第十一三讲 太阳能电池组件与阵列.ppt

第十三讲太阳能组件与阵列,2.13.1太阳能电池组件,1.太阳能电池的单体、组件和方阵,(a)单体(b)组件(c)方阵,若干单体电池电池组件若干电池组件电池阵列,（1）太阳能电池单体前面介绍的太阳能电池，在太阳能电池的结构术语中，称为太阳能电池单体或太阳能电池片，是将光能转换为电能的最小单元。单体电池一般不直接作为电源使用，原因：机械强度较低：单体电池是由半导体或化合物材料制成，薄而脆，不能经受较大的撞击。,耐腐蚀性差：太阳能电池的电极，不能长期裸露使用。大气中的水分和腐蚀性气体会缓慢地腐蚀电极（尤其是上电极和硅扩散层表面的接触面），逐渐使电极脱落，导致太阳能电池寿命终止。因此，使用时必须将太阳电池与大气隔绝。输出电压、功率很低：单体电池工作电压低（典型值0.48V，由硅材料的性质决定），输出功率小（约1W，受硅材料的尺寸限制）。,（2）太阳能电池组件实际使用时按负载要求，将若干单体电池按电池性能分类进行串并联，经封装后组合成可以独立作为电源使用的最小单元，这个独立的最小单元称为“太阳能电池组件”，电池组件功率一般为几瓦、几十甚至到数百瓦。（3）太阳能电池阵列为了满足高电压、大功率的发电要求实际使用时按负载要求，将若干太阳能电池组件通过串、并联连接，并用一定的机械方式固定组合在一起，配以防反充（防逆流）二极管、旁路二极管、电缆等元件构成“太阳能电池阵列”。太阳能电池阵列通常需要牢固的安装在支架基础上。,（1）技术要求合格的太阳能电池组件应该达到一定的技术要求，相关部门也制定了电池组件的国家标准和行业标准，如IEC61215（GB/T95352006）等。层压封装型硅太阳能电池组件的一些基本技术要求：光伏组件在规定工作环境下，使用寿命应大于20年（使用20年，效率大于原来效率的80%）；组件的电池上表面颜色应均匀一致，无机械损伤，焊点及互连条表面无氧化斑；,2.太阳能电池组件的技术要求和检验测试,组件的每片电池与互连条应排列整齐，组件的框架应整洁无腐蚀斑点。组件的封装层中不允许气泡或脱层在某一片电池与组件边缘形成一个通路，气泡或脱层的几何尺寸和个数应符合相应的产品详细规范规定。组件的功率面积比大于65W/m2，功率质量比大于4.5W/kg，填充因子FF大于0.65。组件在正常条件下的绝缘电阻不得低于200M。,组件EVA（一种起粘接作用的胶膜）的交联度应大于65%，EVA与玻璃的剥离强度大于30N/cm，EVA与组件背板材料的剥离强度大于15N/cm每块组件都要有包括如下内容的标签：a.产品名称与型号；b.主要性能参数；c.制造厂名、生产日期及品牌商标等。,（2）太阳能电池组件的检验测试测试标准：GB/T9535-2006地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型电性能测试测试标准条件：光谱AM1.5，光强辐照度1000W/m2，环境温度25。主要测试项目：短路电流，开路电压，峰值电流，峰值电压，峰值功率，填充因子，转换效率等。,太阳能电池组件的电性能与辐照度关系,若温度不变，组件短路电流Isc、最大输出功率Pm与辐照度成正比,太阳能电池组件的电性能与温度关系,若辐照度不变，组件温度上升时，开路电压Uoc和最大输出功率Pm下降,电绝缘性能测试以1kV摇表的直流电压通过组件边框与组件引出线，测量绝缘电阻，绝缘电阻要求大于2000M，以确保在应用过程中组件边框无漏电现象发生。热循环实验将组件放置于有自动温度控制、内部空气循环的气候室内，使组件在4085之间循环规定次数，并在极端温度下保持规定时间，监测实验过程中可能产生的短路和断路、外观缺陷、电性能衰减率、绝缘电阻等，以确定组件由于温度重复变化引起的热应变能力。,湿热-湿冷实验将组件放置于有自动温度控制、内部空气循环的气候室内，使组件在一定温度和湿度条件下往复循环，保持一定恢复时间，监测实验过程中可能产生的短路和断路、外观缺陷、电性能衰减率、绝缘电阻等，以确定组件承受高温高湿和低温低湿的能力。机械载荷实验在组件表面逐渐加载，监测实验过程中可能产生的短路和断路、外观缺陷、电性能衰减率、绝缘电阻等，以确定组件承受风雪、冰雹等静态载荷的能力。,冰雹实验以钢球代替冰雹从不同角度以一定动量撞击组件，检测组件产生的外观缺陷、电性能衰减率，以确定组件抗冰雹撞击的能力。老化实验老化实验用于检测太阳能电池组件暴露在高湿和高紫外线辐照场地时具有有效抗衰减能力。将组件样品放在65、光谱约6.5的紫外太阳下辐照，最后检测光电特性，看其下降损失。在曝晒老化实验中，电性能下降是不规则的,串联连接，并联连接，串、并联混合连接方式,3.