光伏组件与阵列设计

1、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2025mA/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

2、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

3、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，

4、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

5、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

6、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

7、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n36，m1。图41，42分别为太阳能电池组件工作原理图和等效电路图。图41为太阳能电池组件工作原理图图42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

8、，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F40mm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=p

9、 d2/4=p´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/m2100mW/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F40mm的单晶硅太阳电池四串三并，即可满足要求。图43 串并联图44 混联联接的方法如图43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

10、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44，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

11、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

12、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： 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； 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； 尽量考虑组件连接线路最短，并用较粗的导线； 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

13、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

14、101号标准，其条件是：光谱辐照度为1000W/m2；光谱AMl5；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20100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0.03mAcm2。总的来说，温度升高太阳电池的功率下降，典型温

15、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035。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UniSolar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1001000Wm2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4001000Wm2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

16、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45所示。图45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

17、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。但是有些偶然的遮挡是不可避免的，所以需要用旁路二极管来起保护作用。如果所有的组件是并联的，就不需要旁路二极管，即如果要求阵列输出电压为12V，而每个组件的输出恰为1

18、2V，则不需要对每个组件加旁路二极管，如果要求24V阵列（或者更高），那么必须有2个（或者更多的）组件串联，这时就需要加上旁路二极管，如图45所示,组件组件组件组件+-DC24V图45带旁路二极管的串联电池组件组件组件组件+-DC24V图46 对于24V阵列阻塞二极管的接法阻塞二极管是用来控制光伏系统中电流的，任何一个独立光伏系统都必须有防止从蓄电池流向阵列的反向电流的方法或有保护或失效的单元的方法。如果控制器没有这项功能的话，就要用到阻塞二极管，如图46阻塞二极管既可在每一并联支路，又可在阵列与控制器之间的干路上，但是当多条支路并联接成一个大系统，则应在每条支路上用阻塞二极管（如图46）以防

19、止由于支路故障或遮蔽引起的电流由强电流支路流向弱电流支路的现象。在小系统中，在干路上用一个阻塞二极管就够了，不要两种都用，因为每个二极管会降压0.40.7V，是一个12V系统的6%，这也是不小的一个比例。1.3.2 阵列设计光伏阵列的设计，一般来说，就是按照用户的要求和负载的用电量及技术条件，计算太阳能电池组件的串联、并联数。串联数由太阳能电地方阵的工作电压决定，应考虑蓄电池的浮充电压、线路损耗以及温度变化对太阳能电池的影响等因素。在太阳能电池组件串联数确定之后，即可按照气象台提供的太阳能年总辐射量或年日照时数的10年平均值计算，确定太阳能电池组件的并联数。太阳能电池方阵的输出功率与组件的串联

20、、并联数量有关。组件的串联是为了获得所需要的电压，组件的并联是为了获得所需要的电流。太阳电池阵列设计的基本思想就是满足年平均日负载的用电需求。将系统的标称电压除以太阳电池组件的标称电压，就可以得到太阳电池组件需要串联的太阳电池组件数，使用这些太阳电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压：串联组件数量用负载平均每天所需要的能量（安时数）除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量（安时数），这样就可以算出系统需要并联的太阳电池组件数，使用这些组件并联就可以产生系统负载所需要的电流。并联的组件数量 在实际情况工作下，太阳电池组件的输出会受到外在环境的影响而降低。根据上述基本公式计算出的太阳电池组件

21、，在实际情况下通常不能满足光伏系统的用电需求，为了得到更加正确的结果，有必要对上述并联的组件数量公式进行修正。 并联的组件数量 衰减因子是考虑泥土，灰尘的覆盖和组件性能的慢慢衰变都会降低太阳电池组件的输出，通常的做法就是在计算的时候减少太阳电池组件的输出10来解决上述的不可预知和不可量化的因素。可以将这看成是光伏系统设计时需要考虑的工程上的安全系数。库仑效率指在蓄电池的充放电过程中，铅酸蓄电池会电解水，产生气体逸出，这也就是说着太阳电池组件产生的电流中将有一部分不能转化储存起来而是耗散掉。所以可以认为必须有一小部分电流用来补偿损失，用蓄电池的库仑效率来评估这种电流损失。不同的蓄电池其库仑效率不

22、同，通常可以认为有510的损失，所以保守设计中有必要将太阳电池组件的功率增加10以抵消蓄电池的耗散损失。一般的阵列设计步骤如下。1蓄电池容量BCBC=A*QL*NL*TO/CC (AH)；A：安全系数在1.11.4之间；QL：负载日平均耗电量，等于日工作小时乘工作电流；NL：最长连续阴雨天数；TO：温度修正系数，0度上为1，10上为1.1，10下为1.2；CC：放电深度。铅酸电池0.75，碱性镍镉电池0.85。2电池组件串联数Ns太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可获得所需要的工作电压，但是，太阳能电池组件的串联数必须适当。串联数太少，串联电压低于蓄电池浮充电压，阵列就不能对蓄电池充电。如果

23、串联数太多使输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有明显的增加。因此，只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。     计算方法如下：Ns=UR/Uoc=（UfUDUc）/Uoc式中：UR为太阳能电池方阵输出最小电压； Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压； Uf为蓄电池浮充电压； UD为二极管压降，一般取0.7V；UC为其它因数引起的压降。3电池组件并联数Np太阳能电池组件并联数Np的计算如下：将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht，转换成在标准光强下的平均日辐射时数H： H=Ht×2.77810000（h）

