第六章光伏电池板与系统

1、2022-5-21应用光伏学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2022-5-21应用光伏学2 一块太阳能电池板是由许多单个太阳能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。电电池连接而成的，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和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，电池板设计的几个方防止人们触电。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。面可能会

2、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。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：电池互联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2022-5-21应用光伏学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装块串联着的电

3、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不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，由于太阳能电池非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机常的薄，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每械损伤。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蚀。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，非晶硅太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板块内，而晶体硅阳能电池通常被封装在

4、柔软的板块内，而晶体硅太阳能电池则通常保护在刚性的玻璃封装内，一太阳能电池则通常保护在刚性的玻璃封装内，一般规定的硅太阳能电池板的使用寿命为般规定的硅太阳能电池板的使用寿命为20年，可年，可见组件封装的可靠性有多高。见组件封装的可靠性有多高。 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2022-5-21应用光伏学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

5、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。材料。如下图所示。如下图所示。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2022-5-21应用光伏学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持高透明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范围为度。对于硅太阳能电池，其前端表面必须能透过波长范围为350nm到到1200nm的光。此外，前端

6、表面对光的反射率必须很低。尽管理论上这些的光。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膜来降低，但是实际上，对于大多数光伏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，这些膜显然还不够耐用。取而代之的，是使表面粗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

7、洁”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。抵消了。 2022-5-21应用光伏学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能透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照射下保持水，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。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水或水蒸气在渗入金属电极和连接线后会大大

8、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。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。对于材料的种类，可以有几种选择，包括丙烯酸、聚合物和玻璃。对于材料的种类，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，因为它成本低、其中含铁量低的玻璃是使用最广泛的，因为它成本低、 强强度好、稳定、高度透明、不透水不透气同时还有自我清洁功能。度好、稳定、高度透明、不透水不透气同时还有自我清洁功能。2022-5-21应用光伏学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

9、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-背背层之间。之后把这种三明治结构加热到层之间。之后把这种三明治结构加热到150，EVA熔化后熔化后把组件的每一层都粘合在一起。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2022-5-21应用光伏学8 6.2.2 电池板的设计电池板的设计 封装的材料

10、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低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。对于大热阻抗性，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多数组件，薄的聚合物层特别是Tedlar，是背表面层的首，是背表面层的首选材料。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前表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。和背表面都应该保持良好的光透性。202

11、2-5-21应用光伏学9 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。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2022-5-21应用光伏学10 在光伏组件中，太阳能电池的在光伏组件中，太阳能电池的封装密度封装密度指的是被电池覆盖指的是被电池覆盖的区域面积与空白区域面积的比。

12、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。有关封装密度的几种单晶硅组件的封装密度将比多晶硅的低。有关封装密度的几种选择，包括圆的和方的，在下图有介绍。选择，包括圆的和方的，在下图有介绍。圆形电池和方形

13、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2022-5-21应用光伏学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（

14、EVA）2022-5-21应用光伏学12 一块硅光伏电池板通常是由多块太阳能电池互相串联而成一块硅光伏电池板通常是由多块太阳能电池互相串联而成的，以提高输出电压和输出电流。光伏组件的输出电压通常被的，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设计成与12伏蓄电池相匹配的形式。而在伏蓄电池相匹配的形式。而在25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。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充电电压可能达到度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

15、，大多数光伏组件由36块电池片组成。这样，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在标准测试条件下，输出的开路电压将达到21V，在工作温度，在工作温度下，最大功率点处的工作电压大约为下，最大功率点处的工作电压大约为17V或或18V。剩余的电压。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，例如电池在远离最大功率输出点处工作和光强变弱。离最大功率输出点处工作和光强变弱。 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2022-5-21应用光伏学13 6.3.1. 互联效应互联效应 组件电路的设计组件电路的

16、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的蓄电池充电。的蓄电池充电。2022-5-21应用光伏学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，但是组件的输出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它们的转换效率。在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

17、度大约在30mA/cm2到到36mA/cm2之间。之间。 单晶硅电池的面积通常为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池片面积更大但电流密度较低，因此输。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流通常为出自这些组件的短路电流通常为4A左右。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。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组件的倾

18、斜角度的影响。2022-5-21应用光伏学15 如果组件中的如果组件中的所有所有太阳能电池都有太阳能电池都有相同相同的电特性，并处在的电特性，并处在相同的光照和温度下，则所有的电池都将输出相同的光照和温度下，则所有的电池都将输出相等相等的电流和电的电流和电压。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： TTLOq V /NIM I -M Iexp-1nkT 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，

