“小屋顶也能多发电”——沙特Jouf大学团队给出10模块以内光伏阵列“抗阴影最优接线图

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“小屋顶也能多发电”——沙特Jouf大学团队给出10模块以内光伏阵列“抗阴影最优接线图”（DOI: 10.3390/su14063681）

导语
在乡村屋顶、路灯杆、集装箱微电网等“寸土寸金”的小场景里，再装一块板都难，更别说预留空域避开阴影。沙特Jouf大学发表于《Sustainability》2022年第14卷的研究，首次把“10模块以内”微型光伏系统放到显微镜下：用MATLAB/Simulink把1862种可能阴影模式压缩成100个“等效图案”，系统对比了2×2、3×3、2×3、2×4、2×5五种最常用布局，在300 W/m²局部阴影（相当于一片云或电线杆影子）下，给出了一条“抗阴影接线优先级”——TCT（Total-Cross-Tied）可重构方案 > 静态TCT > 动态SP↔TCT切换 > 静态SP。实验结果显示，静态TCT比传统SP平均多发电5.3%，而“可重构TCT”最高可再提升32.3%，让迷你光伏在阴影下也能“榨干”每一缕阳光。

一、为什么“小系统”更值得单独研究？

• 数量庞大：IEA 2023报告统计，<3 kW的户用/微网系统已占全球光伏装机18%，且年增速>35%。
• 损失更敏感：大电站有1000块板，遮10块影响1%；小系统10块板，遮2块就是20%。
• 拓扑选择少：受屋顶形状、逆变器电压窗口限制，基本只能2×2、2×3、2×4、2×5、3×3五种格局。
• 改造成本低：线缆总长度<50 m，即使“可重构”也只需增加微型继电器，硬件增量<30美元。
  

二、1862→100：把“图案”变“九宫格”的降维魔法
作者发现，对SP与TCT两种接线，只要“每行每列被遮模块数”相同，电气性能就等价。于是把高阶组合（C_n^k）合并，再用MATLAB脚本自动去重，最终：

• 2×2系统：14种原始图案 → 5个等效
• 2×3系统：62种 → 11个
• 2×4系统：254种 → 20个
• 3×3系统：510种 → 32个
• 2×5系统：1022种 → 32个
  合计100个“等效阴影图案”，后续仿真工作量下降94%，却仍能覆盖所有真实场景。
  

三、四大接线方案同台PK

• 静态SP（Series-Parallel）：传统“先串后并”，线少，但任一 shaded module 把整串电流拉低到子串最低值。
• 静态TCT：每行模块两端再用“横线”短接，形成网格；电流可绕行，降低失配。
• 动态SP↔TCT：实时检测功率，根据阴影图案用继电器把阵列在SP与TCT间切换。
• TCT可重构：不改变物理位置，只改变电连接，把被遮模块“移”到同一列，使未遮列保持高电流，相当于“数独重排”。
  

四、核心结果一张表看明白
（数据基于275 W多晶板，1000 W/m²→300 W/m²局部阴影，25℃）

结论速读：

• 静态TCT已能在>70%阴影图案里击败SP；
• 动态SP↔TCT在小系统“鸡肋”，最高只提升4%，却要多装继电器与检测电路；
• 可重构TCT才是“大杀器”，特别当阴影模块数≈总模块数/2时，功率跳升20–32%。
  

五、给中国户用/微网场景的“即插即用”建议

• 新建屋顶：直接按TCT布线，只需多用约15%直流线缆，BOS成本每千瓦增加<20元，就能把阴影损失降低5%以上。
• 已有SP系统：在汇流箱加“TCT切换板”——每两串并一路继电器，成本≈150元/串，年发电量可提3–5%，适合树木、女儿墙遮挡的北坡屋顶。
• 预制微网/集装箱：出厂即内置“可重构TCT”算法，把2×4或2×5阵列做成插拔式端子，阴影来时30 ms内重排，无需额外MPPT，逆变器直流侧电压窗口≥150 V即可兼容。
• 标准制定：建议将“TCT可重构”写入<10 kW户用逆变器新国标，作为阴影抑制可选功能，与现有快速关断、拉弧检测并列。
  

六、下一步：把“重排”做成芯片级
作者正把100-case重排逻辑写成Verilog，未来计划集成到DC-DC优化器MCU，实现“模块级重排+MPPT”二合一，预计2024年流片，单颗成本<2美元，即可让275 W小板在阴影下多收30%绿电。

结语
阴影是屋顶光伏的“效率隐*”，但它并非无解。Jouf大学的研究告诉我们：只要在最常用的五种小阵列里，把接线从“一串到底”换成“网格+重排”，就能让被遮挡的屋顶继续高效发电。对于正冲刺“整县推进”与“乡村振兴”的中国光伏来说，这份“抗阴影最优接线图”值得每一座小屋顶拥有。