24、，式中2.77810000（h·m2/kJ）为将日辐射量换算为标准光强（1000W/m2）下的平均日辐射时数的系数；太阳能电池组件日发电量Qp： Qp=Ioc×H×Kop×Cz（Ah），式中：Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流；Kop为斜面修正系数；Cz为修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8；两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw，需补充的蓄电池容量Bcb为：Bcb=A×QL×NL（Ah）； 太阳能电池组件并联数Np：Np=（BcbNw×QL）/（Qp×Nw）式中的表达意为：并联的太阳

25、能电池组组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。4阵列的功率计算根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P：P=Po×Ns×Np（W）， 式中Po为太阳能电池组件的额定功率。5阵列设计举例以兰州某地面卫星接收站为例，负载电压为12V，功率为25W，每天工作24h，最长连续阴雨天为15d，两最长连续阴雨天最短间隔天数为30d，太阳能电池采用云南半导体器件厂生产的38D975×400型组件，组件标准功率为38W，工作电压17.1V，工作电流2.22A，蓄电池采用铅酸免维护蓄电

26、池，浮充电压为（14±1）V。其水平面太阳辐射数据参照表1，其水平面的年平均日辐射量为12110（kJ/m2），Kop值为0.885，最佳倾角为16.13°，计算太阳能电池阵列功率及蓄电池容量。解决方法：（1）蓄电池容量Bc： Bc=A×QL×NL×To/CC=1.2×（25/12)×24×15×1/0.75 =1200Ah (2)太阳能电池方阵率P 因为：Ns=UR/Uoc=（UfUDUC）/Uoc=（140.7）/17.1=0.921Qp=Ioc×H×Kop×C

27、z=2.22×12110×（2.778/10000）×0.885×0.85.29AhBcb=A×QL×NL=1.2×(25/12)×24×15=900AhQL=(25/12)×24=50AhNp=（BcbNw×QL）/(Qp×Nw）=(90030×50)/(5.29×30)15（3）太阳能电池方阵功率为：P=Po×Ns×Np=38×1×15=570W（4）计算结果该地面卫星接收站需太阳能电池方阵功率为570W，蓄电池

28、容量为1200Ah。1.3.3 阵列安装太阳电池方阵有种安装形式：（）安装在柱上；（）安装在地面上；（）安装在屋顶上。采用哪一种安装形式取决于诸多因素，包括方阵尺寸、可利用的空间、采光条件、防止破坏和盗窃、风负载、视觉效果及安装难度等。除“屋顶集成”的光伏模块外，所有太阳电池方阵都要求使用金属支架，支架除要有一定强度外，还要有利于固定和支撑。方阵的框架应该十分坚固，要有足够的硬度，重量要轻。方阵支架必须能经受大风和冰雪堆积物的附加重，不会因为人为的和一些大动物破坏造成方阵坍塌。 方阵支架需要地脚支柱，目的有个：（）离地面有一定高度，便于通风；（）北方冬季堆积在太阳电池板下面的雪可能会腐蚀电池板

29、，地脚支柱可防止融化的雪落到电池板上。 一年之内，至少在夏天和冬天改变次电池板倾角，以此方式固定的太阳电池方阵有利于增加发电量。而且，手动改变倾角的太阳电池板对风压的耐受能力较好。从安装角度讲，常规光伏组件为带铝型材边框组件。安装方式可通过压卡式固定在安装支架上；或通过组件铝边框自带固定孔直接与安装支架进行螺丝连接。双玻组件或薄膜组件为无边框组件，没用固定孔，只可采用压卡式安装或背面托架的双面胶粘接。太阳能电池板方阵安装角度计算1.方位角太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°

30、;）时，太阳电池发电量是最大的。在偏离正南（北半球）30°度时，方阵的发电量将减少约1015；在偏离正南（北半球）60°时，方阵的发电量将减少约2030。但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率。在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。方阵设置场所受到许多条件的制约，例如，在地面上设置时土地的方位角、在屋顶上设置时屋顶的方位角，或者是为了躲避太阳阴影时的方位角，以及布置规划、发电效率、设计规划、建设目的等许多因素都有关系。如果要将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与

31、发电峰值时刻一致时，请参考下述的公式。至于并网发电的场合，希望综合考虑以上各方面的情况来选定方位角。 方位角（一天中负荷的峰值时刻（24小时制）12）×15（经度116） 10月9日北京的太阳电池方阵处于不同方位角时，日射量与时间推移的关系曲线。在不同的季节，各个方位的日射量峰值产生时刻是不一样的。2.倾斜角倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。但是，和方位角一样，在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角（斜率大于50-60）等方面的限制条件。对于

32、积雪滑落的倾斜角，即使在积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况，因此，特别是在并网发电的系统中，并不一定优先考虑积雪的滑落，此外，还要进一步考虑其它因素。对于正南（方位角为0°度），倾斜角从水平（倾斜角为0°度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。特别是在倾斜角大于50°60°以后，日射量急剧下降，直至到最后的垂直放置时，发电量下降到最小。方阵从垂直放置到10°20°的倾斜放置都有实际的例子。对于方位角不为0°度的情况，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。以上所述为方位角、倾斜角与发电量之间