第6章光伏電池板與系統(tǒng)課件

第六章：

光伏電池板與系統(tǒng)2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)1§6.1簡介§6.2電池板設(shè)計§6.3互聯(lián)效應(yīng)§6.4溫度效應(yīng)§6.5其它問題§6.6電池板的壽命第六章：

光伏電池板與系統(tǒng)2023/1/9UNSW新南威爾士2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)2一塊太陽能電池板是由許多單個太陽能電池連接而成的，這樣能增加功率輸出。電池被封裝起來以阻止來自周圍環(huán)境的破壞和防止人們觸電。然而，電池板設(shè)計的幾個方面可能會減少功率輸出或者降低使用壽命。接下來的幾節(jié)將討論電池是怎樣被封裝到板塊里去的，以及討論由于電池相互連接和封裝而引起的問題。電池互聯(lián)系統(tǒng)或陣列系統(tǒng)最主要的影響是：不匹配的電池之間的互聯(lián)引起的損耗電池板的溫度電池板的故障模式§6.1

簡介2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)2一塊太

一塊電池板由許多互相連接的電池（通常為36塊串聯(lián)著的電池）組成。把互相連接的電池封裝起來的主要原因是為了保護它們和它們連接線不受其周圍環(huán)境的破壞。例如，由于太陽能電池非常的薄，所以在缺乏保護的情況下很容易受到機械損傷。此外，電池表面的金屬網(wǎng)格以及連接每個電池的金屬線都有可能受到水或水蒸氣的腐蝕。而通過封裝便能阻止這些破壞。比如，非晶硅太陽能電池通常被封裝在柔軟的版塊內(nèi)，而在偏遠(yuǎn)地區(qū)使用的晶體硅太陽能電池則通常保護在剛硬的玻璃封裝內(nèi)，一般規(guī)定的硅太陽能電池板的使用壽命為20年，可見組件封裝的可靠性有多高。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)3典型的晶體硅電池板，為偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。§6.2.1

電池板的設(shè)計

電池板的結(jié)構(gòu)一塊電池板由許多互相連接的電

大多數(shù)晶體硅電池板都是由一塊透明表層、一塊密封板、背板和圍繞外圍的框架。通常，透明表層是一層玻璃，密封層材料是EVA（乙基醋酸乙烯），而背板則是一種Tedlar材料。如下圖所示。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)4低鐵玻璃§6.2.2

電池板的設(shè)計

封裝的材料大多數(shù)晶體硅電池板都是由一塊透2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)5§6.2.2

電池板的設(shè)計

封裝的材料前表面材料

光伏組件的前端表面必須對那些能夠被電池吸收的光線保持高透明度。對于硅太陽能電池，其前端表面必須能透過波長范圍為350nm到1200nm的光。此外，前端表面對光的反射率必須很低。盡管理論上這些反射可以通過在表面鋪上減反射膜來降低，但是實際上，對于大多數(shù)光伏組件所處的環(huán)境來說，這些膜顯然還不夠耐用。取而代之的，是使表面粗糙化或進行制絨。然而，這樣會使得塵埃和污染物停留在表面的可能性增大，也沒那么容易被風(fēng)和雨水沖走。這些組件也因此失去了“自我清潔”的功能，減小反射的優(yōu)勢也迅速被表面不斷增加的污染物所引起的損失給抵消了。

2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)5§6.2.22023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)6§6.2.2

電池板的設(shè)計

封裝的材料除了減反射特性和透明特性，頂端表面材料還應(yīng)該不能透水，應(yīng)該有好的耐沖擊性，應(yīng)該能在長時間的紫外線照射下保持穩(wěn)定，應(yīng)該有低的熱阻抗性。水或水蒸氣在滲入金屬電極和連接線后會大大降低光伏組件的壽命。大多數(shù)的組件的前端表面是用來增加機械強度和剛度的。對于材料的的種類，可以有幾種選擇，包括丙烯酸、聚合物和玻璃。其中含鐵量低的玻璃是使用最廣泛的，因為它成本低、強度好、穩(wěn)定、高度透明、不透水不透氣同時還有自我清潔功能。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)6§6.2.2

密封層

密封材料是用來粘附組件中的太陽能電池、前表面和背面的。密封材料應(yīng)該在高溫和強紫外線照射下保持穩(wěn)定。當(dāng)然，材料還應(yīng)該有良好的光透性和低熱阻抗。EVA是最常使用的密封材料。EVA板塊被鑲嵌在太陽能電池-頂端表層-背層之間。之后把這種三明治結(jié)構(gòu)加熱到150°C，EVA熔化后把組件的每一層都粘合在一起。

2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)7§6.2.2

電池板的設(shè)計

封裝的材料密封層2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)7§62023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)8§6.2.2

電池板的設(shè)計

封裝的材料背表面層

光伏組件的背表面層材料的最關(guān)鍵性質(zhì)是必須擁有低熱阻抗性，同時必須能夠阻止水和水蒸氣的滲入。對于大多數(shù)組件，薄的聚合物層特別是Tedlar，是背表面層的首選材料。有些光伏組件被稱為雙面組件，被設(shè)計成電池的正面和背面都能夠接收光的照射。在雙面電池組件中的前表面和背表面都應(yīng)該保持良好的光透性。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)8§6.2.2框架

電池組件的最后一個結(jié)構(gòu)組成部分是組件的邊界或框架。傳統(tǒng)的光伏組件通常由鋁制成，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)該是平滑無凸起狀的，否則會導(dǎo)致水、灰塵或其它異物停留在上面。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)9幾種類型的硅光伏組件。§6.2.2

電池板的設(shè)計

封裝的材料框架2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)9幾種類型

在光伏組件中，太陽能電池的封裝密度指的是被電池覆蓋的區(qū)域面積與空白區(qū)域面積的比。封裝密度影響著電池的輸出功率以及電池溫度。而封裝密度的大小則取決于所使用電池的形狀。比如，單晶硅電池一般為圓形或半方形，而多晶硅電池則通常為正方形。因此，如果單晶硅電池不是切割成方形的話，單晶硅組件的封裝密度將比多晶硅的低。有關(guān)封裝強度的幾種選擇，包括圓的和方的，在下圖有介紹。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)10圓形電池和方形電池的封裝密度。白色的背表面§6.2.3

電池板的設(shè)計

封裝密度在光伏組件中，太陽能電池的封2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)11§6.2.3

電池板的設(shè)計

封裝密度當(dāng)組件中電池排列較稀疏時，露出的空白背面同樣能夠少量增加電池的輸出，因為“零深度聚光”效應(yīng)的影響，如下圖所示。一些射入到電池與電池之間的空白區(qū)域和射到電極上的光，被散射后又傳到電池表面。玻璃電極密封層（EVA）2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)11§6.2.3

一塊硅光伏電池板是通常是由多塊太陽能電池互相串聯(lián)而成，以提高輸出電壓和輸出電流。光伏組件的輸出電壓通常被設(shè)計成與12伏蓄電池相融的形式。而在25°C和AM1.5條件下，單個硅太陽能電池的輸出電壓只有0.6V?？紤]到由于溫度造成的電池板電壓損失和蓄電池所需要的充電電壓可能達(dá)到15V或者更多，大多數(shù)光伏組件由36塊電池片組成。這樣，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，輸出的開路電壓將達(dá)到21V，在工作溫度下，最大功率點處的工作電壓大約為17V或18V。剩余的電壓包括由光伏系統(tǒng)中的其它因素造成的電壓損失，例如電池在遠(yuǎn)離最大功率輸出點處工作和光強變?nèi)酢?023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)12§6.3.1.

互聯(lián)效應(yīng)

組件電路的設(shè)計一塊硅光伏電池板是通常是由多塊2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)13§6.3.1.

互聯(lián)效應(yīng)

組件電路的設(shè)計典型的組件由36塊電池串聯(lián)而成在典型的組件中，36塊電池串聯(lián)起來以使輸出的電壓足以為12V的電池充電。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)13§6.3.1.2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)14§6.3.1.

