第6章光伏电池板与系统

1、2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 1 第六章：第六章： 光伏电池板与系统光伏电池板与系统 6.1简介简介 6.2电池板设计电池板设计 6.3互联效应互联效应 6.4温度效应温度效应 6.5其它问题其它问题 6.6电池板的寿命电池板的寿命 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 2 一块太阳能电池板是由许多单个太阳一块太阳能电池板是由许多单个太阳 能电池连接而成的，这样能增加功率输出。能电池连接而成的，这样能增加功率输出。 电池被封装起来以阻止来自周围环境的破坏电池被封装起来以阻止来自周围环境的破坏 和防止人们触电。然而，电池

2、板设计的几个和防止人们触电。然而，电池板设计的几个 方面可能会减少功率输出或者降低使用寿命。方面可能会减少功率输出或者降低使用寿命。 接下来的几节将讨论电池是怎样被封装到板接下来的几节将讨论电池是怎样被封装到板 块里去的，以及讨论由于电池相互连接和封块里去的，以及讨论由于电池相互连接和封 装而引起的问题。电池互联系统或阵列系统装而引起的问题。电池互联系统或阵列系统 最主要的影响是：最主要的影响是： 不匹配的电池之间的互联引起的损耗不匹配的电池之间的互联引起的损耗 电池板的温度电池板的温度 电池板的故障模式电池板的故障模式 6.1 简介简介 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学

3、 新南威尔士大学 3 一块电池板由许多互相连接的电池（通常为一块电池板由许多互相连接的电池（通常为 36块串联着的电池）组成。把互相连接的电池封块串联着的电池）组成。把互相连接的电池封 装起来的主要原因是为了保护它们和它们连接线装起来的主要原因是为了保护它们和它们连接线 不受其周围环境的破坏。例如，由于太阳能电池不受其周围环境的破坏。例如，由于太阳能电池 非常的薄，所以在缺乏保护的情况下很容易受到非常的薄，所以在缺乏保护的情况下很容易受到 机械损伤。此外，电池表面的金属网格以及连接机械损伤。此外，电池表面的金属网格以及连接 每个电池的金属线都有可能受到水或水蒸气的腐每个电池的金属线都有可能受到

4、水或水蒸气的腐 蚀。而通过封装便能阻止这些破坏。比如，非晶蚀。而通过封装便能阻止这些破坏。比如，非晶 硅太阳能电池通常被封装在柔软的版块内，而在硅太阳能电池通常被封装在柔软的版块内，而在 偏远地区使用的晶体硅太阳能电池则通常保护在偏远地区使用的晶体硅太阳能电池则通常保护在 刚硬的玻璃封装内，一般规定的硅太阳能电池板刚硬的玻璃封装内，一般规定的硅太阳能电池板 的使用寿命为的使用寿命为20年，可见组件封装的可靠性有多年，可见组件封装的可靠性有多 高。高。 典型的晶体硅典型的晶体硅 电池板，为偏远地电池板，为偏远地 区供电。区供电。 6.2.1 电池板的设计电池板的设计 电池板的结构电池板的结构 2

5、021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 4 大多数晶体硅电池板都是由一块透明表层、一块密封板、大多数晶体硅电池板都是由一块透明表层、一块密封板、 背板和围绕外围的框架。通常，透明表层是一层玻璃，密封层背板和围绕外围的框架。通常，透明表层是一层玻璃，密封层 材料是材料是EVA（乙基醋酸乙烯），而背板则是一种（乙基醋酸乙烯），而背板则是一种Tedlar材料。如材料。如 下图所示。下图所示。 低铁玻璃低铁玻璃 6.2.2 电池板的设计电池板的设计 封装的材料封装的材料 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 5 6.2.2 电池板的设计电

6、池板的设计 封装的材料封装的材料 前表面材料前表面材料 光伏组件的前端表面必须对那些能够被电池吸收的光线保光伏组件的前端表面必须对那些能够被电池吸收的光线保 持高透明度。对于硅太阳能电池，其前端表面必须能透过波长持高透明度。对于硅太阳能电池，其前端表面必须能透过波长 范围为范围为350nm到到1200nm的光。此外，前端表面对光的反射的光。此外，前端表面对光的反射 率必须很低。尽管理论上这些反射可以通过在表面铺上减反射率必须很低。尽管理论上这些反射可以通过在表面铺上减反射 膜来降低，但是实际上，对于大多数光伏组件所处的环境来说，膜来降低，但是实际上，对于大多数光伏组件所处的环境来说， 这些膜显

7、然还不够耐用。取而代之的，是使表面粗糙化或进行这些膜显然还不够耐用。取而代之的，是使表面粗糙化或进行 制绒。然而，这样会使得尘埃和污染物停留在表面的可能性增制绒。然而，这样会使得尘埃和污染物停留在表面的可能性增 大，也没那么容易被风和雨水冲走。这些组件也因此失去了大，也没那么容易被风和雨水冲走。这些组件也因此失去了 “自我清洁自我清洁”的功能，减小反射的优势也迅速被表面不断增加的功能，减小反射的优势也迅速被表面不断增加 的污染物所引起的损失给抵消了。的污染物所引起的损失给抵消了。 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 6 6.2.2 电池板的设计电池板的设计

