第十一三講 太陽能電池組件與陣列.ppt

第十三講太陽能組件與陣列,2.13.1太陽能電池組件,1.太陽能電池的單體、組件和方陣,(a)單體(b)組件(c)方陣,若干單體電池電池組件若干電池組件電池陣列,（1）太陽能電池單體前面介紹的太陽能電池，在太陽能電池的結(jié)構(gòu)術(shù)語中，稱為太陽能電池單體或太陽能電池片，是將光能轉(zhuǎn)換為電能的最小單元。單體電池一般不直接作為電源使用，原因：機(jī)械強(qiáng)度較低：單體電池是由半導(dǎo)體或化合物材料制成，薄而脆，不能經(jīng)受較大的撞擊。,耐腐蝕性差：太陽能電池的電極，不能長期裸露使用。大氣中的水分和腐蝕性氣體會(huì)緩慢地腐蝕電極（尤其是上電極和硅擴(kuò)散層表面的接觸面），逐漸使電極脫落，導(dǎo)致太陽能電池壽命終止。因此，使用時(shí)必須將太陽電池與大氣隔絕。輸出電壓、功率很低：單體電池工作電壓低（典型值0.48V，由硅材料的性質(zhì)決定），輸出功率?。s1W，受硅材料的尺寸限制）。,（2）太陽能電池組件實(shí)際使用時(shí)按負(fù)載要求，將若干單體電池按電池性能分類進(jìn)行串并聯(lián)，經(jīng)封裝后組合成可以獨(dú)立作為電源使用的最小單元，這個(gè)獨(dú)立的最小單元稱為“太陽能電池組件”，電池組件功率一般為幾瓦、幾十甚至到數(shù)百瓦。（3）太陽能電池陣列為了滿足高電壓、大功率的發(fā)電要求實(shí)際使用時(shí)按負(fù)載要求，將若干太陽能電池組件通過串、并聯(lián)連接，并用一定的機(jī)械方式固定組合在一起，配以防反充（防逆流）二極管、旁路二極管、電纜等元件構(gòu)成“太陽能電池陣列”。太陽能電池陣列通常需要牢固的安裝在支架基礎(chǔ)上。,（1）技術(shù)要求合格的太陽能電池組件應(yīng)該達(dá)到一定的技術(shù)要求，相關(guān)部門也制定了電池組件的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如IEC61215（GB/T95352006）等。層壓封裝型硅太陽能電池組件的一些基本技術(shù)要求：光伏組件在規(guī)定工作環(huán)境下，使用壽命應(yīng)大于20年（使用20年，效率大于原來效率的80%）；組件的電池上表面顏色應(yīng)均勻一致，無機(jī)械損傷，焊點(diǎn)及互連條表面無氧化斑；,2.太陽能電池組件的技術(shù)要求和檢驗(yàn)測(cè)試,組件的每片電池與互連條應(yīng)排列整齊，組件的框架應(yīng)整潔無腐蝕斑點(diǎn)。組件的封裝層中不允許氣泡或脫層在某一片電池與組件邊緣形成一個(gè)通路，氣泡或脫層的幾何尺寸和個(gè)數(shù)應(yīng)符合相應(yīng)的產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范規(guī)定。組件的功率面積比大于65W/m2，功率質(zhì)量比大于4.5W/kg，填充因子FF大于0.65。組件在正常條件下的絕緣電阻不得低于200M。,組件EVA（一種起粘接作用的膠膜）的交聯(lián)度應(yīng)大于65%，EVA與玻璃的剝離強(qiáng)度大于30N/cm，EVA與組件背板材料的剝離強(qiáng)度大于15N/cm每塊組件都要有包括如下內(nèi)容的標(biāo)簽：a.產(chǎn)品名稱與型號(hào)；b.主要性能參數(shù)；c.制造廠名、生產(chǎn)日期及品牌商標(biāo)等。,（2）太陽能電池組件的檢驗(yàn)測(cè)試測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T9535-2006地面用晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)鑒定和定型電性能測(cè)試測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)條件：光譜AM1.5，光強(qiáng)輻照度1000W/m2，環(huán)境溫度25。