互聯(lián)效應(yīng)

組件電路的設(shè)計雖然光伏組件的電壓大小決定于電池的數(shù)量，但是組件的輸出電流卻決定于單個太陽能電池的尺寸大小和它們的轉(zhuǎn)換效率。在AM1.5和最優(yōu)傾斜角度下，商用電池的電流密度大約在30mA/cm2到36mA/cm2之間。單晶硅電池的面積通常為100cm2，則總的輸出電流大約為3.5A。多晶硅電池組件的電池片面積更大但電流密度較低，因此輸出自這些組件的短路電流通常為4A左右。但是，多晶硅電池的面積可以有多種變化，因此電流也可以有多種選擇。組件的輸出電流和電壓并不受溫度的影響，但卻容易受組件的傾斜角度的影響。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)14§6.3.1.如果組件中的所有太陽能電池都有相同的電特性，并處在相同的光照和溫度下，則所有的電池都將輸出相等的電流和電壓。在這種情況下，光伏組件的IV曲線的形狀將和單個電池的形狀相同，只是電壓和電流都增大了。則此電路的方程為：2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)15式中，N表示串聯(lián)電池的個數(shù)，M為并聯(lián)電池的個數(shù)，IT為電路的總電流，VT電路的總電壓，Io是單個電池的飽和電流，IL是單個電池的短路電流，n是單個電池的理想填充因子，而q、k和T則為常數(shù)?！?.3.1.

互聯(lián)效應(yīng)

組件電路的設(shè)計如果組件中的所有太陽能電池都有相2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)16§6.3.1.

互聯(lián)效應(yīng)

組件電路的設(shè)計N個電池串聯(lián)，M個電池并聯(lián)的電路IV曲線。由一系列相同的電池連接而成的總電路的IV曲線如下圖所示。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)16§6.3.1.

錯配損耗是由互相連接的電池或組件沒有相同的性能或者工作在不同的條件下造成的。在工作條件相同的情況下，錯配損耗是一個相當(dāng)嚴(yán)重的問題，因為整個光伏組件的輸出是決定于那個表現(xiàn)最差的電池的輸出的。例如，在一塊電池片被陰影遮住而其它電池則沒有的情況下，由那些“好”電池所產(chǎn)生的電能將被表現(xiàn)差的電池所抵消，而不是用于驅(qū)動電路。這反過來還可能會導(dǎo)致局部電能的嚴(yán)重?fù)p失，而由此產(chǎn)生的局部加熱也可能引起對組件無法挽回的損失。2023/1/1017組件局部被陰影遮住是引起光伏組件錯配的主要原因?！?.3.2

互聯(lián)效應(yīng)

錯配效應(yīng)錯配損耗是由互相連接的電池或組件2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)18§6.3.2

互聯(lián)效應(yīng)

錯配效應(yīng)當(dāng)組件中的一個太陽能電池的參數(shù)與其它的明顯不同時，錯配現(xiàn)象就會發(fā)生。由錯配造成的影響和電能損失大小決定于：光伏組件的工作點電路的結(jié)構(gòu)布局受影響電池的參數(shù)一個電池與其余電池在IV曲線的上任何一處的差異都將引起錯配損耗。下圖將展示電池的非理想IV曲線和工作環(huán)境。盡管錯配現(xiàn)象可能由電池參數(shù)的任何一部分所引起，但是嚴(yán)重的錯配通常都是由短路電流或開路電壓的差異所引起的。錯配的影響大小同時取決于電路的結(jié)構(gòu)和錯配的類型，在下面的幾節(jié)中我們將有更詳細(xì)的討論。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)18§6.3.22023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)19理想太陽能電池和非理想太陽能電池的比較。最大的錯配差異是當(dāng)電壓被反向偏壓的時候造成的。.反向電壓很高時，pn結(jié)可能被擊穿并聯(lián)電阻引起的下降電池消耗能量非理想太陽能電池電池產(chǎn)生能量電池消耗能量串聯(lián)電阻引起的額外下降理想太陽能電池§6.3.2

互聯(lián)效應(yīng)

錯配效應(yīng)2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)19理想太陽能電池和非

因為大多數(shù)光伏組件都是串聯(lián)形式的，所以串聯(lián)錯配是人們最常遇到的錯配類型。在兩種最簡單的錯配類型中（短路電流的錯配和開路電壓錯配），短路電流的錯配比較常見，它很容易被組件的陰影部分所引起。同時，這種錯配類型也是最嚴(yán)重的。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)20對于兩個互相串聯(lián)的電池來說，流過兩者的電流大小是一樣的。產(chǎn)生的總電壓等于每個電池的電壓的總和。因為電流大小需要一致，所以在電流中出現(xiàn)錯配就意味著總的電流必須大小等于那個最小的值?！?.3.3

互聯(lián)效應(yīng)

串聯(lián)電池的錯配因為大多數(shù)光伏組件都是串聯(lián)形式2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)21§6.3.3

互聯(lián)效應(yīng)

串聯(lián)電池的錯配串聯(lián)電池的開路電壓錯配串聯(lián)電池的開路電壓錯配是一種比較不嚴(yán)重的錯配類型。正如下面動畫所展示的那樣，在短路電流處，光伏組件輸出的總電流是不受影響的。而在最大功率點處，總的功率卻減小了，因為“問題”電池產(chǎn)生的能量較少。因為兩個電池是串聯(lián)起來的，所以流經(jīng)兩個電池的電流是一樣的，而總的電壓則等于每個電池的電壓之和。在動畫中，電池２輸出的電壓比電池１低。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)21§6.3.32023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)22串聯(lián)電池的短路電流錯配串聯(lián)電池的短路電流錯配取決于組件所處的工作點，以及電池錯配的程度。短路電流錯配對光伏組件有重大影響。如下面動畫所示，在開路電壓處，短路電流的下降對電池影響相對較小。即開路電壓只產(chǎn)生了微小的變化，因為開路電壓與短路電流成對數(shù)關(guān)系。然而，由于穿過電池的電流是一樣的，所以兩者結(jié)合的總電流不能超過有問題電池的電流，這種情況在低電壓處比較容易發(fā)生，好電池產(chǎn)生的額外電流并不是被每一個電池所抵消，而是被問題電池所抵消了（通常在短路電流處也會發(fā)生）。§6.3.3

互聯(lián)效應(yīng)

串聯(lián)電池的錯配2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)22串聯(lián)電池的短路電流總的來說，在有電流錯配的串聯(lián)電路中，嚴(yán)重的功率損失一般發(fā)生在問題電池產(chǎn)生的電流小于好電池在最大功率點時的電流的時候，或者當(dāng)電池工作在短路電流或低電壓處時，問題電池的高功率耗散會對組件造成無法挽回的傷害。這些影響在下面的兩個動畫都有描述。2023/1/1023兩個串聯(lián)電池的電流錯配有時會相當(dāng)嚴(yán)重且非常普遍。串聯(lián)的電流受到問題電池的電流限制。動畫中，電池２的輸出電壓比電池１的高。§6.3.3

互聯(lián)效應(yīng)

串聯(lián)電池的錯配總的來說，在有電流錯配的串聯(lián)電路中，嚴(yán)2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)24兩線交點的電流表示串聯(lián)電路的短路電流，這是計算串聯(lián)電池的錯配短路電流的一個簡單方法。串聯(lián)電路的短路電流§6.3.3

互聯(lián)效應(yīng)

串聯(lián)電池的錯配2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)24兩“熱點加熱”現(xiàn)象發(fā)生在幾個串聯(lián)電池中出現(xiàn)了一個問題電池時，如下圖所示。2023/1/1025如果組件的首尾都連接起來了，來自那些未被陰影遮擋的電池的電能將被問題電池所抵消。９個電池未被遮擋10個串聯(lián)電池一個電池被遮擋電路中，一個被陰影遮住的電池減少了電路電流，使得好電池提高電壓，并常常導(dǎo)致“問題”電池的電壓反置?！?.3.4