8、封装的材料封装的材料 除了减反射特性和透明特性，顶端表面材料还应该不除了减反射特性和透明特性，顶端表面材料还应该不 能透水，应该有好的耐冲击性，应该能在长时间的紫外线能透水，应该有好的耐冲击性，应该能在长时间的紫外线 照射下保持稳定，应该有低的热阻抗性。水或水蒸气在渗照射下保持稳定，应该有低的热阻抗性。水或水蒸气在渗 入金属电极和连接线后会大大降低光伏组件的寿命。大多入金属电极和连接线后会大大降低光伏组件的寿命。大多 数的组件的前端表面是用来增加机械强度和刚度的。对于数的组件的前端表面是用来增加机械强度和刚度的。对于 材料的的种类，可以有几种选择，包括丙烯酸、聚合物和材料的的种类，可以有几种选

9、择，包括丙烯酸、聚合物和 玻璃。其中含铁量低的玻璃是使用最广泛的，因为它成本玻璃。其中含铁量低的玻璃是使用最广泛的，因为它成本 低、强度好、稳定、高度透明、不透水不透气同时还有自低、强度好、稳定、高度透明、不透水不透气同时还有自 我清洁功能。我清洁功能。 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 7 密封层密封层 密封材料是用来粘附组件中的太阳能电池、前表密封材料是用来粘附组件中的太阳能电池、前表 面和背面的。密封材料应该在高温和强紫外线照射下保持稳面和背面的。密封材料应该在高温和强紫外线照射下保持稳 定。当然，材料还应该有良好的光透性和低热阻抗。定。当然，材料还

10、应该有良好的光透性和低热阻抗。EVA是是 最常使用的密封材料。最常使用的密封材料。EVA板块被镶嵌在太阳能电池板块被镶嵌在太阳能电池-顶端表顶端表 层层-背层之间。之后把这种三明治结构加热到背层之间。之后把这种三明治结构加热到150C，EVA熔熔 化后把组件的每一层都粘合在一起。化后把组件的每一层都粘合在一起。 6.2.2 电池板的设计电池板的设计 封装的材料封装的材料 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 8 6.2.2 电池板的设计电池板的设计 封装的材料封装的材料 背表面层背表面层 光伏组件的背表面层材料的最关键性质是必须拥有光伏组件的背表面层材料的最关

11、键性质是必须拥有 低热阻抗性，同时必须能够阻止水和水蒸气的渗入。对于低热阻抗性，同时必须能够阻止水和水蒸气的渗入。对于 大多数组件，薄的聚合物层特别是大多数组件，薄的聚合物层特别是Tedlar，是背表面层的，是背表面层的 首选材料。有些光伏组件被称为双面组件，被设计成电池首选材料。有些光伏组件被称为双面组件，被设计成电池 的正面和背面都能够接收光的照射。在双面电池组件中的的正面和背面都能够接收光的照射。在双面电池组件中的 前表面和背表面都应该保持良好的光透性。前表面和背表面都应该保持良好的光透性。 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 9 框架框架 电池组件的

12、最后一个结构组成部分是组件的边界电池组件的最后一个结构组成部分是组件的边界 或框架。传统的光伏组件通常由铝制成，框架结构应该是平或框架。传统的光伏组件通常由铝制成，框架结构应该是平 滑无凸起状的，否则会导致水、灰尘或其它异物停留在上面。滑无凸起状的，否则会导致水、灰尘或其它异物停留在上面。 几种类型的硅光伏组件。几种类型的硅光伏组件。 6.2.2 电池板的设计电池板的设计 封装的材料封装的材料 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 10 在光伏组件中，太阳能电池的封装密度指的是被电池覆盖在光伏组件中，太阳能电池的封装密度指的是被电池覆盖 的区域面积与空白区域面

13、积的比。封装密度影响着电池的输出的区域面积与空白区域面积的比。封装密度影响着电池的输出 功率以及电池温度。而封装密度的大小则取决于所使用电池的功率以及电池温度。而封装密度的大小则取决于所使用电池的 形状。比如，单晶硅电池一般为圆形或半方形，而多晶硅电池形状。比如，单晶硅电池一般为圆形或半方形，而多晶硅电池 则通常为正方形。因此，如果单晶硅电池不是切割成方形的话，则通常为正方形。因此，如果单晶硅电池不是切割成方形的话， 单晶硅组件的封装密度将比多晶硅的低。有关封装强度的几种单晶硅组件的封装密度将比多晶硅的低。有关封装强度的几种 选择，包括圆的和方的，在下图有介绍。选择，包括圆的和方的，在下图有介

14、绍。 圆形电池和方形电池的封装密度。圆形电池和方形电池的封装密度。 白色的背表面 6.2.3 电池板的设计电池板的设计 封装密度封装密度 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 11 6.2.3 电池板的设计电池板的设计 封装密度封装密度 当组件中电池排列较稀疏时，露出的空白背面同样能够少当组件中电池排列较稀疏时，露出的空白背面同样能够少 量增加电池的输出，因为量增加电池的输出，因为“零深度聚光零深度聚光”效应的影响，如下图效应的影响，如下图 所示。一些射入到电池与电池之间的空白区域和射到电极上的所示。一些射入到电池与电池之间的空白区域和射到电极上的 光，被散射

15、后又传到电池表面。光，被散射后又传到电池表面。 玻璃玻璃 电极电极 密封层（密封层（EVA） 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 12 一块硅光伏电池板是通常是由多块太阳能电池互相串联一块硅光伏电池板是通常是由多块太阳能电池互相串联 而成，以提高输出电压和输出电流。光伏组件的输出电压通常而成，以提高输出电压和输出电流。光伏组件的输出电压通常 被设计成与被设计成与12伏蓄电池相融的形式。而在伏蓄电池相融的形式。而在25C和和AM1.5条件条件 下，单个硅太阳能电池的输出电压只有下，单个硅太阳能电池的输出电压只有0.6V。考虑到由于温度。考虑到由于温度 造成的电

