光伏组件与阵列设计

1.1引言太阳电池是将太阳光直接转换为电能的最基本元件，一个单体太阳能电池的单片为一个PN结，工作电压约为0.5V，工作电流约为20－25mA/cm2,一般不能单独作为电源使用。因而需根据使用要求将若干单体电池进行适当的连接并经过封装后，组成一个可以单独对外供电的最小单元即组件（太阳能电池板）。其功率一般为几瓦至几十瓦，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流，而单个组件不能满足要求时，可把多个组件通过串连或并联进行连接，以获得所需要的电压和电流，从而使得用户获取电力。根据负荷需要，将若干组件按一定方式组装在固定的机械结构上，形成直流发电的单元，即为太阳能电池阵列，也称为光伏阵列或太阳能电池方阵。一个光伏阵列包含两个或两个以上的光伏组件，具体需要多少个组件及如何连接组件与所需电压（电流）及各个组件的参数有关。太阳能电池片并、串联组成太阳能电池组件；太阳能电池组件并、串联构成太阳能电池阵列。1.2光伏组件1.2.1组件概述光伏组件（俗称太阳能电池板）是将性能一致或相近的光伏电池片（整片的两种规格125*125mm、156*156mm），或由激光机切割开的不同规格的太阳能电池，按一定的排列串、并联后封装而成。由于单片太阳能电池片的电流和电压都很小，把他们先串联获得高电压，再并联获得高电流后，通过一个二极管（防止电流回输）然后输出。电池串联的片数越多电压越高，面积越大或并联的片数越多则电流越大。如一个组件上串联太阳能电池片的数量是36片，这意味着这个太阳能组件大约能产生17伏的电压。1.2.2电池的连接与失配失配的影响:失配损失是由于电池或者组件的互联引起的，这些电池或者组件没有相同的特性或者经历了不同的条件。在PV组件和方阵中，在某种条件下失配问题是一个严重的问题，因为一个组件在最差情况的输出是由其中的具有最低输出的太阳电池决定。例如，当一个太阳电池被遮挡而组件中的其它的太阳电池并没有被遮挡时，一个处于“良好”状态的太阳电池产生的功率可以被低性能的太阳电池耗散，而不是提供给负载。这可以导致非常高的局部电力耗散，并且由此而产生的局部加热可以引起组件不可恢复的损伤。太阳能电池在串、并联成电池组件时，由于每片太阳能电池电性能不可能绝对一致，这就使得串、并联后的输出总功率往往小于各个单体太阳能电池输出功率之和，称作太阳能电池的失配。在太阳能组件的制造以及组建安装为阵列的过程中，失配问题总会存在，并或多或少的影响太阳能电池的性能。这是因为：1，太阳能电池的生产工艺决定了每一个单体不可能绝对一致；2，实际使用中每个单体还将由于遮挡，灰尘，表面损伤等原因造成个体差异。4.2.2.1太阳能电池的串联连接与失配太阳能电池串联连接时，总输出电流为最小一片电池的值，而其总的输出电压为各电池电压之和。太阳能电池串联使用时的失配损失要严重得多，一旦有一个单体电流小于其他单体，因为输出电流将取所有单个电池中最小值，整个串联回路中其他的单体的电流也将降低，从而大大降低整个回路的输出功率。如下图所示，当一串具有几个高电流太阳电池的串中有一个低电流的太阳电池时，产生热斑。一串太阳电池中有一个被遮挡，减少了好电池的电流，使得好电池要产生更高的电压。这个电压通常使坏电池反偏。如果总串联串上的工作电流接近于坏电池的短路电流，总电流就是被坏电池所限制的。好电池产生的额外的电流使好电池正向偏置。如果串联串被短路，这个跨过这些好电池的正向偏压就使得被遮挡的电池反向偏置。当许多串联的电池在阴影遮挡的电池上引起很大的反向偏压时，导致差电池上有很大的热耗散，就发生了热斑。必然地，好电池上的全部的发电容量都耗散在差电池上。在相同面积上的大量的功率耗散导致局部发热或者热斑，转而产生破坏性的影响，例如电池或玻璃的破裂、焊料的熔化或者太阳电池的衰降。4.2.2.1太阳能电池的并联连接与失配太阳能电池并联连接时，并联输出电压保持一致而输出电流为各并联电池电流之和。太阳能电池并联使用时失配损失比串联使用时小，只要最差的电池的开路电压高于该组电池的工作电压，则输出电流仍为各单体电流之和。