19、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，是单个电池的理想填充因子， 而而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2022-5-21应用光伏学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

20、线如下图所示。2022-5-21应用光伏学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工作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，错配损耗是一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。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，由那些没有的情况下，由那些“好好”电池所产生的电能将被表现差的电池电池所产生的电能

21、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发热，也可能引起对组件无法挽回的损失。严重损失而发热，也可能引起对组件无法挽回的损失。 组件局部被阴影组件局部被阴影遮住是引起光伏组件遮住是引起光伏组件错配的主要原因。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2022-5-21应用光伏学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

22、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：l 光伏组件的工作地点光伏组件的工作地点l 电路的结构布局电路的结构布局l 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曲线上的任何一处的差异都将引曲线上的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

23、的影响大小同时取决于电路的结构和错配的类型。影响大小同时取决于电路的结构和错配的类型。2022-5-21应用光伏学19理想太阳能电池和非理想太阳能电池的比较。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。最大的错配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池理想太阳能电池 6.3.2 互联效应互联效应 错

24、配效应错配效应2022-5-21应用光伏学20 因为大多数光伏组件都是串联形式的，所以因为大多数光伏组件都是串联形式的，所以串联错配是人串联错配是人们最常遇到的错配类型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。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。

25、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大小必须等于那个最小的值。在电流中出现错配就意味着总的电流大小必须等于那个最小的值。 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2022-5-21应用光伏学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

26、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。在动画中，电在动画中，电池输出的电池输出的电压比电池低。压比电池低。2022-5-21应用光伏学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

27、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

28、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错配2022-5-21应用光伏学232022-5-21应用光伏学24 总的来说，在有电流错配的串联电路中，严重的功率损失总的来说，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

29、压处时，问题电流的时候，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。下面的两个动画都有描述。两个串联电池的电流错配有时两个串联电池的电流错配有时会相当严重且非常普遍。串联会相当严重且非常普遍。串联的电流受到问题电池的电流限的电流受到问题电池的电流限制。动画中，电池的输出电制。动画中，电池的输出电压比电池的高。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2022-5-21应用光伏学25 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

30、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对于对于I轴反转的电池轴反转的电池IV曲线曲线2022-5-21应用光伏学26 “热点加热热点加热”现象发生在几个串联电池中，其中一个电池现象发生在几个串联电池中，其中一个电池出现了问题时，如下图所示。出现了问题时，如下图所示。如果组件的首尾都连接起来了，来自那些未被阴影遮挡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。的电池的电能将被问题电池所抵消。个电

31、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2022-5-21应用光伏学27 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

32、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，这就是耗散，这就是热点加热现象热点加热现象。基本上所有好电池的总的发电能。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，

33、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。2022-5-21应用光伏学28 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2022-5-21应用光伏学29 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。破坏。二极

34、管与电池并联且方向相反，如下面动画所示。在正在正常工作状态，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，相当于开路路二极管的电压为反向偏置，相当于开路。然而，如果串联电。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

35、个旁路二极管的压降，由此限制了电流大小并阻电压将等于单个旁路二极管的压降，由此限制了电流大小并阻止了热点加热。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2022-5-21应用光伏学30 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。2022-5-21应用光伏学31 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，

36、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。二极曲线。二极管能阻止热点加热。为了便于观测，图中管能阻止热点加热。为了便于观测，图中使用了使用了10个电池，其中个电池，其中9

37、个好电池，一个个好电池，一个问题电池。典型的光伏组件由问题电池。典型的光伏组件由36个电池个电池组成，如果没有旁路二极管，错配效应的组成，如果没有旁路二极管，错配效应的破坏将更严重，但连接二极管后的影响却破坏将更严重，但连接二极管后的影响却比比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2022-5-21应用光伏学32 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“

38、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

39、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，起破坏的情况下，一个二极管能连接电池的数量最多为一个二极管能连接电池的数量最多为15个个（对于硅电池）。因此，对于通常的（对于硅电池）。因此，对于通常的36个电池的光伏组件，需个电池的光伏组件，需要要2个二极管来保证组件不会轻易被个二极管来保证组件不会轻易被“热点热点”破坏。破坏。2022-5-2

40、1应用光伏学33 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2022-5-21应用光伏学34 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

41、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。错配对电流影响不大，总的电流电流影响不大，总的电流总是比单个电池电流高。总是比单个电池电流高。两个并联电池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2022-5-21应用光伏学35 有个简单的