太阳能电池组件的设计连接方式,如果单体电池的性能是一致的，串联方式可以在不改变输出电流的情况下，使输出电压成比例增加；并联方式可以在不改变输出电压的情况下，使输出电流成比例增加；串、并联混合方式既可增加输出电压又可增加输出电流,根据标称工作电压确定单片电池的串联数；根据标称输出功率（或工作电流）确定单片电池的并联数,电池组件不论功率大小，一般都是由36片、48片、54片、60片和72片等几种串联形式组成。常见的排布方法有4片9片、6片8片、6片9片、6片10片和6片12片等。,4.太阳能电池组件的设计板型设计,5.太阳能电池组件的设计封装结构,常见的有玻璃壳体式、底盒式、平板式、全胶密封式等,底盒式1-玻璃盖板；2-硅太阳能电池；3-盒式下底板；4-黏结剂5-衬底；6-固定绝缘胶；7-电极引线；8-互连条,平板式1-边框；2-边框封装胶；3-上玻璃盖板；4-黏结剂；5-下底板6-硅太阳能电池；7-互连条；8-引线护套；9-电极引线,全胶密封式1-硅太阳能电池；2-黏结剂；3-电极引线；4-下底板；5-互连条,太阳能电池组件、防反充（防逆流）二极管、旁路二极管、电缆、带避雷器的直流接线箱、驱鸟器、固定支架等。,2.13.2太阳能电池阵列,1.太阳能电池阵列的组成,太阳能电池方阵的连接有串联、并联和串、并联混合几种方式。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，使方阵输出电压成比例的增加：组件并联连接时，则可在不改变输出电压的情况下，使方阵的输出电流成比例的增加；串、并联混合连接时，即可增加方阵的输出电压，又可增加方阵的输出电流。但是，组成方阵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。因此方阵组合会产生组合连接损失，使方阵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。,太阳能电池组件的串、并联组合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（防逆流）二极管；（3）尽量考虑组件连接线路最短，并用较粗的导线减小串联电阻；（4）严格防止个别性能变坏的电池组件混入电池方阵。,太阳电池阵列的电路构成,由太阳电池组件构成的纵列组件（根据所需输出电压将太阳电池组件串联而成）、逆流防止元件（二极管）Ds（各纵列组件经逆流防止元件并联构成）、旁路元件（二极管Db）及端子箱体构成,防反充（防逆流）和旁路二极管,在太阳能电池方阵中，二极管是很重要的器件，常用的二极管基本都是硅整流二极管(部分二极管的性能参数可参看表2-3)，在选用时要注意规格参数留有余量，防止击穿损坏。一般反向峰值击穿电压和最大工作电流都要取最大运行工作电压和工作电流的2倍以上。二极管在太阳能光伏发电系统中主要分为两类，防反冲二极管和旁路二极管。,(1)防反充（防逆流）二极管,防反充二极管的作用之一是防止太阳能电池组件或方阵在不发电时，蓄电池的电流反过来向组件或方阵倒送，不仅消耗能量，而且会使组件或方阵发热甚至损坏；作用之二是在电池方阵中，防止方阵各支路之间的电流倒送。这是因为串联各支路的输出电压不可能绝对相等，各支路电压总有高低之差，或者某一支路因为故障、阴影遮蔽等使该支路的输出电压降低，高电压支路的电流就会流向低电压支路，甚至会使方阵总体输出电压的降低。在各支路中串联接入防反充二极管就避免了这一现象的发生。,在独立光伏发电系统中，有些光伏控制器的电路上已经接入了防反充二极管，即控制器带有防反充功能时，组件输出就不需要再接二极管了。防反充二极管存在有正向导通压降，串联在电路中会有一定的功率消耗，一般使用的硅整流二极管管压降为0.7V左右，大功率管可达12V。肖特基二极管虽然管压降较低，为0.2-0.3V，但其耐压和功率都较小，适合小功率场合应用。,防逆流二极管,选用防逆流二极管时，一般要考虑二极管能通过所在回路的最大电流，并能承受该回路的最大反向电压。使用防反充二极管与旁路二极管类似，应当可以承受其所保护组件2倍开路电压或者1.3倍短路电流。由于器件的电性能随温度而变化，因此应估计使用温度并选择合适的防逆流二极管。也可以使用继电器来达到防逆流目的。防逆流二极管一般装在接线盒内，也有安放在组件的端子箱内的。,(2)旁路二极管。,当有较多的太阳能电池组件串联组成电池方阵或电池方阵的一个支路时，需要在每块电池板的正负极输出端反向并联1个（或23个）二极管，这个并联在组件两端的二极管就叫旁路二极管。旁路二极管的作用是防止方阵串中的某个组件或组件中的某一部分被阴影遮挡或出现故障停止发电时，在该组件旁路二极管两端会形成正向偏压使二极管导通，组件串工作电流绕过故障组件，经二极管旁路流过，不影响其他正常组件的发电，同时也保护被旁路组件避免受到较高的正向偏压或由于“热斑效应”发热而损坏。,旁路二极管一般都直接安装在组件接线盒内，根据组件功率大小和电池片串的多少，安装13个二极管，如图所示。