 W降至20%阴影时的18.3 W。第三，在最大功率损失与效率降解方面，实验数据拟合显示Isc和Pmax与阴影比高度线性相关，效率随阴影增加持续下降。第四，在电压、电流和功率的相对损失量化中，10%阴影导致90%的功率和电流损失，证实了组件对微小阴影的高度敏感性。第五，热图分析显示，阴影区域温度低于受光区域，且未发现热点，表明旁路二极管功能正常，有效防止了局部过热。最后，在技经分析中，五个站点的累积能量损失在20.44%至87.95%之间，其中Kiffa购物中心的损失最大，达9.42 MWh（55,598.65 MRU）。同时，避免的CO2排放量也随阴影增加而急剧减少，例如Kiffa站点从4287.2 kg降至516.36 kg。
在讨论部分，研究人员指出本研究的强度在于基于毛里塔尼亚极端撒哈拉气候的实地实验数据，以及从250 W组件到560 W商用模块的合理缩放方法，确保了技经预测的物理有效性。热图分析证实了旁路二极管在防止热应力方面的鲁棒性。然而，研究也存在局限性，如仅关注均匀水平阴影，未涵盖非均匀或动态阴影，且仅限单一类型的晶体硅组件，地理范围局限于毛里塔尼亚。未来研究可延伸至非均匀阴影模式、不同光伏技术（如双面组件）及长期季节性测试。
综上所述，研究人员得出结论：在毛里塔尼亚的撒哈拉条件下，光伏组件对UHS表现出极高的敏感性，10%的阴影即可导致90%的功率和电流损失，主要由串联电池的电流限制引起，而电压保持相对稳定。热图分析验证了旁路二极管的有效性。技经分析量化了显著的能源损失和财务成本，强调了在干旱地区进行系统性预防维护和清洁对于确保投资回报率（Return on Investment, ROI）和系统运营可行性的重要性。本研究为沙漠环境光伏系统的设计优化和运营提供了重要的实证支持和战略框架。