失配损失仅来自于一些没有工作在最大工作点的单体。如果其中有单体的开路电压低于工作电压，则该单体将成为负载而消耗能量。通常可采用在每一块并联支路加防反二极管的方法，尽管不能增加该之路的输出，但可以防止电流倒流。在设计中主要是确定组件工作电压和功率这两个参数，按输出电压要求以一定数量（n）的电池片（或根据需要切割成相应大小）用互连条相互串联起来，以满足用户所需求的输出电压，然后按输出功率要求以一定数量（m）的电池片用汇流条并联起来，并通过层压封装而成为太阳能电池组件。对于通常使用的12V电池组件，一般采用一串36片太阳能电池片，即n＝36，m＝1。图4－1，4－2分别为太阳能电池组件工作原理图和等效电路图。图4－1为太阳能电池组件工作原理图图4－2为太阳能电池组件等效电路图在小组件中，太阳电池是串联联接的，所以没有并联失配的问题。在大的方阵中通常有组件的并联，所以通常是组件水平上而不是电池水平上发生并联失配。并联联接的太阳电池。相互并联的太阳电池上的电压总是相同的，并且总电流是各个独立太阳电池电流的和。1.2.3组件设计要提升电压需要串联电池片，缺点是电流值趋向于最小电流的电池片的电流；提高功率一般需要并联电池片，缺点是电压趋向于最小电压的电池片的电压。因此在同一个组件中，尽量选用性能一致的电池片。设计举列：用40mm的单晶硅太阳电池（效率为8.5%，工作电压0.41v）设计一工作电压为1.5伏，峰值功率为1.2瓦的组件。单晶硅电池的工作电压为：V=0.41v则串联电池数：Ns=1.5/0.41=3.66片，取Ns=4片单体电池面积：s=d2/4=42/4=12.57cm2单体电池封装后功率：Pm=100mw/cm212.578.5%95%=100mw=0.1w（标准测试下，太阳辐照度＝1000W/m2＝100mW/cm2）式中95%是考虑封装时的失配损失需太阳电池总的片数：N=1.2/0.1=12片太阳电池并联数：NP=N/Ns=12/4=3组故用12片40mm的单晶硅太阳电池四串三并，即可满足要求。图4－3串并联图4－4混联联接的方法如图4－3但这种联接方法有缺点，一旦其中一片电池损坏、开路或被阴影遮住，损失的不是一片电池的功率，而是整串电池都将失去作用，这在串联电池数目较多时影响尤为严重。为了避免这种情况，可以用混联（或称网状连接）的对应的电池之间连片连接起来，如图4－4，这样，即使有少数电池失效（如有阴影线的），也不致于对整个输出造成严重损失。太阳能电池组件的组成数量通常是由系统电压（或蓄电池电压）来决定，通常组件电压是蓄电池电压的1.4-1.5倍。例如：蓄电池电压为12v，组件工作电压一般为16.8-18v之间，那么电池片数量为18v/0.5v，也就是36片。所以常用数量36或40片，大功率组件为72片。＋－＋－常规组件，36片电池串联联接，为了生成满足12V蓄电池充电的电压。1.2.4组件的串、并联当每个单体的电池组件性能一致时，多个电池组件的串联连接，可在不改变输出电流的情况下，使组件阵列的输出电压成比例的增加；而组件并联连接时，则可在不改变输出电压的情况下，使组件阵列的输出电流成比例的增加；串、并联混合连接时，即可增加组件阵列的输出电压，又可增加组件阵列的输出电流。但是，组成阵列的所有电池组件性能参数不可能完全一致，所有的连接电缆、插头插座接触电阻也不相同，于是会造成各串联电池组件的工作电流受限于其中电流最小的组件；而各并联电池组件的输出电压又会被其中电压最低的电池组件钳制。因此阵列组合会产生组合连接损失，使阵列的总效率总是低于所有单个组件的效率之和。组合连接损失的大小取决于电池组件性能参数的离散性，因此除了在电池组件的生产工艺过程中，尽量提高电池组件性能参数的一致性外，还可以对电池组件进行测试、筛选、组合，即把特性相近的电池组件组合在一起。例如，串联组合的各组件工作电流要尽量相近，每串与每串的总工作电压也要考虑搭配得尽量相近，最大幅度地减少组合连接损失。