16、池板电压损失和蓄电池所需要的充电电压可能达到造成的电池板电压损失和蓄电池所需要的充电电压可能达到 15V或者更多，大多数光伏组件由或者更多，大多数光伏组件由36块电池片组成。这样，在块电池片组成。这样，在 标准测试条件下，输出的开路电压将达到标准测试条件下，输出的开路电压将达到21V，在工作温度下，在工作温度下， 最大功率点处的工作电压大约为最大功率点处的工作电压大约为17V或或18V。剩余的电压包括。剩余的电压包括 由光伏系统中的其它因素造成的电压损失，例如电池在远离最由光伏系统中的其它因素造成的电压损失，例如电池在远离最 大功率输出点处工作和光强变弱。大功率输出点处工作和光强变弱。 6.3

17、.1. 互联效应互联效应 组件电路的设计组件电路的设计 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 13 6.3.1. 互联效应互联效应 组件电路的设计组件电路的设计 典型的组件由典型的组件由36块电池串联而成块电池串联而成 在典型的组件中，在典型的组件中，36块电池串联起来以使输块电池串联起来以使输 出的电压足以为出的电压足以为12V的电池充电。的电池充电。 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 14 6.3.1. 互联效应互联效应 组件电路的设计组件电路的设计 虽然光伏组件的电压大小决定于电池的数量，但是组件的虽然光伏组件的电压

18、大小决定于电池的数量，但是组件的 输出电流却决定于单个太阳能电池的尺寸大小和它们的转换效输出电流却决定于单个太阳能电池的尺寸大小和它们的转换效 率。在率。在AM1.5和最优倾斜角度下，商用电池的电流密度大约在和最优倾斜角度下，商用电池的电流密度大约在 30mA/cm2到到36mA/cm2之间。单晶硅电池的面积通常为之间。单晶硅电池的面积通常为 100cm2，则总的输出电流大约为，则总的输出电流大约为3.5A。多晶硅电池组件的电。多晶硅电池组件的电 池片面积更大但电流密度较低，因此输出自这些组件的短路电池片面积更大但电流密度较低，因此输出自这些组件的短路电 流通常为流通常为4A左右。但是，多晶硅

19、电池的面积可以有多种变化，左右。但是，多晶硅电池的面积可以有多种变化， 因此电流也可以有多种选择。组件的输出电流和电压并不受温因此电流也可以有多种选择。组件的输出电流和电压并不受温 度的影响，但却容易受组件的倾斜角度的影响。度的影响，但却容易受组件的倾斜角度的影响。 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 15 如果组件中的所有太阳能电池都有相同的电特性，并处在如果组件中的所有太阳能电池都有相同的电特性，并处在 相同的光照和温度下，则所有的电池都将输出相等的电流和电相同的光照和温度下，则所有的电池都将输出相等的电流和电 压。在这种情况下，光伏组件的压。在这种情况

20、下，光伏组件的IV曲线的形状将和单个电池的曲线的形状将和单个电池的 形状相同，只是电压和电流都增大了。则此电路的方程为：形状相同，只是电压和电流都增大了。则此电路的方程为： T TLO q V /N IM I -M Iexp-1 nkT 式中，式中，N表示串联电池的个数，表示串联电池的个数，M为并联电池的个数，为并联电池的个数，IT 为电路的总电流，为电路的总电流，VT电路的总电压，电路的总电压，Io是单个电池的饱和电流，是单个电池的饱和电流， IL是单个电池的短路电流，是单个电池的短路电流，n是单个电池的理想填充因子，而是单个电池的理想填充因子，而q、 k和和T则为常数。则为常数。 6.3.

21、1. 互联效应互联效应 组件电路的设计组件电路的设计 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 16 6.3.1. 互联效应互联效应 组件电路的设计组件电路的设计 N个电池串联，个电池串联，M个电池并联的电路个电池并联的电路IV曲线。曲线。 由一系列相同的电池连接而成的总电路的由一系列相同的电池连接而成的总电路的IV曲线如下图所示。曲线如下图所示。 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 17 错配损耗是由互相连接的电池或组件没有相同的性能或者错配损耗是由互相连接的电池或组件没有相同的性能或者 工作在不同的条件下造成的。在工作条件相

22、同的情况下，错配工作在不同的条件下造成的。在工作条件相同的情况下，错配 损耗是一个相当严重的问题，因为整个光伏组件的输出是决定损耗是一个相当严重的问题，因为整个光伏组件的输出是决定 于那个表现最差的电池的输出的。例如，在一块电池片被阴影于那个表现最差的电池的输出的。例如，在一块电池片被阴影 遮住而其它电池则没有的情况下，由那些遮住而其它电池则没有的情况下，由那些“好好” 电池所产生的电池所产生的 电能将被表现差的电池所抵消，而不是用于驱动电路。这反过电能将被表现差的电池所抵消，而不是用于驱动电路。这反过 来还可能会导致局部电能的严重损失，而由此产生的局部加热来还可能会导致局部电能的严重损失，而