互聯(lián)效應(yīng)

熱點加熱“熱點加熱”現(xiàn)象發(fā)生在幾個串聯(lián)電池中出2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)26§6.3.4

互聯(lián)效應(yīng)

熱點加熱如果串聯(lián)電路的工作電流大小接近于“問題”電池的短路電流，電路總電流將受到問題電池的限制。則好電池產(chǎn)生的額外電流（比問題電池高出的那部分電流）將變成好電池的前置偏壓。如果串聯(lián)電池被短路，則所有好電池的前置偏壓都將變成問題電池的反向電壓。當(dāng)數(shù)量很多的串聯(lián)電池一起把前置偏壓變成問題電池的反向電壓時，在問題電池處將會有大的能量耗散，這就是熱點加熱現(xiàn)象?；旧纤泻秒姵氐目偟陌l(fā)電能力都被問題電池給抵消了。巨大的能量消耗在一片小小的區(qū)域，局部過熱就會發(fā)生，或者叫“熱點”，它反過來也會導(dǎo)致破壞性影響，例如電池或玻璃破碎、焊線熔化或電池的退化。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)26§6.3.42023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)27問題電池的熱耗散導(dǎo)致組件的破碎。§6.3.4

互聯(lián)效應(yīng)

熱點加熱2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)27問題

通過使用旁路二極管可以避免熱點加熱效應(yīng)對組件造成的破壞。二極管與電池并聯(lián)且方向相反，如下面動畫所示。在正常工作狀態(tài)，每個太陽能電池的電壓都是正向偏置的，所以旁路二極管的電壓為反向偏置，相當(dāng)于開路。然而，如果串聯(lián)電池中有一個電池因此發(fā)生錯配而導(dǎo)致電壓被反向偏置，則旁路二極管就會立即導(dǎo)通，因此使得來自好電池的電流能流向外部電路而不是變成每個電池前置偏壓。穿過問題電池的最大反向電壓將等于單個旁路二極管的管壓降，由此限制了電流大小并阻止了熱點加熱。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)28§6.3.5

互聯(lián)效應(yīng)

旁路二極管通過使用旁路二極管可以避免熱點2023/1/1029§6.3.5

互聯(lián)效應(yīng)

旁路二極管旁路二極管的工作狀態(tài)和它對IV曲線的影響都在下面的動畫中展示。2023/1/929§6.3.5互聯(lián)效應(yīng)

旁

要測算出旁路二極管對IV曲線的影響，首先找出單個太陽能電池（帶有旁路二極管）的IV曲線，然后與其它電池的IV曲線相結(jié)合。旁路二極管只在電池出現(xiàn)電壓反向時才對電池產(chǎn)生影響。如果反向電壓高于電池的膝點電壓（kneevoltage），則二極管將導(dǎo)通并讓電流流過。下圖是結(jié)合之后的IV曲線。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)30連接旁路二極管的電池沒接旁路二極管的電池接有二極管的電池的IV曲線。二極管能阻止熱點加熱。為了便于觀測，圖中使用了10個電池，其中9個好電池，一個問題電池。典型的光伏組件由36個電池組成，如果沒有旁路二極管，錯配效應(yīng)的破壞將更嚴(yán)重，但連接二極管后的影響卻比10個電池的更小?！?.3.5

互聯(lián)效應(yīng)

旁路二極管要測算出旁路二極管對IV曲線的影2023/1/1031§6.3.5

互聯(lián)效應(yīng)

旁路二極管然而，實際上若每個電池都連接一個二極管，成本會很高，所以一般改為一個二極管連接幾個電池。穿過“問題”電池的電壓大小等于其它串聯(lián)電池（即與問題電池共享一個二極管的電池）的前置偏壓加上二極管的電壓，如下圖所示。那些好電池的電壓大小決定于問題電池的問題嚴(yán)重程度。例如，如果一個電池完全被陰影遮住了，那些沒有陰影的電池會因短路電流而導(dǎo)致正向電壓偏置，而電壓值大約為0.6V。如果問題電池只是部分被陰影遮住，則好電池中的一部分電流將穿過電路，而剩下的則被用來對每個電池產(chǎn)生前置偏壓。問題電池導(dǎo)致的最大功率耗散幾乎等于那一組電池所產(chǎn)生的所有能量。在沒有引起破壞的情況下，一個二極管能連接電池的數(shù)量最多為15（對于硅電池）。因此，對于通常的36電池的光伏組件，需要2個二極管來保證組件不會輕易被“熱點”破壞。2023/1/931§6.3.5互聯(lián)效應(yīng)

旁2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)32連接電池組的旁路二極管。穿過好電池的電壓大小決定于問題電池的問題嚴(yán)重程度。圖中0.5V只是任意取的數(shù)值。§6.3.5

互聯(lián)效應(yīng)

旁路二極管2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)32連接

在小的電池組件中，電池都是以串聯(lián)形式相接，所以不用考慮并聯(lián)錯配問題。通常在大的光伏陣列中組件才以并聯(lián)形式連接，所以錯配通常發(fā)生在組件與組件之間，而不是電池與電池之間。2023/1/1033電池之間并聯(lián)。穿過每個電池的電壓總是相等的，電路的總電流等于每個電池之和。在動畫中，電池2的輸出電流小于電池1。錯配對電流的影響不大，總的電流總是比單個電池電流高。兩個并聯(lián)電池的電壓錯配。電池2的電壓的增加事實上降低了好電池的開路電壓。§6.3.6

互聯(lián)效應(yīng)

并聯(lián)電池的錯配在小的電池組件中，電池都是以串聯(lián)形2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)34有個簡單的方法可以計算錯配并聯(lián)電池的開路電壓，即在坐標(biāo)圖中以電壓為自變量畫出IV曲線，則兩線的交點就是并聯(lián)電路的開路電壓?！?.3.6

互聯(lián)效應(yīng)

并聯(lián)電池的錯配2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)34有個

在大型光伏陣列中，單個光伏組件即以串聯(lián)形式又以并聯(lián)形式與其它組件連接。一系列串聯(lián)的電池或組件叫“一串”。串聯(lián)與并聯(lián)相結(jié)合可能會導(dǎo)致光伏陣列中出現(xiàn)幾個問題。一個潛在的問題來自于“一串”電池中的一個發(fā)生了開路。則來自這串電池的電流要小于組件中其余的電池串。這種情況與串聯(lián)電路中有一個電池被陰影遮擋的情況相似，即輸出自整個電池組的能量將會下降。如下圖所示。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)35§6.3.7

互聯(lián)效應(yīng)

光伏陣列中的錯配效應(yīng)在大型光伏陣列中，單個光伏組件即2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)36§6.3.7

互聯(lián)效應(yīng)

光伏陣列中的錯配效應(yīng)大型光伏陣列中的潛在錯配效應(yīng)。盡管所有的組件都是一樣的，且陣列中沒有電池被陰影遮住，但仍然可能出現(xiàn)熱點加熱現(xiàn)象。開路來自并聯(lián)電路的電流減小了1/4左邊的陣列在電路結(jié)構(gòu)上相當(dāng)與右邊的電路，即右邊的每個電池的電壓等于左邊每個電池的2倍，電流為4倍。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)36§6.3.7

如果旁路二極管的額定電流與整個并聯(lián)電路的輸出電流大小不匹配的話，則并聯(lián)電路的錯配效應(yīng)同樣會導(dǎo)致嚴(yán)重的問題。比如，由串聯(lián)組件組成的并聯(lián)電路中，每個串聯(lián)組件的旁路二極管也以并聯(lián)形式連接，如下圖所示。串聯(lián)組件中的一個錯配將會導(dǎo)致電流從二極管流過，從而加熱二極管。然而，加熱二極管會減少飽和電流和有效電阻，以至于組件中的另一串電池也受影響。電流可能將流過組件中的每一個二極管，但也一定會流過與二極管相連的那一串電池。則這些旁路二極管變得更熱，將大大降低它們的電阻并提高電流。如果二極管的額定電流小于電池組件的并聯(lián)電流，二極管將會被燒壞，光伏組件也將會損壞?！?.3.7