主要測(cè)試項(xiàng)目：短路電流，開路電壓，峰值電流，峰值電壓，峰值功率，填充因子，轉(zhuǎn)換效率等。,太陽能電池組件的電性能與輻照度關(guān)系,若溫度不變，組件短路電流Isc、最大輸出功率Pm與輻照度成正比,太陽能電池組件的電性能與溫度關(guān)系,若輻照度不變，組件溫度上升時(shí)，開路電壓Uoc和最大輸出功率Pm下降,電絕緣性能測(cè)試以1kV搖表的直流電壓通過組件邊框與組件引出線，測(cè)量絕緣電阻，絕緣電阻要求大于2000M，以確保在應(yīng)用過程中組件邊框無漏電現(xiàn)象發(fā)生。熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)將組件放置于有自動(dòng)溫度控制、內(nèi)部空氣循環(huán)的氣候室內(nèi)，使組件在4085之間循環(huán)規(guī)定次數(shù)，并在極端溫度下保持規(guī)定時(shí)間，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中可能產(chǎn)生的短路和斷路、外觀缺陷、電性能衰減率、絕緣電阻等，以確定組件由于溫度重復(fù)變化引起的熱應(yīng)變能力。,濕熱-濕冷實(shí)驗(yàn)將組件放置于有自動(dòng)溫度控制、內(nèi)部空氣循環(huán)的氣候室內(nèi)，使組件在一定溫度和濕度條件下往復(fù)循環(huán)，保持一定恢復(fù)時(shí)間，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中可能產(chǎn)生的短路和斷路、外觀缺陷、電性能衰減率、絕緣電阻等，以確定組件承受高溫高濕和低溫低濕的能力。機(jī)械載荷實(shí)驗(yàn)在組件表面逐漸加載，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中可能產(chǎn)生的短路和斷路、外觀缺陷、電性能衰減率、絕緣電阻等，以確定組件承受風(fēng)雪、冰雹等靜態(tài)載荷的能力。,冰雹實(shí)驗(yàn)以鋼球代替冰雹從不同角度以一定動(dòng)量撞擊組件，檢測(cè)組件產(chǎn)生的外觀缺陷、電性能衰減率，以確定組件抗冰雹撞擊的能力。老化實(shí)驗(yàn)老化實(shí)驗(yàn)用于檢測(cè)太陽能電池組件暴露在高濕和高紫外線輻照?qǐng)龅貢r(shí)具有有效抗衰減能力。將組件樣品放在65、光譜約6.5的紫外太陽下輻照，最后檢測(cè)光電特性，看其下降損失。在曝曬老化實(shí)驗(yàn)中，電性能下降是不規(guī)則的,串聯(lián)連接，并聯(lián)連接，串、并聯(lián)混合連接方式,3.太陽能電池組件的設(shè)計(jì)連接方式,如果單體電池的性能是一致的，串聯(lián)方式可以在不改變輸出電流的情況下，使輸出電壓成比例增加；并聯(lián)方式可以在不改變輸出電壓的情況下，使輸出電流成比例增加；串、并聯(lián)混合方式既可增加輸出電壓又可增加輸出電流,根據(jù)標(biāo)稱工作電壓確定單片電池的串聯(lián)數(shù)；根據(jù)標(biāo)稱輸出功率（或工作電流）確定單片電池的并聯(lián)數(shù),電池組件不論功率大小，一般都是由36片、48片、54片、60片和72片等幾種串聯(lián)形式組成。常見的排布方法有4片9片、6片8片、6片9片、6片10片和6片12片等。,4.太陽能電池組件的設(shè)計(jì)板型設(shè)計(jì),5.太陽能電池組件的設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu),常見的有玻璃殼體式、底盒式、平板式、全膠密封式等,底盒式1-玻璃蓋板；2-硅太陽能電池；3-盒式下底板；4-黏結(jié)劑5-襯底；6-固定絕緣膠；7-電極引線；8-互連條,平板式1-邊框；2-邊框封裝膠；3-上玻璃蓋板；4-黏結(jié)劑；5-下底板6-硅太陽能電池；7-互連條；8-引線護(hù)套；9-電極引線,全膠密封式1-硅太陽能電池；2-黏結(jié)劑；3-電極引線；4-下底板；5-互連條,太陽能電池組件、防反充（防逆流）二極管、旁路二極管、電纜、帶避雷器的直流接線箱、驅(qū)鳥器、固定支架等。