23、由此产生的局部加热 也可能引起对组件无法挽回的损失。也可能引起对组件无法挽回的损失。 组件局部被阴影遮住是引起组件局部被阴影遮住是引起 光伏组件错配的主要原因。光伏组件错配的主要原因。 6.3.2 互联效应互联效应 错配效应错配效应 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 18 6.3.2 互联效应互联效应 错配效应错配效应 当组件中的一个太阳能电池的参数与其它的明显不同时，当组件中的一个太阳能电池的参数与其它的明显不同时， 错配现象就会发生。由错配造成的影响和电能损失大小决定于：错配现象就会发生。由错配造成的影响和电能损失大小决定于： 光伏组件的工作点光伏组件

24、的工作点 电路的结构布局电路的结构布局 受影响电池的参数受影响电池的参数 一个电池与其余电池在一个电池与其余电池在IV曲线的上任何一处的差异都将引曲线的上任何一处的差异都将引 起错配损耗。下图将展示电池的非理想起错配损耗。下图将展示电池的非理想IV曲线和工作环境。尽曲线和工作环境。尽 管错配现象可能由电池参数的任何一部分所引起，但是严重的管错配现象可能由电池参数的任何一部分所引起，但是严重的 错配通常都是由短路电流或开路电压的差异所引起的。错配的错配通常都是由短路电流或开路电压的差异所引起的。错配的 影响大小同时取决于电路的结构和错配的类型，在下面的几节影响大小同时取决于电路的结构和错配的类型

25、，在下面的几节 中我们将有更详细的讨论。中我们将有更详细的讨论。 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 19 理想太阳能电池和非理想太阳能电池的比较。最大的错配理想太阳能电池和非理想太阳能电池的比较。最大的错配 差异是当电压被反向偏压的时候造成的。差异是当电压被反向偏压的时候造成的。 . 反向电压很高时，反向电压很高时， pn结可能被击穿结可能被击穿 并联电阻引并联电阻引 起的下降起的下降 电池消耗能量电池消耗能量 非理想太阳能电池非理想太阳能电池 电池产生能量电池产生能量 电池消耗能量电池消耗能量 串联电阻引起串联电阻引起 的额外下降的额外下降 理想太阳能电

26、池理想太阳能电池 6.3.2 互联效应互联效应 错配效应错配效应 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 20 因为大多数光伏组件都是串联形式的，所以串联错配是人因为大多数光伏组件都是串联形式的，所以串联错配是人 们最常遇到的错配类型。在两种最简单的错配类型中（短路电们最常遇到的错配类型。在两种最简单的错配类型中（短路电 流的错配和开路电压错配），短路电流的错配比较常见，它很流的错配和开路电压错配），短路电流的错配比较常见，它很 容易被组件的阴影部分所引起。同时，这种错配类型也是最严容易被组件的阴影部分所引起。同时，这种错配类型也是最严 重的。重的。 对于两个互

27、相串联的电池来说，流过两者的电流大小是一样的。产对于两个互相串联的电池来说，流过两者的电流大小是一样的。产 生的总电压等于每个电池的电压的总和。因为电流大小需要一致，所以生的总电压等于每个电池的电压的总和。因为电流大小需要一致，所以 在电流中出现错配就意味着总的电流必须大小等于那个最小的值。在电流中出现错配就意味着总的电流必须大小等于那个最小的值。 6.3.3 互联效应互联效应 串联电池的错配串联电池的错配 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 21 6.3.3 互联效应互联效应 串联电池的错配串联电池的错配 串联电池的开路电压错配串联电池的开路电压错配 串联

28、电池的开路电压错配是一种比较不严重的错配类型。串联电池的开路电压错配是一种比较不严重的错配类型。 正如下面动画所展示的那样，在短路电流处，光伏组件输出的正如下面动画所展示的那样，在短路电流处，光伏组件输出的 总电流是不受影响的。而在最大功率点处，总的功率却减小了，总电流是不受影响的。而在最大功率点处，总的功率却减小了， 因为因为“问题问题”电池产生的能量较少。因为两个电池是串联起来电池产生的能量较少。因为两个电池是串联起来 的，所以流经两个电池的电流是一样的，而总的电压则等于每的，所以流经两个电池的电流是一样的，而总的电压则等于每 个电池的电压之和。个电池的电压之和。 在 动 画在 动 画 中

29、，电池中，电池 输出的电压输出的电压 比电池低。比电池低。 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 22 串联电池的短路电流错配串联电池的短路电流错配 串联电池的短路电流错配取决于组件所处的工作点，以及串联电池的短路电流错配取决于组件所处的工作点，以及 电池错配的程度。短路电流错配对光伏组件有重大影响。如下电池错配的程度。短路电流错配对光伏组件有重大影响。如下 面动画所示，在开路电压处，短路电流的下降对电池影响相对面动画所示，在开路电压处，短路电流的下降对电池影响相对 较小。即开路电压只产生了微小的变化，因为开路电压与短路较小。即开路电压只产生了微小的变化，因为

30、开路电压与短路 电流成对数关系。然而，由于穿过电池的电流是一样的，所以电流成对数关系。然而，由于穿过电池的电流是一样的，所以 两者结合的总电流不能超过有问题电池的电流，这种情况在低两者结合的总电流不能超过有问题电池的电流，这种情况在低 电压处比较容易发生，好电池产生的额外电流并不是被每一个电压处比较容易发生，好电池产生的额外电流并不是被每一个 电池所抵消，而是被问题电池所抵消了（通常在短路电流处也电池所抵消，而是被问题电池所抵消了（通常在短路电流处也 会发生）。会发生）。 6.3.3 互联效应互联效应 串联电池的错配串联电池的错配 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威