42、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轴反转画出一个电池的在坐标图中以电压轴反转画出一个电池的IV曲线，则两线的曲线，则两线的交点就是并联电路的开路电压。交点就是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对于对于V轴反转的电池轴反转的电池IV曲线曲线2022-5-21应用光伏学36 在大型光伏阵列中，单个光伏组件既以串联形式在大型光伏阵列中，单个光伏组件既以串联形式又以并联形式与其它组件连接。一系列串联的电池或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组件叫“一串一串”。串联与并联相结

43、合可能会导致光伏。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阵列中出现几个问题。一个潜在的问题来自于“一串一串”电池中的一个发生了开路。则来自这串电池的电流要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中有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，即输出自整个电池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。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2022-5-21应用光伏学37 6.3.7 互联效应

44、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。点加热现象。开路开路来自并联电路的电来自并联电路的电流减小了流减小了1/4左边的阵列在电路结构上相当于右左边的阵列在电路结构上相当于右边的电路，即右边的每个电池的电边的电路，即右边的每个电池的电压等于左边每个电池的压等于左边每个电池的2倍，电流倍，电流为为4倍。倍。2022-5-21应用光伏学38 如果旁路二极管的额定电流与整个并联电路

45、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，问题。比如，由串联组件组成的并联电路中，每个串联组件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的旁路二极管也以并联形式连接，如下图所示。串联组件中，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

46、。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2022-5-21应用光伏学39旁路二极管的一侧的电旁路二极管的一侧的电

47、阻可能更低阻可能更低低电阻导致低电阻导致大电流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2022-5-21应用光伏学40 除了使用除了使用旁路二极管旁路二极管来阻止错配损失外，通常来阻止错配损失外，通常还会使用还会使用阻塞二极管阻塞二极管来减小错配损失。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

48、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。 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2022-5-21应用光伏学41 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管问题电池组的阻塞二极管阻止了电流从旁边的电池阻止了电流从旁边的电池组流向问题电池组。组流向问题电池组。阻塞

49、二极管阻塞二极管旁路二极管旁路二极管2022-5-21应用光伏学42 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，因此增加了组件的应是，封装改变了组件内热量的进出状况，因此增加了组件的温度。温度的增加对电池的主要影响是减小电池的输出电压，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，从而降低输出功率。此外，温度的增加也会导致光伏组件中出从而降低输出功率。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

50、压力，或者增加恶化率，即每上升力，或者增加恶化率，即每上升10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2022-5-21应用光伏学43 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、向外传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。而组件产生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、组件的光学特性和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

51、为三个过电池的封装密度。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材程：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件料的热阻抗、组件的发光特性和组件所处的环境条件（特别是风速）。（特别是风速）。2022-5-21应用光伏学44 晒在阳光之下的光伏电池既产生热又产生电。对于工晒在阳光之下的光伏电池既产生热又产生电。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

52、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2022-5-21应用光伏学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。

53、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。生的电能为零。2022-5-21应用光伏学46 6.4.2 温度

54、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。入射到太阳能板的入射到太阳能板的太阳光产生电的同太阳光产生电的同时也产生热。时也产生热。2022-5-21应用光伏学47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

55、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。 6.4.2 温度效应温度效应光伏组件的热

56、生成光伏组件的热生成2022-5-21应用光伏学48 光伏组件的工作温度是组件所产生的热量与向外界传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：输的热量之间的动态平衡。向外界传输热量的过程有三个：传导、对流传导、对流和和辐射辐射。组件表面的空气流动引起热对组件表面的空气流动引起热对流流组件向外辐射电磁波组件向外辐射电磁波热传导发生在热量从一块材热传导发生在热量从一块材料传到另一块材料料传到另一块材料太阳光加热组件太阳光加热组件 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2022-5-21应用光伏学49 6.4.3 温度效应

57、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

58、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系。一电阻的电流与电压的关系。2022-5-21应用光伏学50 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W W-1-1，T

59、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-1-1-1-1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联形式相加。例如，因为组件的前表面和背表面都向外界或并联形式相加。例如，因为组件的前表面和背表面都向外界传

60、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。 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2022-5-21应用光伏学51 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对流对流 热对流就是从组件表面流过的物质把组件表面的热量带热对流就是从组件表面流过的物质把组件表面的热量带走。对于光伏组件，热对流是由组件表面吹过的风引起的。走。对于光伏组件，热对流是由组件表面吹过的风引起的。这个过程所传