其中图(a)采用一个旁路二极管，当该组件被遮挡或有故障时，组件将被全部旁路；图(b)和图(c)分别采用2个和3个二极管将电池组件分段旁路，则当该组件的某一部分有故障时，可以做到只旁路组件的一半或1/3，其余部分仍然可以继续参加工作。,将每个电池配备一个旁路二极管会过于昂贵，所以二极管通常会连接于一组电池的两端，被遮挡的电池最大功率消耗大约等于该电池所在电池组的总发电能力。对于硅光伏电池，在不损坏的情形下，一个旁路二极管最多接15个电池块，所以对于36块电池的组件，至少需要3个旁路二极管来保证组件不被热点破坏。,显然太阳能电池生产厂家不同，所采取的形式不一样，但都在太阳能电池组件上已把旁路元件安装好，或者内置的情况较多。如果必须自己准备旁路元件的场合，旁路元件要满足其反向电压为被保护的组件串的最大标称输出电压的1.5倍以上，而且能充分分流组件串的短路电流。还有，在太阳能电池组件里面的端子板中安装旁路元件时，安装位置的温度因室外太阳的热能，比周围的温度高2030。这时二极管的外壳的温度也高，所以必须以比在产品目录中记载的平均正向电流小的电流使用。为此，要推定二极管的使用温度，有必要选择有安全余量的额定电流的旁路二极管。,对于并联组件，使用旁路二极管时会发生热失控，即一串电池的旁路二极管比其余电池串的热，承载了很大一部分电流，因此导致更热。应当选用能够承受组件合并所产生的并联电流的二极管，合格的二极管应当能够承受保护组件2倍开路电压或者1.3倍的短路电流。,旁路二极管也不是任何场合都需要的，当组件单独使用或并联使用时，是不需要接二极管的。对于组件串联数量不多且工作环境较好的场合，也可以考虑不用旁路二极管。,太阳能电池方阵如发生有阴影落在某单体电池或一组电池上，或当组件中的某单体电池被损坏时，但方阵的其余部分仍处于阳光暴晒之下正常工作，这样局部被遮挡的太阳能电池(或组件)就要由未被遮挡的那部分太阳能电池(或组件)来提供负载所需的功率，使该部分太阳能电池如同一个工作于反向偏置下的二极管，其电阻和压降很大，从而消耗功率而导致发热。由于出现高温，称之为“热斑”。,热斑效应,对于高电压大功率方阵，阴影电池上的电压降所产生的热效应甚至能造成封装材料损伤、焊点脱焊、电池破裂或在电池上产生“热斑”，从而引起组件和方阵失效。电池裂纹或不匹配、内部连接失效、局部被遮光或弄脏均会引起这种效应。,热斑效应,热斑效应的形成和防护,串联回路，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管Db，以避免串联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。并联支路，需要串联一只二极管Ds，以避免并联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所吸收，串联二极管在独立光伏发电系统中可同时起到防止蓄电池在夜间反充电的功能,(a)(b)(c),旁路二极管的接法,光伏方阵由若干的电池组件及成千上万的电池片组成，这种组合不可避免的存在能量损失：连接损失：因为连接电缆的本身电阻和接头连接不良所造成的损失离散损失：主要是因为电池组件产品性能和衰减程度不同，参数不一致造成的功率损失。方阵组合选用不同厂家、不同出厂日期、不同规格参数以及不同牌号硅片等都会造成光伏阵列的离散损失,2.光伏方阵组合的能量损失,串联压降损失：电池片及电池组件本身的内阻不可能为零，即构成电池片的pn节有一定的内阻，造成组件串联后的压降损失。并联电流损失：电池片及电池组件本身的反向电阻不可能为无穷大，即构成电池片的pn结有一定的反向漏电流，造成组件并联后的漏电流损失。,方阵所需要串联的组件数量主要由系统工作电压或逆变器的额定电压来确定，同时要考虑蓄电池的浮充电压、线路损耗以及温度变化等因素。独立光伏系统电压设计成与蓄电池的标称电压相对应或者是它的整数倍，而且与用电器的电压等级一致，如220V、110V、48V、36V、24V、12V等。交流光伏发电系统和并网光伏发电系统，方阵的电压等级往往为110V或220V。更高等级设计成600V、10kV等，再通过逆变器后与电网连接。,3.太阳能电池方阵组合的计算,太阳能电池方阵是根据负载需要将若干个组件通过串联和并联进行组合连接，得到规定的输出电流和电压，为负载提供电力的。方阵的输出功率与组件串并联的数量有关，串联是为了获得所需要的工作电压，并联是为了获得所需要的工作电流。,方阵所需要串联的组件数量主要由系统工作电压或逆变器的额定电压来确定，同时要考虑蓄电池的浮充电压、线路损耗以及温度变化等因素。一般带蓄电池的光伏发电系统方阵的输出电压为蓄电池组标称电压的1.43倍。对于不带蓄电池的光伏发电系统，在计算方阵的输出