31、尔士大学 23 总的来说，在有电流错配的串联电路中，严重的功率总的来说，在有电流错配的串联电路中，严重的功率 损失一般发生在问题电池产生的电流小于好电池在最大功率点时损失一般发生在问题电池产生的电流小于好电池在最大功率点时 的电流的时候，或者当电池工作在短路电流或低电压处时，问题的电流的时候，或者当电池工作在短路电流或低电压处时，问题 电池的高功率耗散会对组件造成无法挽回的伤害。这些影响在下电池的高功率耗散会对组件造成无法挽回的伤害。这些影响在下 面的两个动画都有描述。面的两个动画都有描述。 两个串联电池的电流错配两个串联电池的电流错配 有时会相当严重且非常普遍。有时会相当严重且非常普遍。 串

32、联的电流受到问题电池的电串联的电流受到问题电池的电 流限制。动画中，电池的输流限制。动画中，电池的输 出电压比电池的高。出电压比电池的高。 6.3.3 互联效应互联效应 串联电池的错配串联电池的错配 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 24 两线交点的电流表示串联电路的短路电流，这是两线交点的电流表示串联电路的短路电流，这是 计算串联电池的错配短路电流的一个简单方法。计算串联电池的错配短路电流的一个简单方法。 串联电路的短路电流串联电路的短路电流 6.3.3 互联效应互联效应 串联电池的错配串联电池的错配 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大

33、学 新南威尔士大学 25 “热点加热热点加热”现象发生在几个串联电池中出现了一个问题现象发生在几个串联电池中出现了一个问题 电池时，如下图所示。电池时，如下图所示。 如果组件的首尾都连接起来了，来自那些未被阴如果组件的首尾都连接起来了，来自那些未被阴 影遮挡的电池的电能将被问题电池所抵消。影遮挡的电池的电能将被问题电池所抵消。 个电池未被遮挡个电池未被遮挡 10个串联电池个串联电池 一个电池被遮挡一个电池被遮挡 电路中，一个被阴影遮住的电池减少了电路电流，使得电路中，一个被阴影遮住的电池减少了电路电流，使得 好电池提高电压，并常常导致好电池提高电压，并常常导致“问题问题”电池的电压反置。电池的

34、电压反置。 6.3.4 互联效应互联效应 热点加热热点加热 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 26 6.3.4 互联效应互联效应 热点加热热点加热 如果串联电路的工作电流大小接近于如果串联电路的工作电流大小接近于“问题问题”电池的短路电池的短路 电流，电路总电流将受到问题电池的限制。则好电池产生的额电流，电路总电流将受到问题电池的限制。则好电池产生的额 外电流（比问题电池高出的那部分电流）将变成好电池的前置外电流（比问题电池高出的那部分电流）将变成好电池的前置 偏压。如果串联电池被短路，则所有好电池的前置偏压都将变偏压。如果串联电池被短路，则所有好电池的前

35、置偏压都将变 成问题电池的反向电压。当数量很多的串联电池一起把前置偏成问题电池的反向电压。当数量很多的串联电池一起把前置偏 压变成问题电池的反向电压时，在问题电池处将会有大的能量压变成问题电池的反向电压时，在问题电池处将会有大的能量 耗散，这就是热点加热现象。基本上所有好电池的总的发电能耗散，这就是热点加热现象。基本上所有好电池的总的发电能 力都被问题电池给抵消了。巨大的能量消耗在一片小小的区域，力都被问题电池给抵消了。巨大的能量消耗在一片小小的区域， 局部过热就会发生，或者叫局部过热就会发生，或者叫“热点热点”，它反过来也会导致破坏，它反过来也会导致破坏 性影响，例如电池或玻璃破碎、焊线熔化

36、或电池的退化。性影响，例如电池或玻璃破碎、焊线熔化或电池的退化。 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 27 问题电池的热耗散导致组件的破碎。问题电池的热耗散导致组件的破碎。 6.3.4 互联效应互联效应 热点加热热点加热 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 28 通过使用旁路二极管可以避免热点加热效应对组件造成的通过使用旁路二极管可以避免热点加热效应对组件造成的 破坏。二极管与电池并联且方向相反，如下面动画所示。在正破坏。二极管与电池并联且方向相反，如下面动画所示。在正 常工作状态，每个太阳能电池的电压都是正向偏置的，所以

37、旁常工作状态，每个太阳能电池的电压都是正向偏置的，所以旁 路二极管的电压为反向偏置，相当于开路。然而，如果串联电路二极管的电压为反向偏置，相当于开路。然而，如果串联电 池中有一个电池因此发生错配而导致电压被反向偏置，则旁路池中有一个电池因此发生错配而导致电压被反向偏置，则旁路 二极管就会立即导通，因此使得来自好电池的电流能流向外部二极管就会立即导通，因此使得来自好电池的电流能流向外部 电路而不是变成每个电池前置偏压。穿过问题电池的最大反向电路而不是变成每个电池前置偏压。穿过问题电池的最大反向 电压将等于单个旁路二极管的管压降，由此限制了电流大小并电压将等于单个旁路二极管的管压降，由此限制了电流

38、大小并 阻止了热点加热。阻止了热点加热。 6.3.5 互联效应互联效应 旁路二极管旁路二极管 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 29 6.3.5 互联效应互联效应 旁路二极管旁路二极管 旁路二极管的工作状态和它对旁路二极管的工作状态和它对IV曲线的影响都在下面的动曲线的影响都在下面的动 画中展示。画中展示。 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 30 要测算出旁路二极管对要测算出旁路二极管对IV曲线的影响，首先找出单个太阳曲线的影响，首先找出单个太阳 能电池（带有旁路二极管）的能电池（带有旁路二极管）的IV曲线，然后与其它