互聯(lián)效應(yīng)

光伏陣列中的錯配效應(yīng)如果旁路二極管的額定電流與整個2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)38旁路二極管的一側(cè)的電阻可能更低低電阻導(dǎo)致大電流被遮擋的組件并聯(lián)組件中的旁路二極管?！?.3.7

互聯(lián)效應(yīng)

光伏陣列中的錯配效應(yīng)2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)38旁路二極管的一側(cè)的

除了使用旁路二極管來阻止錯配損失外，通常還會使用阻塞二極管來減小錯配損失。阻塞二極管，如下圖所示，通常被用來阻止晚上蓄電池的電流流到光伏陣列上。在互相并聯(lián)的組件中，每個組件都串聯(lián)一個阻塞二極管。這不僅能降低驅(qū)動阻塞二極管的電流，還能阻止電流從一個好的電池板流到有問題的電池板，也因此減小了并聯(lián)組件的錯配損失。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)39§6.3.7

互聯(lián)效應(yīng)

光伏陣列中的錯配效應(yīng)除了使用旁路二極管來阻止錯配損失2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)40§6.3.7

互聯(lián)效應(yīng)

光伏陣列中的錯配效應(yīng)阻塞二極管在并聯(lián)組件中的作用。問題電池組的阻塞二極管阻止了電流從旁邊的電池組流向問題電池組。阻塞二極管旁路二極管2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)40§6.3.7

太陽能電池封裝進光伏組件里所產(chǎn)生的一個多余的邊際效應(yīng)是，封裝改變了組件內(nèi)熱量的進出狀況，因此增加組件的溫度。溫度的增加對電池的主要影響是減小電池的輸出電壓，從而降低輸出功率。此外，溫度的增加也會導(dǎo)致光伏組件中出現(xiàn)幾個電池惡化，因為上升的溫度也會增加與熱擴散有關(guān)的壓力，或者增加惡化率，即每上升10°C惡化量就增加2個。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)41六電池組件的熱成像圖片?！?.4.1

溫度效應(yīng)

光伏組件的溫度太陽能電池封裝進光伏組件里所產(chǎn)生2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)42§6.4.1

溫度效應(yīng)

光伏組件的溫度組件的工作溫度決定于組件產(chǎn)生的熱量、向外傳輸?shù)臒崃亢椭車h(huán)境的溫度之間的平衡。而組件產(chǎn)生的熱量決定于組件所在的工作點、組件的光學(xué)特性和電池的封裝密度。組件向外散發(fā)熱量可以分為三個過程：傳導(dǎo)、對流和輻射。這些散發(fā)過程決定于組件材料的熱阻抗、組件的發(fā)光特性和組件所處的環(huán)境條件（特別是風(fēng)速），我們將在下面幾節(jié)中討論這些因素。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)42§6.4.12023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)43曬在陽光之下的光伏電池即產(chǎn)生熱又產(chǎn)生電。對于工作在最大功率點處的商業(yè)光伏組件來說，只有10%到15%的太陽光被轉(zhuǎn)換成電，而剩下的大部分都變成了熱。影響組件的熱生成的幾個因素包括：組件表面的反射；組件所處的工作點；組件中沒有被電池片占據(jù)的空白部分對陽光的吸收；組件或電池對低能光（紅外光）的吸收；太陽能電池的封裝密度。§6.4.2

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱生成2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)43曬在2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)44§6.4.2

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱生成表面反射被組件表面反射出去的光對電能的產(chǎn)生沒有貢獻。這些光也被看作是能量損失的因素，因此要盡量減少。當(dāng)然，反射光也不會使組件加熱。對于典型玻璃表面封裝光伏組件來說，反射光中包含了大約4%的入射能量。組件的工作點和效率電池的工作點和效率決定了電池吸收的光子中能轉(zhuǎn)換成電能的數(shù)量。如果電池工作在短路電流或開路電壓處，則產(chǎn)生的電能為零，即把所有光能都轉(zhuǎn)換成電能。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)44§6.4.22023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)45§6.4.2

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱生成光伏組件對光的吸收光伏組件中沒有被電池片占據(jù)的部分同樣也會加熱組件。吸收和反射的光的比例決定于組件背面的材料和顏色。入射到太陽能板的太陽光產(chǎn)生電的同時也產(chǎn)生熱。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)45§6.4.2紅外光的吸收

能量低于電池材料禁帶寬度的光將不能產(chǎn)生電能，相反會變成熱量使電池溫度上升。而電池背面的鋁線也趨向于吸收紅外光。如果電池的背面沒有被鋁完全覆蓋，則部分紅外光將穿過電池并射出組件。太陽能電池的封裝因素

太陽能電池經(jīng)過特殊設(shè)計使得它能更有效率地吸收太陽光輻射。電池本身通常能比組件封裝材料和電池背表面層產(chǎn)生更多的熱量。因此，電池封裝材料的增加也將增加電池單位面積產(chǎn)生的熱量。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)46§6.4.2

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱生成紅外光的吸收2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)46§6

光伏組件的工作溫度是組件所產(chǎn)生的熱量與向外界傳輸?shù)臒崃恐g的動態(tài)平衡。向外界傳輸熱量的過程有三個：傳導(dǎo)、對流和輻射。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)47組件表面的空氣流動引起熱對流組件向外輻射電磁波熱傳導(dǎo)發(fā)生在熱量從一塊材料傳到另一塊材料太陽光加熱組件§6.4.3

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱損失光伏組件的工作溫度是組件所產(chǎn)生的2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)48§6.4.3

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱損失熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)導(dǎo)致熱損失是由于光伏組件與其它相互接觸的材料（包括周圍空氣）存在熱梯度。光伏組件向外傳導(dǎo)熱的能力可以通過電池封裝材料的熱阻抗和材料結(jié)構(gòu)來描述。熱量的傳導(dǎo)形式與電路中電流的傳導(dǎo)形式很相似。對于熱傳導(dǎo)，材料之間的溫度差異驅(qū)使熱量從高溫流向低溫區(qū)域，類似的，因為電路兩區(qū)域存在電勢差才導(dǎo)致電子的流動。因此，溫度與熱量的關(guān)系可以通過下面的方程給出，這有點類似于流經(jīng)一電阻的電流與電壓的關(guān)系。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)48§6.4.3假設(shè)材料的構(gòu)成是均勻一致的，且狀態(tài)穩(wěn)定，則熱傳導(dǎo)與溫度之間的方程為：ΔT=ΦPheat

。式中，Pheat指的是光伏組件產(chǎn)生的熱量，Φ為發(fā)射區(qū)表面的熱阻抗，單位為°CW-1，ΔT兩種材料之間的溫度差。組件的熱阻抗決定于材料的厚度和它的熱阻率。熱阻抗類似于電阻，它的方程為：Φ=L/kA其中A為傳熱表面的面積，L為熱量在材料中傳導(dǎo)的長度，k是單位為Wm-1°C-1的熱導(dǎo)率。要測算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的熱電阻，可以把各個部分的阻抗以串聯(lián)或并列形式相加。例如，因為組件的前表面和背表面都向外界傳輸熱量，則這兩塊區(qū)域的總阻抗等于它們的各自阻抗并聯(lián)相加。此外，電池封裝材料與組件玻璃的熱阻抗則以串聯(lián)形式相加。

2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)49§6.4.3

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱損失假設(shè)材料的構(gòu)成是均勻一致的，且2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)50§6.4.3

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱損失對流熱對流就是從組件表面流過的物質(zhì)把組件表面的熱量帶走。對于光伏組件，熱對流是由組件表面的吹過的風(fēng)引起的。這個過程所傳輸?shù)臒崃靠梢杂上旅娣匠瘫硎荆篜heat=hAΔTA表示兩種材料接觸的面積，h為熱對流率，單位為Wm-2°C-1，ΔT兩種材料之間的溫度差。與熱傳導(dǎo)過程不同，直接計算h的過程非常復(fù)雜，通常是通過實驗測算出來。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)50§6.4.3

