太阳能电池组件的串.ppt

1、第5讲 太阳能电池方阵,太阳能电池方阵的组成,太阳能电池方阵也称光伏阵列（Solar Array或PV Array）。 太阳能电池方阵是为满足高电压、大功率的发电要求，由若干个太阳能电池组件通过串并联连接，并通过一定的机械方式固定组合在一起的。 除太阳能电池组件的串并联组合外，太阳能电池方阵还需要防反充（防逆流）二极管、旁路二极管、电缆等对电池组件进行电气连接，还需要配备专用的、带避雷器的直流接线箱。 有时为了防止鸟粪等沾污太阳能电池方阵表面而产生“热斑效应”，还要在方阵顶端安装驱鸟器。 另外电池组件方阵要固定在支架上，支架要有足够的强度和刚度，整个支架要牢固的安装在支架基础上。,1太阳能电池

2、组件的热斑效应,当太阳能电池组件或某一部分表面不清洁、有划伤或者被鸟粪、树叶、建筑物阴影、云层阴影覆盖或遮挡的时候，被覆盖或遮挡部分所获得的太阳能辐射会减小，其电池片输出功率自然减小，相应组件的输出功率也随之降低。由于被遮挡的面积与输出功率不是线性关系，所以即使一个组件中只有一个电池片被覆盖，整个组件的功率也会大幅度降低。 如果被遮挡部分只是方阵组件串的并联部分，那么问题还比较简单，只是该部分输出的发电电流会减小，如果被遮挡部分只是方阵组件串的串联部分，则问题较为严重，一方面会使整个组件的输出电流减小为该被遮挡部分的电流，另一方面被遮挡的电池片不仅不能发电，还会被当作负载消耗其他有光照的太阳能

3、电池组件的能量，长期遮挡会引起局部反复过热。,什么是“热斑效应”？,定义： 在一定条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。被遮蔽的太阳电池组件此时将会发热，这就是热斑效应。,有光照的太阳电池组件所产生的部分能量或所有能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。,“热斑效应”的破坏力,热斑效应会使焊点融化，破坏封装材料( 如无旁路二极管保护)，甚至会使整个方 阵失效。,被破坏了的电池片!,产生“热斑效应”的原因,造成热斑效应的根源是有个别坏电池的混入、电极焊片虚焊、电池由裂纹演变为破碎、个别电池特性变坏、电池局部受到阴影遮挡等。； 由于局部阴影的存在，

4、太阳电池组件中某些电池单片的电流、电压发生了变化。其结果使太阳电池组件局部电流与电压之积增大，从而在这些电池组件上产生了局部温升。,如何解决“热斑效应”呢？,为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏，最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以增加方阵的可靠性通常情况下，旁路二极管处于反偏压，不影响组件正常工作。,这是为什么呢？,当一个电池被遮挡时，其他电池促其反偏成为大电阻，此时二极管导通，总电池中超过被遮电池光生电流的部分被二极管分流，从而避免被遮电池过热损坏。以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。,2太阳能电池组件的串、并联组合,太阳能电池方阵的连接有串联、并联和串、并联混

5、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

6、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。,方阵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

7、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,3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

8、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

9、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

10、（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

11、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

12、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

13、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。,4太阳能电池方阵的电路,太阳能电池方阵的基本电路由太阳能电池组件串、旁路二极管、防反充二极管和带避雷器的直流接线箱等构成，常见电路形式有并联方阵电路、串联方阵电路和串、并联混合方阵电路，如图所示。,5、光伏方阵组合的能量损失,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

14、造成光伏阵列的离散损失,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。,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。,一般独立光伏系统电压往往被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

15、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。 对电压等级更高的光伏发电系统，则采用多个方阵进行串并联，组合成与电网等级相同的电压等级，如组合成600V、1kV等，再通过逆变器后与电网连接。,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，在计算方阵的输出电压时一般将其额定电压提高10%，再选定组件的串联数。,例如

16、，一个组件的最大输出功率为108W，最大工作电压为36.2V，设选用逆变器为交流三相，额定电压380V，逆变器采取三相桥式接法，则直流输出电压Up=Uab/0.817=380/0.817465V。再来考虑电压富余量，太阳能电池方阵的输出电压应增大到1.1465=512V，则计算出组件的串联数为512V/36.2V 14块。,下面再从系统输出功率来计算太阳能电池组件的总数。 现假设负载要求功率是30kW，则组件总数为30000W/108W 277块，从而计算出模块并联数为277/1419.8，可选取并联数为20块。 结论：该系统应选择上述功率的组件14串联20并，组件总数为1420=280块，系统输出最大功率为280108W30.2kW。,例：某地建设一个为移动通信基站供电的太阳能光伏发电系统，该系统采用直流负载，负载工作电压为48v，用电量为每天150ah，该地区最低的光照辐射是1月份，其倾斜面峰值日照时数是3.5h，选定125w太阳电池组件，其主要参数为峰值功率125w、峰值工作电压34.2v、峰值工作电流3.65a，计算太阳电池组件使