39、电池的曲线，然后与其它电池的IV曲曲 线相结合。旁路二极管只在电池出现电压反向时才对电池产生线相结合。旁路二极管只在电池出现电压反向时才对电池产生 影响。如果反向电压高于电池的膝点电压（影响。如果反向电压高于电池的膝点电压（knee voltage），）， 则二极管将导通并让电流流过。下图是结合之后的则二极管将导通并让电流流过。下图是结合之后的IV曲线。曲线。 连接旁路二连接旁路二 极管的电池极管的电池 没接旁路二没接旁路二 极管的电池极管的电池 接有二极管的电池的接有二极管的电池的IV曲线。二曲线。二 极管能阻止热点加热。为了便于观测，极管能阻止热点加热。为了便于观测， 图中使用了图中使用了

40、10个电池，其中个电池，其中9个好电池，个好电池， 一个问题电池。典型的光伏组件由一个问题电池。典型的光伏组件由36 个电池组成，如果没有旁路二极管，错个电池组成，如果没有旁路二极管，错 配效应的破坏将更严重，但连接二极管配效应的破坏将更严重，但连接二极管 后的影响却比后的影响却比10个电池的更小。个电池的更小。 6.3.5 互联效应互联效应 旁路二极管旁路二极管 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 31 6.3.5 互联效应互联效应 旁路二极管旁路二极管 然而，实际上若每个电池都连接一个二极管，成本会很高，然而，实际上若每个电池都连接一个二极管，成本会很高

41、， 所以一般改为一个二极管连接几个电池。穿过所以一般改为一个二极管连接几个电池。穿过“问题问题”电池的电池的 电压大小等于其它串联电池（即与问题电池共享一个二极管的电压大小等于其它串联电池（即与问题电池共享一个二极管的 电池）的前置偏压加上二极管的电压，如下图所示。那些好电电池）的前置偏压加上二极管的电压，如下图所示。那些好电 池的电压大小决定于问题电池的问题严重程度。例如，如果一池的电压大小决定于问题电池的问题严重程度。例如，如果一 个电池完全被阴影遮住了，那些没有阴影的电池会因短路电流个电池完全被阴影遮住了，那些没有阴影的电池会因短路电流 而导致正向电压偏置，而电压值大约为而导致正向电压偏

42、置，而电压值大约为0.6V。如果问题电池只。如果问题电池只 是部分被阴影遮住，则好电池中的一部分电流将穿过电路，而是部分被阴影遮住，则好电池中的一部分电流将穿过电路，而 剩下的则被用来对每个电池产生前置偏压。问题电池导致的最剩下的则被用来对每个电池产生前置偏压。问题电池导致的最 大功率耗散几乎等于那一组电池所产生的所有能量。在没有引大功率耗散几乎等于那一组电池所产生的所有能量。在没有引 起破坏的情况下，一个二极管能连接电池的数量最多为起破坏的情况下，一个二极管能连接电池的数量最多为15（对（对 于硅电池）。因此，对于通常的于硅电池）。因此，对于通常的36电池的光伏组件，需要电池的光伏组件，需要

43、2个个 二极管来保证组件不会轻易被二极管来保证组件不会轻易被“热点热点”破坏。破坏。 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 32 连接电池组的旁路二极管。穿过好电池的电压大小决定于连接电池组的旁路二极管。穿过好电池的电压大小决定于 问题电池的问题严重程度。图中问题电池的问题严重程度。图中0.5V只是任意取的数值。只是任意取的数值。 6.3.5 互联效应互联效应 旁路二极管旁路二极管 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 33 在小的电池组件中，电池都是以串联形式相接，所以不用在小的电池组件中，电池都是以串联形式相接，所以不用

44、考虑并联错配问题。通常在大的光伏阵列中组件才以并联形式考虑并联错配问题。通常在大的光伏阵列中组件才以并联形式 连接，所以错配通常发生在组件与组件之间，而不是电池与电连接，所以错配通常发生在组件与组件之间，而不是电池与电 池之间。池之间。 电池之间并联。穿过每电池之间并联。穿过每 个电池的电压总是相等个电池的电压总是相等 的，电路的总电流等于的，电路的总电流等于 每个电池之和。每个电池之和。 在动画中，电池在动画中，电池2的输出的输出 电流小于电池电流小于电池1。错配对。错配对 电流的影响不大，总的电电流的影响不大，总的电 流总是比单个电池电流高。流总是比单个电池电流高。 两个并联电池的电压错两

45、个并联电池的电压错 配。电池配。电池2的电压的增的电压的增 加事实上降低了好电池加事实上降低了好电池 的开路电压。的开路电压。 6.3.6 互联效应互联效应 并联电池的错配并联电池的错配 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 34 有个简单的方法可以计算错配并联电池的开路电压，即有个简单的方法可以计算错配并联电池的开路电压，即 在坐标图中以电压为自变量画出在坐标图中以电压为自变量画出IV曲线，则两线的交点就是曲线，则两线的交点就是 并联电路的开路电压。并联电路的开路电压。 6.3.6 互联效应互联效应 并联电池的错配并联电池的错配 2021-6-7 第6章光伏