輻射

組件向外部環(huán)境傳輸熱量的最后一種方式是向外輻射電磁波。像黑體輻射一節(jié)所討論的那樣，任何物體都會向外輻射電磁波，輻射的波由溫度決定。黑體輻射的功率強度由下面方程給出：

P=σT4

式中。P為光伏組件產(chǎn)生的熱能，σ斯特潘-波爾茲曼常數(shù)，T為電池組件的溫度，單位為K。然而，光伏組件并不是一個理想的黑體，所以要計算非理想黑體的輻射話，需要引入一個叫發(fā)射率ε的參數(shù)。作為完美發(fā)射體的黑體，它的發(fā)射率能達(dá)到1。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)51§6.4.3

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱損失輻射2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)51§62023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)52§6.4.3

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱損失一個物體的發(fā)射率一般可以通過它的吸收特性測量出來，因為這兩種特性非常相似。例如金屬，吸收率很低，同樣發(fā)射率也很低，通常只有0.03.引入發(fā)射率之后的方程變?yōu)椋?/p>

P=εσT4

組件熱量的凈損失等于組件向外輻射的熱量與外部環(huán)境向組件輻射的熱量的差，即P=εσ（T4sc-T4amb）其中Tsc為電池的溫度，Tamb為電池外部環(huán)境的溫度，其它的則為常量。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)52§6.4.3

在1kW/m2的光照下，光伏組件的典型溫度大約為25°C。然而，在實際的光伏發(fā)電站中，電池通常在溫度更高且光強更低的環(huán)境工作。為了估算出太陽能電池的功率輸出，關(guān)鍵的一步是要測算出光伏組件可能的工作溫度。電池額定工作溫度（NOCT）被定義為在下列條件下，開路時電池的溫度：

電池表面的輻照度=800W/m2

空氣溫度=20°C

風(fēng)速=1m/s

襯底=背面向外敞開

2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)53§6.4.4

溫度效應(yīng)

電池的額定工作溫度在1kW/m2的光照下，光伏2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)54§6.4.4

溫度效應(yīng)

電池的額定工作溫度關(guān)于組件與空氣之間太陽輻射和溫度的差異的方程，顯示了在風(fēng)速一定的情況下，熱對流和熱傳導(dǎo)損失的大小都與太陽輻照度成線性關(guān)系（這里我們假設(shè)溫度對熱阻抗和熱傳導(dǎo)率影響不大）。下圖將分別展示最佳條件、最壞條件和平均條件下的NOCT。最佳情況包括了組件背部安裝鋁散熱片以降低溫度，因為散熱片能減小熱阻抗同時增大表面的對流面積。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)54§6.4.42023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)55組件與外部環(huán)境的溫度差隨著太陽光照強度的增加而變大。最好的組件、最差的組件以及典型的組件的額定工作溫度NOCT分別為33°C、58°C和48°C。計算電池溫度的近似方程為：式中，S為光強，單位mW/cm2。風(fēng)速更高時，組件溫度將會下降，反之，當(dāng)風(fēng)速為零時溫度將更高?！?.4.4

溫度效應(yīng)

電池的額定工作溫度2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)55組件組件設(shè)計對NOCT的影響組件設(shè)計，包括組件材料和封裝密度，是影響NOCT的主要因素。例如，低封裝密度和低熱阻抗的背表面能夠使組件溫度降低5°C。安裝條件的影響熱傳導(dǎo)和熱對流都很容易受到光伏組件安裝條件的影響。當(dāng)組件背面不能與外界環(huán)境傳輸熱量時（比如，電池組件直接安放在地面上，中間不留有空隙），其熱阻抗可能為無限大。類似的，在這種安裝條件下，組件表面的熱對流也將受到限制。因此，當(dāng)光伏組件安裝在屋頂時，組件溫度通常能提高10°C。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)56§6.4.4

溫度效應(yīng)

電池的額定工作溫度組件設(shè)計對NOCT的影響2023/1/9UNSW新南威爾士大熱膨脹效應(yīng)是在設(shè)計組件時需要考慮的另外一個重要溫度效應(yīng)。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)57溫度上升時，使用“應(yīng)力環(huán)”能調(diào)節(jié)電池之間的膨脹。§6.4.5

溫度效應(yīng)

熱膨脹與熱壓力熱膨脹效應(yīng)是在設(shè)計組件時需要考慮的另外一個重要溫度效應(yīng)。202023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)58§6.4.5

溫度效應(yīng)

熱膨脹與熱壓力電池與電池的間隙將擴大一定距離δ：

δ=(αGC-αCD)ΔT式中αG

αC分別是玻璃和電池的膨脹系數(shù)，D為電池的寬度，C為電池中心點的距離，如上圖所示。通常，電池之間的連接線是成圓形的（如圖），以盡量減小周期應(yīng)力。連接線一般為雙層以防止被這種應(yīng)力破壞。出來這種互聯(lián)壓力外，幾乎所有的組件交界面都會受到與溫度有關(guān)的周期應(yīng)力的影響，且可能最終導(dǎo)致組件脫落。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)58§6.4.5§6.5.1

其它需要考慮的因素

電力保護和機械保護電絕緣封裝系統(tǒng)必須能夠承受得了系統(tǒng)的電勢差。金屬框架也應(yīng)該接地因為組件的內(nèi)部和終端的電勢都大大高出大地電勢。任何漏到大地上的電流都應(yīng)盡量減小。機械保護太陽能組件必須有足夠的硬度和剛度以承受正常安裝時的應(yīng)力。如果電池表面的封裝材料為玻璃，則玻璃必須通過鋼化，因為組件中心部位的溫度要比周圍框架區(qū)域的溫度高。這將在周圍產(chǎn)生張力，并有可能導(dǎo)致玻璃破裂。在光伏陣列中，組件必須能夠承受其本身一定程度的彎曲，以及能夠承受風(fēng)流動產(chǎn)生的震動和雪、冰等施加的壓力。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)59§6.5.1其它需要考慮的因素

電力保護和機械保護2023/1/1060§6.5.1

其它需要考慮的因素

電力保護和機械保護組件框架可能發(fā)生的扭曲。由澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS4509-1999設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)包括：靜負(fù)荷—3.9Kpa1小時，力從前表面指向背面（相當(dāng)于200km/hr的風(fēng)）動負(fù)荷—2.5kpa，從前表面指向背面，超過2500-10000次（相當(dāng)于160km/hr的風(fēng)）冰雹沖擊損壞—直徑2.5cm速度23.2m/s的冰雹沖擊

（80km/hr）2023/1/960§6.5.1其它需要考慮的因素散裝硅光伏組件退化或損壞機制因為不需要移動零部件（其它發(fā)電系統(tǒng)主要考慮的可靠性問題），所以光伏組件的工作壽命主要決定于組件材料的穩(wěn)定性和抵抗被腐蝕的能力。電池制造者們保證壽命能達(dá)到20年，這便足以說明現(xiàn)在硅光伏組件的質(zhì)量了。盡管如此，還是有幾種損壞和退化機制可能會降低功率輸出或降低使用壽命。幾乎所有的機制都與水侵蝕和溫度應(yīng)力有關(guān)。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)61已退化或損壞的光伏組件樣品。圖中顯示了水蒸氣的侵蝕導(dǎo)致了電池減反射膜退化?！?.6.1

光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機制散裝硅光伏組件退化或損壞機制2023/1/9UNSW新南威爾2023/1/1062§6.6.1

