第6章 光伏电池板与系统

1、第六章：第六章：光伏电池板与系统光伏电池板与系统2022-5-3UNSW新南威尔士大学1 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2022-5-3UNSW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，电池板设计的坏和防止人们触电。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几

2、个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用寿命。接下来的几节将讨论电池是怎样被封装到板块里去的，以及讨论由于电池被封装到板块里去的，以及讨论由于电池相互连接和封装而引起的问题。电池互联相互连接和封装而引起的问题。电池互联系统或阵列系统最主要的影响是：系统或阵列系统最主要的影响是： 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 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

3、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，

4、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。2022-5-3UNSW新南威尔士大学3 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 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

5、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。2022-5-3UNSW新南威尔士大学4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2022-5-3UNSW新南威尔士大学5 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持高透明度。对于硅太阳能电池

6、，其前端表面必须能透过波长范围为长范围为350nm到到1200nm的光。此外，前端表面对光的反的光。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，这些膜显然还不够耐用。取而代之的，是使表面粗境来说，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大，也没那么容易被风和雨水冲走。这些组件面的可能性

7、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。被表面不断增加的污染物所引起的损失给抵消了。 2022-5-3UNSW新南威尔士大学6 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 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

8、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。 密封层密封层 密封材料是用来粘附组件中的太阳能电

9、池、前表面和背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定。当面的。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。然，材料还应该有良好的光透性和低热阻抗。EVA是最常使是最常使用的密封材料。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-顶端表层顶端表层-背层背层之间。之后把这种三明治结构加热到之间。之后把这种三明治结构加热到150C，EVA熔化后把熔化后把组件的每一层都粘合在一起。组件的每一层都粘合在一起。 2022-5-3UNSW新南威尔士大学7 6.2.2 电池板的设计电池板的设

10、计 封装的材料封装的材料2022-5-3UNSW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

11、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。 框架框架 电池组件的最后一个结构组成部分是组件的边界或框架。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，框架结构应该是平滑无凸起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。状的，否则会导致水、灰尘或其它异物停留在上面。2022-5-3UNSW新南威尔士大学9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 在光伏组件中，太阳能电池的在光伏组件中，

12、太阳能电池的封装密度封装密度指的是被电池覆指的是被电池覆盖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盖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形状。比如，单晶硅电池一般为圆形或半方形，而多晶硅电的形状。比如，单晶硅电池一般为圆形或半方形，而多晶硅电池则通常为正方形。因此，如果单晶硅电池不是切割成方形的池则通常为正方形。因此，如果单晶硅电池不是切割成方形的话，单晶硅组件的封装密度将比多晶硅的低。有关封装强度的话，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

13、选择，包括圆的和方的，在下图有介绍。几种选择，包括圆的和方的，在下图有介绍。2022-5-3UNSW新南威尔士大学10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2022-5-3UNSW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

14、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） 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池板电压损失和蓄电池所需要的

15、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。2022-5-3UNSW新南威尔士大学12 6

16、.3.1. 互联效应互联效应 组件电路的设计组件电路的设计2022-5-3UNSW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。2022-5-3UNSW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

17、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

18、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。 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：

19、TTLOq V /NIM I -M Iexp-1nkT2022-5-3UNSW新南威尔士大学15 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。 6.3.1. 互联效应互联效应 组件电路的设计组件电路的设计2022-5-3UNSW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

20、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。 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

21、，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。2022-5-317 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2022-5-3UNSW新南

22、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

23、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，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。2022-5-3UNSW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

24、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 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

25、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。2022-5-3UNSW新南威尔士大学20 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2022-

26、5-3UNSW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

27、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，电池中，电池输出的电压输出的电压比电池低。比电池低。2022-5-3UNSW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。及电池错配的程度。短路电流错配对光伏组件有重大影响。如下面动画所示，在开路电压处，短路电流的下降对电池影如下面动画所示，在开路电压处，短路电流的下降对电池影响相对较小。即开路电压只产

28、生了微小的变化，因为开路电响相对较小。即开路电压只产生了微小的变化，因为开路电压与短路电流成对数关系。然而，由于穿过电池的电流是一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，所以两者结合的总电流不能超过有问题电池的电流，样的，所以两者结合的总电流不能超过有问题电池的电流，这种情况在低电压处比较容易发生，好电池产生的额外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池所抵消，而是被问题电池所抵消了（通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会发生）。常在短路电流处也会发生）。 6.3.3 互联效应互联效应串联电池的错配串联电池的

29、错配 总的来说，在有电流错配的串联电路中，严重的功率损失一总的来说，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的电流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，问题电池的的时候，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。这些影响在下面的两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。个动画都有描述。2022-5-323 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。串联

30、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2022-5-3UNSW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 “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

31、，如下图所示。电池时，如下图所示。2022-5-325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，并常常导致得好电池提高电压，并常常导致“问题问题”电池的电压反置。电池的电压反置。 6.3.4 互联效应互联效应 热点加热热点加热2022-5-3UNSW新南威尔士大学26 6.3.4 互联效应

32、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

33、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。2022-5-3UNSW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

34、.3.4 互联效应互联效应 热点加热热点加热 通过使用旁路二极管可以避免热点加热效应对组件造成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。在正常工作状态，每个太阳能电池的电压都是正向偏置的，所以正常工作状态，每个太阳能电池的电压都是正向偏置的，所以旁路二极管的电压为反向偏置，相当于开路。然而，如果串联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，则旁路二极管就会立即导通，因此