46、电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 35 在大型光伏阵列中，单个光伏组件即以串联形在大型光伏阵列中，单个光伏组件即以串联形 式又以并联形式与其它组件连接。一系列串联的电池式又以并联形式与其它组件连接。一系列串联的电池 或组件叫或组件叫“一串一串”。串联与并联相结合可能会导致光。串联与并联相结合可能会导致光 伏阵列中出现几个问题。一个潜在的问题来自于伏阵列中出现几个问题。一个潜在的问题来自于“一一 串串”电池中的一个发生了开路。则来自这串电池的电电池中的一个发生了开路。则来自这串电池的电 流要小于组件中其余的电池串。这种情况与串联电路流要小于组件中其余的电池串。这种情况与串联电路 中有一

47、个电池被阴影遮挡的情况相似，即输出自整个中有一个电池被阴影遮挡的情况相似，即输出自整个 电池组的能量将会下降。如下图所示。电池组的能量将会下降。如下图所示。 6.3.7 互联效应互联效应 光伏阵列中的错配效应光伏阵列中的错配效应 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 36 6.3.7 互联效应互联效应 光伏阵列中的错配效应光伏阵列中的错配效应 大型光伏阵列中的潜在错配效应。尽管所有的组件都是一样的，大型光伏阵列中的潜在错配效应。尽管所有的组件都是一样的， 且阵列中没有电池被阴影遮住，但仍然可能出现热点加热现象。且阵列中没有电池被阴影遮住，但仍然可能出现热点加热

48、现象。 开路开路 来自并联电路的来自并联电路的 电流减小了电流减小了1/4 左边的阵列在电路结构上相当左边的阵列在电路结构上相当 与右边的电路，即右边的每个与右边的电路，即右边的每个 电池的电压等于左边每个电池电池的电压等于左边每个电池 的的2倍，电流为倍，电流为4倍。倍。 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 如果旁路二极管的额定电流与整个并联电路的输出电流如果旁路二极管的额定电流与整个并联电路的输出电流 大小不匹配的话，则并联电路的错配效应同样会导致严重的大小不匹配的话，则并联电路的错配效应同样会导致严重的 问题。比如，由串联组件组成的并联电路中，每个串联组件问题。比如，由

49、串联组件组成的并联电路中，每个串联组件 的旁路二极管也以并联形式连接，如下图所示。串联组件中的旁路二极管也以并联形式连接，如下图所示。串联组件中 的一个错配将会导致电流从二极管流过，从而加热二极管。的一个错配将会导致电流从二极管流过，从而加热二极管。 然而，加热二极管会减少饱和电流和有效电阻，以至于组件然而，加热二极管会减少饱和电流和有效电阻，以至于组件 中的另一串电池也受影响。电流可能将流过组件中的每一个中的另一串电池也受影响。电流可能将流过组件中的每一个 二极管，但也一定会流过与二极管相连的那一串电池。则这二极管，但也一定会流过与二极管相连的那一串电池。则这 些旁路二极管变得更热，将大大降

50、低它们的电阻并提高电流。些旁路二极管变得更热，将大大降低它们的电阻并提高电流。 如果二极管的额定电流小于电池组件的并联电流，二极管将如果二极管的额定电流小于电池组件的并联电流，二极管将 会被烧坏，光伏组件也将会损坏。会被烧坏，光伏组件也将会损坏。 6.3.7 互联效应互联效应 光伏阵列中的错配效应光伏阵列中的错配效应 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 38 旁路二极管的一侧旁路二极管的一侧 的电阻可能更低的电阻可能更低 低电阻导低电阻导 致大电流致大电流 被遮挡的组件被遮挡的组件 并联组件中的旁路二极管。并联组件中的旁路二极管。 6.3.7 互联效应互联效

51、应 光伏阵列中的错配效应光伏阵列中的错配效应 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 39 除了使用旁路二极管来阻止错配损失外，通常除了使用旁路二极管来阻止错配损失外，通常 还会使用阻塞二极管来减小错配损失。阻塞二极管，还会使用阻塞二极管来减小错配损失。阻塞二极管， 如下图所示，通常被用来阻止晚上蓄电池的电流流如下图所示，通常被用来阻止晚上蓄电池的电流流 到光伏阵列上。在互相并联的组件中，每个组件都到光伏阵列上。在互相并联的组件中，每个组件都 串联一个阻塞二极管。这不仅能降低驱动阻塞二极串联一个阻塞二极管。这不仅能降低驱动阻塞二极 管的电流，还能阻止电流从一个好

52、的电池板流到有管的电流，还能阻止电流从一个好的电池板流到有 问题的电池板，也因此减小了并联组件的错配损失。问题的电池板，也因此减小了并联组件的错配损失。 6.3.7 互联效应互联效应 光伏阵列中的错配效应光伏阵列中的错配效应 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 40 6.3.7 互联效应互联效应 光伏阵列中的错配效应光伏阵列中的错配效应 阻塞二极管在并联组件中的作用。阻塞二极管在并联组件中的作用。 问题电池组的阻塞二极问题电池组的阻塞二极 管阻止了电流从旁边的管阻止了电流从旁边的 电池组流向问题电池组。电池组流向问题电池组。 阻塞二极管阻塞二极管 旁路二极管