,2.13.2太陽能電池陣列,1.太陽能電池陣列的組成,太陽能電池方陣的連接有串聯(lián)、并聯(lián)和串、并聯(lián)混合幾種方式。當(dāng)每個(gè)單體的電池組件性能一致時(shí)，多個(gè)電池組件的串聯(lián)連接，可在不改變輸出電流的情況下，使方陣輸出電壓成比例的增加：組件并聯(lián)連接時(shí)，則可在不改變輸出電壓的情況下，使方陣的輸出電流成比例的增加；串、并聯(lián)混合連接時(shí)，即可增加方陣的輸出電壓，又可增加方陣的輸出電流。但是，組成方陣的所有電池組件性能參數(shù)不可能完全一致，所有的連接電纜、插頭插座接觸電阻也不相同，于是會(huì)造成各串聯(lián)電池組件的工作電流受限于其中電流最小的組件；而各并聯(lián)電池組件的輸出電壓又會(huì)被其中電壓最低的電池組件鉗制。因此方陣組合會(huì)產(chǎn)生組合連接損失，使方陣的總效率總是低于所有單個(gè)組件的效率之和。,組合連接損失的大小取決于電池組件性能參數(shù)的離散性，因此除了在電池組件的生產(chǎn)工藝過程中，盡量提高電池組件性能參數(shù)的一致性外，還可以對(duì)電池組件進(jìn)行測(cè)試、篩選、組合，即把特性相近的電池組件組合在一起。例如，串聯(lián)組合的各組件工作電流要盡量相近，每串與每串的總工作電壓也要考慮搭配得盡量相近，最大幅度地減少組合連接損失。,太陽能電池組件的串、并聯(lián)組合要遵循下列幾條原則：（1）串聯(lián)時(shí)需要工作電流相同的組件，并為每個(gè)組件并接旁路二極管；（2）并聯(lián)時(shí)需要工作電壓相同的組件，并在每一條并聯(lián)線路中串聯(lián)防反充（防逆流）二極管；（3）盡量考慮組件連接線路最短，并用較粗的導(dǎo)線減小串聯(lián)電阻；（4）嚴(yán)格防止個(gè)別性能變壞的電池組件混入電池方陣。,太陽電池陣列的電路構(gòu)成,由太陽電池組件構(gòu)成的縱列組件（根據(jù)所需輸出電壓將太陽電池組件串聯(lián)而成）、逆流防止元件（二極管）Ds（各縱列組件經(jīng)逆流防止元件并聯(lián)構(gòu)成）、旁路元件（二極管Db）及端子箱體構(gòu)成,防反充（防逆流）和旁路二極管,在太陽能電池方陣中，二極管是很重要的器件，常用的二極管基本都是硅整流二極管(部分二極管的性能參數(shù)可參看表2-3)，在選用時(shí)要注意規(guī)格參數(shù)留有余量，防止擊穿損壞。一般反向峰值擊穿電壓和最大工作電流都要取最大運(yùn)行工作電壓和工作電流的2倍以上。二極管在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中主要分為兩類，防反沖二極管和旁路二極管。,(1)防反充（防逆流）二極管,防反充二極管的作用之一是防止太陽能電池組件或方陣在不發(fā)電時(shí)，蓄電池的電流反過來向組件或方陣倒送，不僅消耗能量，而且會(huì)使組件或方陣發(fā)熱甚至損壞；作用之二是在電池方陣中，防止方陣各支路之間的電流倒送。這是因?yàn)榇?lián)各支路的輸出電壓不可能絕對(duì)相等，各支路電壓總有高低之差，或者某一支路因?yàn)楣收?、陰影遮蔽等使該支路的輸出電壓降低，高電壓支路的電流就?huì)流向低電壓支路，甚至?xí)狗疥嚳傮w輸出電壓的降低。在各支路中串聯(lián)接入防反充二極管就避免了這一現(xiàn)象的發(fā)生。,在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，有些光伏控制器的電路上已經(jīng)接入了防反充二極管，即控制器帶有防反充功能時(shí)，組件輸出就不需要再接二極管了。防反充二極管存在有正向?qū)▔航?