光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機制可逆轉(zhuǎn)的輸出功率減退光伏組件的輸出功率減退也可能是由可逆轉(zhuǎn)的因素導(dǎo)致的。比如，部分表面被從地上長出的樹給遮住了，或者表面粘有泥土（光伏組件通常會因表面的泥土而損失大約10%的輸出功率）。一個組件可能已經(jīng)退化了，或者組件之間的互聯(lián)可能改變了光伏陣列的工作點。但是，在那些因素被改正后，這些功率退化都是可逆的。光伏陣列中，組件表面的泥土可能引起錯配損耗，或者更大幅度的統(tǒng)一的功率輸出損耗。2023/1/962§6.6.1光伏組件的壽命

晶體2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)63光伏組件的損壞和退化退化機制即可能是由于時間的流逝而導(dǎo)致整體輸出功率的減小，也可能是由于組件中個別太陽能電池的惡化而導(dǎo)致總輸出功率的減小。電池的退化引起電池組件的整體退化的因素：電極接觸面積的減小和腐蝕（通常由水蒸氣引起）導(dǎo)致RS

增加穿過pn結(jié)的金屬漂移使RSH減小減反射膜的退化§6.6.1

光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機制2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)63光伏組件的損壞和退電池短路短路可能發(fā)生在電池的連接處，如下圖所示。短路現(xiàn)象也是在薄膜電池中普遍出現(xiàn)的退化機制，因為薄膜電池的前表面和背面靠的非常近，此外，針孔、腐蝕區(qū)域和損壞區(qū)域這些因素一同增加了電池被短路的機會。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)64§6.6.1

光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機制電池短路2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)64§6.2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)65§6.6.1

光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機制

電池開路盡管剩余的連接點加上互聯(lián)母線的存在，能使電池繼續(xù)工作，但是電池開路依然是普遍存在的退化機制。電池的破碎可由以下幾個因素引起：①熱應(yīng)力

②冰雹

③制造和封裝過程的破壞導(dǎo)致潛在的碎裂，通常在

生產(chǎn)檢查時觀察不到，但以后會逐漸出現(xiàn)。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)65§6.6.12023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)66§6.6.1

光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機制斷裂的電池，說明了互聯(lián)母線是怎樣阻止開路現(xiàn)象出現(xiàn)的。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)66§6.6.1互聯(lián)開路由周期性熱應(yīng)力和風(fēng)荷載引起的機械疲憊，導(dǎo)致了互聯(lián)開路現(xiàn)象的發(fā)生。組件開路組件之間同樣會發(fā)生開路現(xiàn)象，通常在母線或接線盒處。組件短路盡管在出售之前每個組件都經(jīng)過檢測，但是多數(shù)的組件短路都是制造缺陷引起的。絕緣物質(zhì)的風(fēng)化講解導(dǎo)致了絕緣層脫落、碎裂或電化學(xué)腐蝕。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)67§6.6.1

光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機制互聯(lián)開路2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)67§6.62023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)68§6.6.1

光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機制組件玻璃的破損表面玻璃的破損可能由肆意破壞、熱應(yīng)力、操作失誤、風(fēng)或冰雹的因素引起。組件脫落（ModuleDelamination）組件脫落是早期生產(chǎn)的電池中常見的現(xiàn)象，但現(xiàn)在已經(jīng)比較少見。通常因鍵合強度的降低引起，或者因濕氣和光熱導(dǎo)致老化，或者不同的熱膨脹和濕膨脹引起破壞。熱點失效（Hot-SpotFailures）

錯配、破裂或遮蔽的電池可導(dǎo)致如前所述的熱點失效。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)68§6.6.1旁路二極管的退化旁路二極管，被用來克服錯配問題的元件，其本身也同樣會出現(xiàn)問題，通常是由于規(guī)格不匹配而導(dǎo)致過熱。如果二極管的溫度能保持在128°C以下，這個問題將能減到最小。封裝的退化帶有紫外線吸收和其它穩(wěn)定材料的封裝零部件能夠保證組件的長壽命。然而，侵蝕和擴散同樣會引起緩慢損耗，一旦濃度下降到一個關(guān)鍵水平，則封裝材料就將迅速退化。特別是EVA層發(fā)生褐變并伴隨著乙酸的產(chǎn)生時，將會引發(fā)陣列輸出功率的整體下降，尤其是聚光太陽能電池系統(tǒng)。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)69§6.6.1

光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機制旁路二極管的退化2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)69§第六章：

光伏電池板與系統(tǒng)2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)70§6.1簡介§6.2電池板設(shè)計§6.3互聯(lián)效應(yīng)§6.4溫度效應(yīng)§6.5其它問題§6.6電池板的壽命第六章：

光伏電池板與系統(tǒng)2023/1/9UNSW新南威爾士2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)71一塊太陽能電池板是由許多單個太陽能電池連接而成的，這樣能增加功率輸出。電池被封裝起來以阻止來自周圍環(huán)境的破壞和防止人們觸電。然而，電池板設(shè)計的幾個方面可能會減少功率輸出或者降低使用壽命。接下來的幾節(jié)將討論電池是怎樣被封裝到板塊里去的，以及討論由于電池相互連接和封裝而引起的問題。電池互聯(lián)系統(tǒng)或陣列系統(tǒng)最主要的影響是：不匹配的電池之間的互聯(lián)引起的損耗電池板的溫度電池板的故障模式§6.1

簡介2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)2一塊太

一塊電池板由許多互相連接的電池（通常為36塊串聯(lián)著的電池）組成。把互相連接的電池封裝起來的主要原因是為了保護它們和它們連接線不受其周圍環(huán)境的破壞。例如，由于太陽能電池非常的薄，所以在缺乏保護的情況下很容易受到機械損傷。此外，電池表面的金屬網(wǎng)格以及連接每個電池的金屬線都有可能受到水或水蒸氣的腐蝕。而通過封裝便能阻止這些破壞。比如，非晶硅太陽能電池通常被封裝在柔軟的版塊內(nèi)，而在偏遠(yuǎn)地區(qū)使用的晶體硅太陽能電池則通常保護在剛硬的玻璃封裝內(nèi)，一般規(guī)定的硅太陽能電池板的使用壽命為20年，可見組件封裝的可靠性有多高。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)72典型的晶體硅電池板，為偏遠(yuǎn)地區(qū)供電?！?.2.1

電池板的設(shè)計

電池板的結(jié)構(gòu)一塊電池板由許多互相連接的電

大多數(shù)晶體硅電池板都是由一塊透明表層、一塊密封板、背板和圍繞外圍的框架。通常，透明表層是一層玻璃，密封層材料是EVA（乙基醋酸乙烯），而背板則是一種Tedlar材料。如下圖所示。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)73低鐵玻璃§6.2.2

電池板的設(shè)計

封裝的材料大多數(shù)晶體硅電池板都是由一塊透2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)74§6.2.2

電池板的設(shè)計

封裝的材料前表面材料

光伏組件的前端表面必須對那些能夠被電池吸收的光線保持高透明度。對于硅太陽能電池，其前端表面必須能透過波長范圍為350nm到1200nm的光。此外，前端表面對光的反射率必須很低。盡管理論上這些反射可以通過在表面鋪上減反射膜來降低，但是實際上，對于大多數(shù)光伏組件所處的環(huán)境來說，這些膜顯然還不夠耐用。取而代之的，是使表面粗糙化或進行制絨。然而，這樣會使得塵埃和污染物停留在表面的可能性增大，也沒那么容易被風(fēng)和雨水沖走。這些組件也因此失去了“自我清潔”的功能，減小反射的優(yōu)勢也迅速被表面不斷增加的污染物所引起的損失給抵消了。

2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)5§6.2.22023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)75§6.2.2

電池板的設(shè)計

封裝的材料除了減反射特性和透明特性，頂端表面材料還應(yīng)該不能透水，應(yīng)該有好的耐沖擊性，應(yīng)該能在長時間的紫外線照射下保持穩(wěn)定，應(yīng)該有低的熱阻抗性。水或水蒸氣在滲入金屬電極和連接線后會大大降低光伏組件的壽命。大多數(shù)的組件的前端表面是用來增加機械強度和剛度的。對于材料的的種類，可以有幾種選擇，包括丙烯酸、聚合物和玻璃。其中含鐵量低的玻璃是使用最廣泛的，因為它成本低、強度好、穩(wěn)定、高度透明、不透水不透氣同時還有自我清潔功能。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)6§6.2.2