53、旁路二极管 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 41 太阳能电池封装进光伏组件里所产生的一个多余的边际效太阳能电池封装进光伏组件里所产生的一个多余的边际效 应是，封装改变了组件内热量的进出状况，因此增加组件的温应是，封装改变了组件内热量的进出状况，因此增加组件的温 度。温度的增加对电池的主要影响是减小电池的输出电压，从度。温度的增加对电池的主要影响是减小电池的输出电压，从 而降低输出功率。此外，温度的增加也会导致光伏组件中出现而降低输出功率。此外，温度的增加也会导致光伏组件中出现 几个电池恶化，因为上升的温度也会增加与热扩散有关的压力，几个电池恶化，因为上升

54、的温度也会增加与热扩散有关的压力， 或者增加恶化率，即每上升或者增加恶化率，即每上升10C恶化量就增加恶化量就增加2个。个。 六电池组件的热成像图片。六电池组件的热成像图片。 6.4.1 温度效应温度效应 光伏组件的温度光伏组件的温度 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 42 6.4.1 温度效应温度效应 光伏组件的温度光伏组件的温度 组件的工作温度决定于组件产生的热量、向外组件的工作温度决定于组件产生的热量、向外 传输的热量和周围环境的温度之间的平衡。而组件产传输的热量和周围环境的温度之间的平衡。而组件产 生的热量决定于组件所在的工作点、组件的光学特性生的

55、热量决定于组件所在的工作点、组件的光学特性 和电池的封装密度。组件向外散发热量可以分为三个和电池的封装密度。组件向外散发热量可以分为三个 过程：传导、对流和辐射。这些散发过程决定于组件过程：传导、对流和辐射。这些散发过程决定于组件 材料的热阻抗、组件的发光特性和组件所处的环境条材料的热阻抗、组件的发光特性和组件所处的环境条 件（特别是风速），我们将在下面几节中讨论这些因件（特别是风速），我们将在下面几节中讨论这些因 素。素。 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 43 晒在阳光之下的光伏电池即产生热又产生电。对于工作晒在阳光之下的光伏电池即产生热又产生电。对于

56、工作 在最大功率点处的商业光伏组件来说，只有在最大功率点处的商业光伏组件来说，只有10%到到15%的的 太阳光被转换成电，而剩下的大部分都变成了热。影响组件太阳光被转换成电，而剩下的大部分都变成了热。影响组件 的热生成的几个因素包括：的热生成的几个因素包括： 组件表面的反射；组件表面的反射； 组件所处的工作点；组件所处的工作点； 组件中没有被电池片占据的空白部分对阳光的吸收；组件中没有被电池片占据的空白部分对阳光的吸收； 组件或电池对低能光（红外光）的吸收；组件或电池对低能光（红外光）的吸收； 太阳能电池的封装密度。太阳能电池的封装密度。 6.4.2 温度效应温度效应 光伏组件的热生成光伏组件

57、的热生成 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 44 6.4.2 温度效应温度效应 光伏组件的热生成光伏组件的热生成 表面反射表面反射 被组件表面反射出去的光对电能的产生没有贡献。这些被组件表面反射出去的光对电能的产生没有贡献。这些 光也被看作是能量损失的因素，因此要尽量减少。当然，反光也被看作是能量损失的因素，因此要尽量减少。当然，反 射光也不会使组件加热。对于典型玻璃表面封装光伏组件来射光也不会使组件加热。对于典型玻璃表面封装光伏组件来 说，反射光中包含了大约说，反射光中包含了大约4%的入射能量。的入射能量。 组件的工作点和效率组件的工作点和效率 电池的工

58、作点和效率决定了电池吸收的光子中能转换成电池的工作点和效率决定了电池吸收的光子中能转换成 电能的数量。如果电池工作在短路电流或开路电压处，则产电能的数量。如果电池工作在短路电流或开路电压处，则产 生的电能为零，即把所有光能都转换成电能。生的电能为零，即把所有光能都转换成电能。 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 45 6.4.2 温度效应温度效应 光伏组件的热生成光伏组件的热生成 光伏组件对光的吸收光伏组件对光的吸收 光伏组件中没有被电池片占据的部分同样也会加热组件。光伏组件中没有被电池片占据的部分同样也会加热组件。 吸收和反射的光的比例决定于组件背面的材料

59、和颜色。吸收和反射的光的比例决定于组件背面的材料和颜色。 入射到太阳入射到太阳 能板的太阳光产能板的太阳光产 生电的同时也产生电的同时也产 生热。生热。 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 46 红外光的吸收红外光的吸收 能量低于电池材料禁带宽度的光将不能产生能量低于电池材料禁带宽度的光将不能产生 电能，相反会变成热量使电池温度上升。而电池背面的铝电能，相反会变成热量使电池温度上升。而电池背面的铝 线也趋向于吸收红外光。如果电池的背面没有被铝完全覆线也趋向于吸收红外光。如果电池的背面没有被铝完全覆 盖，则部分红外光将穿过电池并射出组件。盖，则部分红外光将穿过

60、电池并射出组件。 太阳能电池的封装因素太阳能电池的封装因素 太阳能电池经过特殊设计使得它能更有效率地太阳能电池经过特殊设计使得它能更有效率地 吸收太阳光辐射。电池本身通常能比组件封装材料和电池吸收太阳光辐射。电池本身通常能比组件封装材料和电池 背表面层产生更多的热量。因此，电池封装材料的增加也背表面层产生更多的热量。因此，电池封装材料的增加也 将增加电池单位面积产生的热量。将增加电池单位面积产生的热量。 6.4.2 温度效应温度效应 光伏组件的热生成光伏组件的热生成 2021-6-7 第6章光伏电池板与系统新南威尔士大学 新南威尔士大学 47 光伏组件的工作温度是组件所产生的热量与向外界传输光