35、使得来自好电池的电流能流向外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压将等于单个旁路二极管的管压降，由此限制了电流大小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阻止了热点加热。并阻止了热点加热。2022-5-3UNSW新南威尔士大学28 6.3.5 互联效应互联效应 旁路二极管旁路二极管2022-5-329 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

36、动画中展示。画中展示。 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。2022-5-3UNSW新南威尔士大学30连接旁

37、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2022-5-331

38、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，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

39、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

40、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。2022-5-3UNSW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 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

41、接，所以不用考虑并联错配问题。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。2022-5-333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

42、的电压错两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2022-5-3UNSW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 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

43、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

44、量将会下降。如下图所示。2022-5-3UNSW新南威尔士大学35 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2022-5-3UNSW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

45、，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。 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

46、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

47、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2022-5-3UNSW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 互联效应互联效应光伏阵列中的错配效应光伏阵列中的错配效应 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

48、，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。2022-5-3UNSW新南威尔士大学39 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2022-5-3UNSW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

49、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旁路二极管 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

50、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。2022-5-3UNSW新南威尔士大学41六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2022-5-3UNSW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

51、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。2022-5-3UNSW新南威尔士大学43 晒

52、在阳光之下的光伏电池即产生热又产生电。对于工晒在阳光之下的光伏电池即产生热又产生电。对于工作在最大功率点处的商业光伏组件来说，只有作在最大功率点处的商业光伏组件来说，只有10%到到15%的太阳光被转换成电，而剩下的大部分都变成了热。影响组的太阳光被转换成电，而剩下的大部分都变成了热。影响组件的热生成的几个因素包括：件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

53、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的热生成2022-5-3UNSW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

54、和效率组件的工作点和效率 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。2022-5-3UNSW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和颜色。吸收

55、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。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电能，相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。而电池背面的铝线也趋向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盖，则部于吸收红外光。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。分红外光将穿过电池并射出组件。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吸收太

56、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背表面阳光辐射。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将增加层产生更多的热量。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。电池单位面积产生的热量。2022-5-3UNSW新南威尔士大学46 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 光伏组件的工作温度是组件所产生的热量与向外界传输光伏组件的工作温度是组件所产生的热量与向外界传输的热量之间的动态平衡。向外界传输热量的过程有三个：传的热量之间的动态平衡。向外界传输热量的过程有三个：传

57、导、对流和辐射。导、对流和辐射。2022-5-3UNSW新南威尔士大学47组件表面的组件表面的空气流动引空气流动引起热对流起热对流组件向外辐组件向外辐射电磁波射电磁波热传导发生热传导发生在热量从一在热量从一块材料传到块材料传到另一块材料另一块材料太阳光加太阳光加热组件热组件 6.4.3 温度效应温度效应光伏组件的热损失光伏组件的热损失2022-5-3UNSW新南威尔士大学48 6.4.3 温度效应温度效应光伏组件的热损失光伏组件的热损失热传导热传导 热传导导致热损失是由于光伏组件与其它相互接触的材热传导导致热损失是由于光伏组件与其它相互接触的材料（包括周围空气）存在热梯度。光伏组件向外传导热的

58、能料（包括周围空气）存在热梯度。光伏组件向外传导热的能力可以通过电池封装材料的热阻抗和材料结构来描述。热量力可以通过电池封装材料的热阻抗和材料结构来描述。热量的传导形式与电路中电流的传导形式很相似。对于热传导，的传导形式与电路中电流的传导形式很相似。对于热传导，材料之间的温度差异驱使热量从高温流向低温区域，类似的，材料之间的温度差异驱使热量从高温流向低温区域，类似的，因为电路两区域存在电势差才导致电子的流动。因此，温度因为电路两区域存在电势差才导致电子的流动。因此，温度与热量的关系可以通过下面的方程给出，这有点类似于流经与热量的关系可以通过下面的方程给出，这有点类似于流经一电阻的电流与电压的关

59、系。一电阻的电流与电压的关系。 假设材料的构成是均匀一致的，且状态稳定，则热传导与假设材料的构成是均匀一致的，且状态稳定，则热传导与温度之间的方程为：温度之间的方程为： T=T=P Pheatheat 。式中，。式中，P Pheatheat指的是光伏组指的是光伏组件产生的热量，件产生的热量，为发射区表面的热阻抗，单位为为发射区表面的热阻抗，单位为CWCW-1-1，T T两种材料之间的温度差。组件的热阻抗决定于材料的厚度和它两种材料之间的温度差。组件的热阻抗决定于材料的厚度和它的热阻率。热阻抗类似于电阻，它的方程为：的热阻率。热阻抗类似于电阻，它的方程为：=L/kA =L/kA 其其中中A A为

60、传热表面的面积，为传热表面的面积，L L为热量在材料中传导的长度，为热量在材料中传导的长度，k k是单是单位为位为WmWm-1-1C C-1-1的热导率。的热导率。 要测算复杂结构的热电阻，可以把各个部分的阻抗以串联要测算复杂结构的热电阻，可以把各个部分的阻抗以串联或并列形式相加。例如，因为组件的前表面和背表面都向外界或并列形式相加。例如，因为组件的前表面和背表面都向外界传输热量，则这两块区域的总阻抗等于它们的各自阻抗并联相传输热量，则这两块区域的总阻抗等于它们的各自阻抗并联相加。此外，电池封装材料与组件玻璃的热阻抗则以串联形式相加。此外，电池封装材料与组件玻璃的热阻抗则以串联形式相加。加。