密封層

密封材料是用來粘附組件中的太陽能電池、前表面和背面的。密封材料應(yīng)該在高溫和強紫外線照射下保持穩(wěn)定。當(dāng)然，材料還應(yīng)該有良好的光透性和低熱阻抗。EVA是最常使用的密封材料。EVA板塊被鑲嵌在太陽能電池-頂端表層-背層之間。之后把這種三明治結(jié)構(gòu)加熱到150°C，EVA熔化后把組件的每一層都粘合在一起。

2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)76§6.2.2

電池板的設(shè)計

封裝的材料密封層2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)7§62023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)77§6.2.2

電池板的設(shè)計

封裝的材料背表面層

光伏組件的背表面層材料的最關(guān)鍵性質(zhì)是必須擁有低熱阻抗性，同時必須能夠阻止水和水蒸氣的滲入。對于大多數(shù)組件，薄的聚合物層特別是Tedlar，是背表面層的首選材料。有些光伏組件被稱為雙面組件，被設(shè)計成電池的正面和背面都能夠接收光的照射。在雙面電池組件中的前表面和背表面都應(yīng)該保持良好的光透性。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)8§6.2.2框架

電池組件的最后一個結(jié)構(gòu)組成部分是組件的邊界或框架。傳統(tǒng)的光伏組件通常由鋁制成，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)該是平滑無凸起狀的，否則會導(dǎo)致水、灰塵或其它異物停留在上面。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)78幾種類型的硅光伏組件?！?.2.2

電池板的設(shè)計

封裝的材料框架2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)9幾種類型

在光伏組件中，太陽能電池的封裝密度指的是被電池覆蓋的區(qū)域面積與空白區(qū)域面積的比。封裝密度影響著電池的輸出功率以及電池溫度。而封裝密度的大小則取決于所使用電池的形狀。比如，單晶硅電池一般為圓形或半方形，而多晶硅電池則通常為正方形。因此，如果單晶硅電池不是切割成方形的話，單晶硅組件的封裝密度將比多晶硅的低。有關(guān)封裝強度的幾種選擇，包括圓的和方的，在下圖有介紹。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)79圓形電池和方形電池的封裝密度。白色的背表面§6.2.3

電池板的設(shè)計

封裝密度在光伏組件中，太陽能電池的封2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)80§6.2.3

電池板的設(shè)計

封裝密度當(dāng)組件中電池排列較稀疏時，露出的空白背面同樣能夠少量增加電池的輸出，因為“零深度聚光”效應(yīng)的影響，如下圖所示。一些射入到電池與電池之間的空白區(qū)域和射到電極上的光，被散射后又傳到電池表面。玻璃電極密封層（EVA）2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)11§6.2.3

一塊硅光伏電池板是通常是由多塊太陽能電池互相串聯(lián)而成，以提高輸出電壓和輸出電流。光伏組件的輸出電壓通常被設(shè)計成與12伏蓄電池相融的形式。而在25°C和AM1.5條件下，單個硅太陽能電池的輸出電壓只有0.6V?？紤]到由于溫度造成的電池板電壓損失和蓄電池所需要的充電電壓可能達(dá)到15V或者更多，大多數(shù)光伏組件由36塊電池片組成。這樣，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，輸出的開路電壓將達(dá)到21V，在工作溫度下，最大功率點處的工作電壓大約為17V或18V。剩余的電壓包括由光伏系統(tǒng)中的其它因素造成的電壓損失，例如電池在遠(yuǎn)離最大功率輸出點處工作和光強變?nèi)酢?023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)81§6.3.1.

互聯(lián)效應(yīng)

組件電路的設(shè)計一塊硅光伏電池板是通常是由多塊2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)82§6.3.1.

互聯(lián)效應(yīng)

組件電路的設(shè)計典型的組件由36塊電池串聯(lián)而成在典型的組件中，36塊電池串聯(lián)起來以使輸出的電壓足以為12V的電池充電。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)13§6.3.1.2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)83§6.3.1.

互聯(lián)效應(yīng)

組件電路的設(shè)計雖然光伏組件的電壓大小決定于電池的數(shù)量，但是組件的輸出電流卻決定于單個太陽能電池的尺寸大小和它們的轉(zhuǎn)換效率。在AM1.5和最優(yōu)傾斜角度下，商用電池的電流密度大約在30mA/cm2到36mA/cm2之間。單晶硅電池的面積通常為100cm2，則總的輸出電流大約為3.5A。多晶硅電池組件的電池片面積更大但電流密度較低，因此輸出自這些組件的短路電流通常為4A左右。但是，多晶硅電池的面積可以有多種變化，因此電流也可以有多種選擇。組件的輸出電流和電壓并不受溫度的影響，但卻容易受組件的傾斜角度的影響。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)14§6.3.1.如果組件中的所有太陽能電池都有相同的電特性，并處在相同的光照和溫度下，則所有的電池都將輸出相等的電流和電壓。在這種情況下，光伏組件的IV曲線的形狀將和單個電池的形狀相同，只是電壓和電流都增大了。則此電路的方程為：2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)84式中，N表示串聯(lián)電池的個數(shù)，M為并聯(lián)電池的個數(shù)，IT為電路的總電流，VT電路的總電壓，Io是單個電池的飽和電流，IL是單個電池的短路電流，n是單個電池的理想填充因子，而q、k和T則為常數(shù)。§6.3.1.

互聯(lián)效應(yīng)

組件電路的設(shè)計如果組件中的所有太陽能電池都有相2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)85§6.3.1.

互聯(lián)效應(yīng)

組件電路的設(shè)計N個電池串聯(lián)，M個電池并聯(lián)的電路IV曲線。由一系列相同的電池連接而成的總電路的IV曲線如下圖所示。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)16§6.3.1.

錯配損耗是由互相連接的電池或組件沒有相同的性能或者工作在不同的條件下造成的。在工作條件相同的情況下，錯配損耗是一個相當(dāng)嚴(yán)重的問題，因為整個光伏組件的輸出是決定于那個表現(xiàn)最差的電池的輸出的。例如，在一塊電池片被陰影遮住而其它電池則沒有的情況下，由那些“好”電池所產(chǎn)生的電能將被表現(xiàn)差的電池所抵消，而不是用于驅(qū)動電路。這反過來還可能會導(dǎo)致局部電能的嚴(yán)重?fù)p失，而由此產(chǎn)生的局部加熱也可能引起對組件無法挽回的損失。2023/1/1086組件局部被陰影遮住是引起光伏組件錯配的主要原因?！?.3.2

互聯(lián)效應(yīng)

錯配效應(yīng)錯配損耗是由互相連接的電池或組件2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)87§6.3.2

互聯(lián)效應(yīng)

錯配效應(yīng)當(dāng)組件中的一個太陽能電池的參數(shù)與其它的明顯不同時，錯配現(xiàn)象就會發(fā)生。由錯配造成的影響和電能損失大小決定于：光伏組件的工作點電路的結(jié)構(gòu)布局受影響電池的參數(shù)一個電池與其余電池在IV曲線的上任何一處的差異都將引起錯配損耗。下圖將展示電池的非理想IV曲線和工作環(huán)境。盡管錯配現(xiàn)象可能由電池參數(shù)的任何一部分所引起，但是嚴(yán)重的錯配通常都是由短路電流或開路電壓的差異所引起的。錯配的影響大小同時取決于電路的結(jié)構(gòu)和錯配的類型，在下面的幾節(jié)中我們將有更詳細(xì)的討論。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)18§6.3.22023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)88理想太陽能電池和非理想太陽能電池的比較。最大的錯配差異是當(dāng)電壓被反向偏壓的時候造成的。.反向電壓很高時，pn結(jié)可能被擊穿并聯(lián)電阻引起的下降電池消耗能量非理想太陽能電池電池產(chǎn)生能量電池消耗能量串聯(lián)電阻引起的額外下降理想太陽能電池§6.3.2