因此，组件的串、并联组合连接要遵循下列几条原则：①串联时需要工作电流相同的组件，并为每个组件并接旁路二极管；②并联时需要工作电压相同的组件，并在每一条并联线路中串联防反充二极管；③尽量考虑组件连接线路最短，并用较粗的导线；④严格防止个别性能变坏的电池组件混入电池阵列。1.2.5组件的热岛效应太阳能电池组件在使用过程中，如果有一片太阳能电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等，单独被遮挡的太阳能电池在强烈阳光照射下就会发热损坏，于是整个太阳能电池组件损坏。这就是所谓热岛效应。为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使树叶等不能附着，同时在太阳能电池组件上安装防鸟针。对于大功率的太阳能电池组件，为防止太阳能电池在强光下由于遮挡造成其中一些因为得不到光照而成为负载产生严重发热受损,最好在太阳能电池组件输出端的两极并联一个旁路二极管，旁路二极管的电流值不能低于该块太阳能组件的电流值。1.2.6制约组件输出功率的因素由于太阳能的输出功率取决于太阳光照强度、太阳能光谱的分布和太阳电池的温度、阴影、晶体结构。因此太阳电池组件的测量在标准条件下(STC)进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：光谱辐照度为1000W/m2；光谱AMl．5；电池温度25℃。在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，其单位表示为峰瓦(Wp)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。4.2.6.1温度和光照强度对太阳电池组件输出特性的影响太阳电池组件温度较高时，工作效率下降。随着太阳能电池温度的增加，开路电压减小，在20～100℃范围，大约每升高1℃每片电池的电压减小2mV；而光电流随温度的增加略有上升，大约每升高1℃每片电池的光电流增加千分之一，或0.03mA／℃•cm2。总的来说，温度升高太阳电池的功率下降，典型温度系数为－0.35％／℃。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1℃，则功率减少0．35％。因此，使组件上下方的空气流动非常重要，因为这样可以将热量带走，避免太阳能电池温度升高。这里介绍的是温度对晶体硅太阳电池性能的影响，非晶硅太阳电池则不同，根据美国Uni—Solar公司的报道，该公司三结非晶硅太阳电池组件的功率温度系数只有－0.21％。光照强度与太阳电池组件的光电流成正比，在光强由100～1000W／m2范围内，光电流始终随光强的增长而线性增长；而光照强度对光电压的影响很小，在温度固定的条件下，当光照强度在400～1000W／m2范围内变化，太阳电池组件的开路电压基本保持恒定。正因为如此，太阳电池的功率与光强也基本成正比。组件的最大输出功率随着太阳辐射强度的增强而增大；随着太阳辐射强度的减弱而减小，如图4－5所示。图4－5最大输出功率随着太阳辐射强度的变化4.2.6.2阴影对太阳电池组件输出特性的影响阴影对太阳电池组件性能的影响不可低估，甚至光伏组件上的局部阴影也会引起输出功率的明显减少。某些组件比其他组件更易受阴影影响，有时仅仅一个单电池上的小阴影就产生了很大影响。一个单电池被完全遮挡时，太阳电池组件可减少输出75％。所以阴影是场地评价中非常重要的部分。虽然组件安装了二极管以减少阴影的影响，但由于低估了局部阴影的影响，建成的光伏系统性能和用户的投资效果都将大为逊色。1.3光伏阵列1.3.1阵列的基本构成太阳能电池阵列的基本电路构成是由太阳能电池组件集合体的太阳能电池组件串、防止逆流元件、旁路元件和接线箱等构成的。太阳能电池组件串，是指由太阳能电池组件串联连接构成的太阳能电池阵列满足所需输出电压的电路。在电路中，各太阳能电池组件串通过防止逆流元件相互并联连接。光伏阵列的任何部分不能被遮荫，如果有几个电池被遮荫，则它们便不会产生电流且会成为反向偏压，这就意味着被遮电池消耗功率发热，久而久之，形成故障。但是有些