，串?lián)在電路中會(huì)有一定的功率消耗，一般使用的硅整流二極管管壓降為0.7V左右，大功率管可達(dá)12V。肖特基二極管雖然管壓降較低，為0.2-0.3V，但其耐壓和功率都較小，適合小功率場(chǎng)合應(yīng)用。,防逆流二極管,選用防逆流二極管時(shí)，一般要考慮二極管能通過所在回路的最大電流，并能承受該回路的最大反向電壓。使用防反充二極管與旁路二極管類似，應(yīng)當(dāng)可以承受其所保護(hù)組件2倍開路電壓或者1.3倍短路電流。由于器件的電性能隨溫度而變化，因此應(yīng)估計(jì)使用溫度并選擇合適的防逆流二極管。也可以使用繼電器來達(dá)到防逆流目的。防逆流二極管一般裝在接線盒內(nèi)，也有安放在組件的端子箱內(nèi)的。,(2)旁路二極管。,當(dāng)有較多的太陽能電池組件串聯(lián)組成電池方陣或電池方陣的一個(gè)支路時(shí)，需要在每塊電池板的正負(fù)極輸出端反向并聯(lián)1個(gè)（或23個(gè)）二極管，這個(gè)并聯(lián)在組件兩端的二極管就叫旁路二極管。旁路二極管的作用是防止方陣串中的某個(gè)組件或組件中的某一部分被陰影遮擋或出現(xiàn)故障停止發(fā)電時(shí)，在該組件旁路二極管兩端會(huì)形成正向偏壓使二極管導(dǎo)通，組件串工作電流繞過故障組件，經(jīng)二極管旁路流過，不影響其他正常組件的發(fā)電，同時(shí)也保護(hù)被旁路組件避免受到較高的正向偏壓或由于“熱斑效應(yīng)”發(fā)熱而損壞。,旁路二極管一般都直接安裝在組件接線盒內(nèi)，根據(jù)組件功率大小和電池片串的多少，安裝13個(gè)二極管，如圖所示。其中圖(a)采用一個(gè)旁路二極管，當(dāng)該組件被遮擋或有故障時(shí)，組件將被全部旁路；圖(b)和圖(c)分別采用2個(gè)和3個(gè)二極管將電池組件分段旁路，則當(dāng)該組件的某一部分有故障時(shí)，可以做到只旁路組件的一半或1/3，其余部分仍然可以繼續(xù)參加工作。,將每個(gè)電池配備一個(gè)旁路二極管會(huì)過于昂貴，所以二極管通常會(huì)連接于一組電池的兩端，被遮擋的電池最大功率消耗大約等于該電池所在電池組的總發(fā)電能力。對(duì)于硅光伏電池，在不損壞的情形下，一個(gè)旁路二極管最多接15個(gè)電池塊，所以對(duì)于36塊電池的組件，至少需要3個(gè)旁路二極管來保證組件不被熱點(diǎn)破壞。,顯然太陽能電池生產(chǎn)廠家不同，所采取的形式不一樣，但都在太陽能電池組件上已把旁路元件安裝好，或者內(nèi)置的情況較多。如果必須自己準(zhǔn)備旁路元件的場(chǎng)合，旁路元件要滿足其反向電壓為被保護(hù)的組件串的最大標(biāo)稱輸出電壓的1.5倍以上，而且能充分分流組件串的短路電流。還有，在太陽能電池組件里面的端子板中安裝旁路元件時(shí)，安裝位置的溫度因室外太陽的熱能，比周圍的溫度高2030。這時(shí)二極管的外殼的溫度也高，所以必須以比在產(chǎn)品目錄中記載的平均正向電流小的電流使用。為此，要推定二極管的使用溫度，有必要選擇有安全余量的額定電流的旁路二極管。,對(duì)于并聯(lián)組件，使用旁路二極管時(shí)會(huì)發(fā)生熱失控，即一串電池的旁路二極管比其余電池串的熱，承載了很大一部分電流，因此導(dǎo)致更熱。應(yīng)當(dāng)選用能夠承受組件合并所產(chǎn)生的并聯(lián)電流的二極管，合格的二極管應(yīng)當(dāng)能夠承受保護(hù)組件2倍開路電壓或者1.3倍的短路電流。,旁路二極管也不是任何場(chǎng)合都需要的，當(dāng)組件單獨(dú)使用或并聯(lián)使用時(shí)，是不需要接二極管的。對(duì)于組件串聯(lián)數(shù)量不多且工作環(huán)境較好的場(chǎng)合，也可以考慮不用旁路二極管。