互聯(lián)效應(yīng)

錯配效應(yīng)2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)19理想太陽能電池和非

因為大多數(shù)光伏組件都是串聯(lián)形式的，所以串聯(lián)錯配是人們最常遇到的錯配類型。在兩種最簡單的錯配類型中（短路電流的錯配和開路電壓錯配），短路電流的錯配比較常見，它很容易被組件的陰影部分所引起。同時，這種錯配類型也是最嚴(yán)重的。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)89對于兩個互相串聯(lián)的電池來說，流過兩者的電流大小是一樣的。產(chǎn)生的總電壓等于每個電池的電壓的總和。因為電流大小需要一致，所以在電流中出現(xiàn)錯配就意味著總的電流必須大小等于那個最小的值?！?.3.3

互聯(lián)效應(yīng)

串聯(lián)電池的錯配因為大多數(shù)光伏組件都是串聯(lián)形式2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)90§6.3.3

互聯(lián)效應(yīng)

串聯(lián)電池的錯配串聯(lián)電池的開路電壓錯配串聯(lián)電池的開路電壓錯配是一種比較不嚴(yán)重的錯配類型。正如下面動畫所展示的那樣，在短路電流處，光伏組件輸出的總電流是不受影響的。而在最大功率點處，總的功率卻減小了，因為“問題”電池產(chǎn)生的能量較少。因為兩個電池是串聯(lián)起來的，所以流經(jīng)兩個電池的電流是一樣的，而總的電壓則等于每個電池的電壓之和。在動畫中，電池２輸出的電壓比電池１低。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)21§6.3.32023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)91串聯(lián)電池的短路電流錯配串聯(lián)電池的短路電流錯配取決于組件所處的工作點，以及電池錯配的程度。短路電流錯配對光伏組件有重大影響。如下面動畫所示，在開路電壓處，短路電流的下降對電池影響相對較小。即開路電壓只產(chǎn)生了微小的變化，因為開路電壓與短路電流成對數(shù)關(guān)系。然而，由于穿過電池的電流是一樣的，所以兩者結(jié)合的總電流不能超過有問題電池的電流，這種情況在低電壓處比較容易發(fā)生，好電池產(chǎn)生的額外電流并不是被每一個電池所抵消，而是被問題電池所抵消了（通常在短路電流處也會發(fā)生）?！?.3.3

互聯(lián)效應(yīng)

串聯(lián)電池的錯配2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)22串聯(lián)電池的短路電流總的來說，在有電流錯配的串聯(lián)電路中，嚴(yán)重的功率損失一般發(fā)生在問題電池產(chǎn)生的電流小于好電池在最大功率點時的電流的時候，或者當(dāng)電池工作在短路電流或低電壓處時，問題電池的高功率耗散會對組件造成無法挽回的傷害。這些影響在下面的兩個動畫都有描述。2023/1/1092兩個串聯(lián)電池的電流錯配有時會相當(dāng)嚴(yán)重且非常普遍。串聯(lián)的電流受到問題電池的電流限制。動畫中，電池２的輸出電壓比電池１的高?！?.3.3

互聯(lián)效應(yīng)

串聯(lián)電池的錯配總的來說，在有電流錯配的串聯(lián)電路中，嚴(yán)2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)93兩線交點的電流表示串聯(lián)電路的短路電流，這是計算串聯(lián)電池的錯配短路電流的一個簡單方法。串聯(lián)電路的短路電流§6.3.3

互聯(lián)效應(yīng)

串聯(lián)電池的錯配2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)24兩“熱點加熱”現(xiàn)象發(fā)生在幾個串聯(lián)電池中出現(xiàn)了一個問題電池時，如下圖所示。2023/1/1094如果組件的首尾都連接起來了，來自那些未被陰影遮擋的電池的電能將被問題電池所抵消。９個電池未被遮擋10個串聯(lián)電池一個電池被遮擋電路中，一個被陰影遮住的電池減少了電路電流，使得好電池提高電壓，并常常導(dǎo)致“問題”電池的電壓反置?！?.3.4

互聯(lián)效應(yīng)

熱點加熱“熱點加熱”現(xiàn)象發(fā)生在幾個串聯(lián)電池中出2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)95§6.3.4

互聯(lián)效應(yīng)

熱點加熱如果串聯(lián)電路的工作電流大小接近于“問題”電池的短路電流，電路總電流將受到問題電池的限制。則好電池產(chǎn)生的額外電流（比問題電池高出的那部分電流）將變成好電池的前置偏壓。如果串聯(lián)電池被短路，則所有好電池的前置偏壓都將變成問題電池的反向電壓。當(dāng)數(shù)量很多的串聯(lián)電池一起把前置偏壓變成問題電池的反向電壓時，在問題電池處將會有大的能量耗散，這就是熱點加熱現(xiàn)象?；旧纤泻秒姵氐目偟陌l(fā)電能力都被問題電池給抵消了。巨大的能量消耗在一片小小的區(qū)域，局部過熱就會發(fā)生，或者叫“熱點”，它反過來也會導(dǎo)致破壞性影響，例如電池或玻璃破碎、焊線熔化或電池的退化。2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)26§6.3.42023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)96問題電池的熱耗散導(dǎo)致組件的破碎。§6.3.4

互聯(lián)效應(yīng)

熱點加熱2023/1/9UNSW新南威爾士大學(xué)27問題

通過使用旁路二極管可以避免熱點加熱效應(yīng)對組件造成的破壞。二極管與電池并聯(lián)且方向相反，如下面動畫所示。在正常工作狀態(tài)，每個太陽能電池的電壓都是正向偏置的，所以旁路二極管的電壓為反向偏置，相當(dāng)于開路。然而，如果串聯(lián)電池中有一個電池因此發(fā)生錯配而導(dǎo)致電壓被反向偏置，則旁路二極管就會立即導(dǎo)通，因此使得來自好電池的電流能流向外部電路而不是變成每個電池前置偏壓。穿過問題電池的最大反向電壓將等于單個旁路二極管的管壓降，由此限制了電流大小并阻止了熱點加熱。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)97§6.3.5

互聯(lián)效應(yīng)

旁路二極管通過使用旁路二極管可以避免熱點2023/1/1098§6.3.5

互聯(lián)效應(yīng)

旁路二極管旁路二極管的工作狀態(tài)和它對IV曲線的影響都在下面的動畫中展示。2023/1/929§6.3.5互聯(lián)效應(yīng)

旁

要測算出旁路二極管對IV曲線的影響，首先找出單個太陽能電池（帶有旁路二極管）的IV曲線，然后與其它電池的IV曲線相結(jié)合。旁路二極管只在電池出現(xiàn)電壓反向時才對電池產(chǎn)生影響。如果反向電壓高于電池的膝點電壓（kneevoltage），則二極管將導(dǎo)通并讓電流流過。下圖是結(jié)合之后的IV曲線。2023/1/10UNSW新南威爾士大學(xué)99連接旁路二極管的電池沒接旁路二極管的電池接有二極管的電池的IV曲線。二極管能阻止熱點加熱。為了便于觀測，圖中使用了10個電池，其中9個好電池，一個問題電池。典型的光伏組件由36個電池組成，如果沒有旁路二極管，錯配效應(yīng)的破壞將更嚴(yán)重，但連接二極管后的影響卻比10個電池的更小?！?.3.5

互聯(lián)效應(yīng)

旁路二極管要測算出旁路二極管對IV曲線的影2023/1/10100§6.3.5

互聯(lián)效應(yīng)

旁路二極管然而，實際上若每個電池都連接一個二極管，成本會很高，所以一般改為一個二極管連接幾個電池。穿過“問題”電池的電壓大小等于其它串聯(lián)電池（即與問題電池共享一個二