,太陽能電池方陣如發(fā)生有陰影落在某單體電池或一組電池上，或當(dāng)組件中的某單體電池被損壞時(shí)，但方陣的其余部分仍處于陽光暴曬之下正常工作，這樣局部被遮擋的太陽能電池(或組件)就要由未被遮擋的那部分太陽能電池(或組件)來提供負(fù)載所需的功率，使該部分太陽能電池如同一個(gè)工作于反向偏置下的二極管，其電阻和壓降很大，從而消耗功率而導(dǎo)致發(fā)熱。由于出現(xiàn)高溫，稱之為“熱斑”。,熱斑效應(yīng),對(duì)于高電壓大功率方陣，陰影電池上的電壓降所產(chǎn)生的熱效應(yīng)甚至能造成封裝材料損傷、焊點(diǎn)脫焊、電池破裂或在電池上產(chǎn)生“熱斑”，從而引起組件和方陣失效。電池裂紋或不匹配、內(nèi)部連接失效、局部被遮光或弄臟均會(huì)引起這種效應(yīng)。,熱斑效應(yīng),熱斑效應(yīng)的形成和防護(hù),串聯(lián)回路，需要在太陽能電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)旁路二極管Db，以避免串聯(lián)回路中光照組件所產(chǎn)生的能量被遮蔽的組件所消耗。并聯(lián)支路，需要串聯(lián)一只二極管Ds，以避免并聯(lián)回路中光照組件所產(chǎn)生的能量被遮蔽的組件所吸收，串聯(lián)二極管在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中可同時(shí)起到防止蓄電池在夜間反充電的功能,(a)(b)(c),旁路二極管的接法,光伏方陣由若干的電池組件及成千上萬的電池片組成，這種組合不可避免的存在能量損失：連接損失：因?yàn)檫B接電纜的本身電阻和接頭連接不良所造成的損失離散損失：主要是因?yàn)殡姵亟M件產(chǎn)品性能和衰減程度不同，參數(shù)不一致造成的功率損失。方陣組合選用不同廠家、不同出廠日期、不同規(guī)格參數(shù)以及不同牌號(hào)硅片等都會(huì)造成光伏陣列的離散損失,2.光伏方陣組合的能量損失,串聯(lián)壓降損失：電池片及電池組件本身的內(nèi)阻不可能為零，即構(gòu)成電池片的pn節(jié)有一定的內(nèi)阻，造成組件串聯(lián)后的壓降損失。并聯(lián)電流損失：電池片及電池組件本身的反向電阻不可能為無窮大，即構(gòu)成電池片的pn結(jié)有一定的反向漏電流，造成組件并聯(lián)后的漏電流損失。,方陣所需要串聯(lián)的組件數(shù)量主要由系統(tǒng)工作電壓或逆變器的額定電壓來確定，同時(shí)要考慮蓄電池的浮充電壓、線路損耗以及溫度變化等因素。獨(dú)立光伏系統(tǒng)電壓設(shè)計(jì)成與蓄電池的標(biāo)稱電壓相對(duì)應(yīng)或者是它的整數(shù)倍，而且與用電器的電壓等級(jí)一致，如220V、110V、48V、36V、24V、12V等。交流光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，方陣的電壓等級(jí)往往為110V或220V。更高等級(jí)設(shè)計(jì)成600V、10kV等，再通過逆變器后與電網(wǎng)連接。,3.太陽能電池方陣組合的計(jì)算,太陽能電池方陣是根據(jù)負(fù)載需要將若干個(gè)組件通過串聯(lián)和并聯(lián)進(jìn)行組合連接，得到規(guī)定的輸出電流和電壓，為負(fù)載提供電力的。方陣的輸出功率與組件串并聯(lián)的數(shù)量有關(guān)，串聯(lián)是為了獲得所需要的工作電壓，并聯(lián)是為了獲得所需要的工作電流。,方陣所需要串聯(lián)的組件數(shù)量主要由系統(tǒng)工作電壓或逆變器的額定電壓來確定，同時(shí)要考慮蓄電池的浮充電壓、線路損耗以及溫度變化等因素。一般帶蓄電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)方陣的輸出電壓為蓄電池組標(biāo)稱電壓的1.43倍。對(duì)于不帶蓄電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在計(jì)算方陣的輸出