光伏電池板與系統(tǒng)-

第六章光伏電池板與系統(tǒng)&6.2電池板設(shè)計(jì)&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&6.1簡(jiǎn)介2/4/20231UNSW新南威爾士大學(xué)&6.1簡(jiǎn)介一塊太陽能電池板是由許多單個(gè)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。電池互聯(lián)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2/4/20232UNSW新南威爾士大學(xué)&6.2.1電池板的設(shè)計(jì)-電池板的結(jié)構(gòu)一塊電池板由許多互相連接的電池組成。由于太陽能電池非常的薄，所以在缺乏保護(hù)的情況下很容易受到機(jī)械損傷。電池表面的金屬網(wǎng)格以及連接每個(gè)電池的金屬線都有可能受到水或水蒸氣的腐蝕。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。典型的晶體硅電池板2/4/20233UNSW新南威爾士大學(xué)&6.2.2電池板的設(shè)計(jì)-封裝的材料電池板都是由透明表層、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（乙烯醋酸乙烯），而背板則是一種PVF材料(聚氟乙烯)。2/4/20234UNSW新南威爾士大學(xué)&6.2.2電池板的設(shè)計(jì)-封裝的材料前表面材料光伏組件的前端表面必須對(duì)那些能夠被電池吸收的光線保持高透明度。對(duì)于硅太陽能電池，前端表面必須能透過波長(zhǎng)范圍為350~1200nm的光。前端表面對(duì)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，但是這些膜還不夠耐用。使表面粗糙化或進(jìn)行制絨。然而，這樣會(huì)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。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(zhǎng)時(shí)間的紫外線照射下保持穩(wěn)定，應(yīng)該有低的熱阻抗性。含鐵量低的玻璃是使用最廣泛的，因?yàn)樗杀镜?、?qiáng)度好、穩(wěn)定、高度透明、不透水不透氣同時(shí)還有自我清潔功能。2/4/20235UNSW新南威爾士大學(xué)&6.2.2電池板的設(shè)計(jì)-封裝的材料密封層密封材料應(yīng)該在高溫和強(qiáng)紫外線照射下保持穩(wěn)定，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。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(shí)必須能夠阻止水和水蒸氣的滲入。有些光伏組件被稱為雙面組件，被設(shè)計(jì)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。2/4/20236UNSW新南威爾士大學(xué)&6.2.2電池板的設(shè)計(jì)-封裝的材料

框架

電池組件的最后一個(gè)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(huì)導(dǎo)致水、灰塵或其它異物停留在上面。幾種類型的硅光伏組件2/4/20237UNSW新南威爾士大學(xué)&6.2.3電池板的設(shè)計(jì)-封裝密度在光伏組件中，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。圓形電池和方形電池的封裝密度當(dāng)組件中電池排列較稀疏時(shí)，露出的空白背面同樣能夠少量增加電池的輸出。一些射入到電池與電池之間空白區(qū)域和射到電極上的光，被散射后又傳到電池表面。2/4/20238UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.1.互聯(lián)效應(yīng)-組件電路的設(shè)計(jì)在25°C和AM1.5條件下，單個(gè)硅太陽能電池的輸出電壓只有0.6V。大多數(shù)光伏組件由36塊電池片組成，輸出的開路電壓將達(dá)到21V。在工作溫度下，最大功率點(diǎn)處的工作電壓大約為17V或18V。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2/4/20239UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.1互聯(lián)效應(yīng)-組件電路的設(shè)計(jì)一塊單晶硅電池的電池電流：30~36mA/cm2。單晶硅電池的面積通常為100cm2，則總的輸出電流大約為3.5A。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。光伏組件的IV曲線的形狀將和單個(gè)電池的形狀相同，電路的方程為：N表示串聯(lián)電池的個(gè)數(shù)，M為并聯(lián)電池的個(gè)數(shù)，IT為電路的總電流，VT電路的總電壓，Io是單個(gè)電池的飽和電流，IL是單個(gè)電池的短路電流，n是單個(gè)電池的理想填充因子。2/4/202310UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.1互聯(lián)效應(yīng)-組件電路的設(shè)計(jì)N個(gè)電池串聯(lián)，M個(gè)電池并聯(lián)的電路I-V曲線2/4/202311UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.2互聯(lián)效應(yīng)-錯(cuò)配效應(yīng)錯(cuò)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。錯(cuò)配損耗是一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)重的問題，因?yàn)檎麄€(gè)光伏組件的輸出是決定于那個(gè)表現(xiàn)最差的電池的輸出的。在一塊電池片被陰影遮住，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(dòng)電路。產(chǎn)生的局部加熱也可能引起對(duì)組件無法挽回的損失。組件局部被陰影遮住是引起光伏組件錯(cuò)配的主要原因2/4/202312UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.2互聯(lián)效應(yīng)-錯(cuò)配效應(yīng)由錯(cuò)配造成的影響和電能損失大小決定于：光伏組件的工作點(diǎn)電路的結(jié)構(gòu)布局受影響電池的參數(shù)

一個(gè)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(cuò)配損耗。嚴(yán)重的錯(cuò)配通常都是由短路電流或開路電壓的差異所引起的。2/4/202313UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.2互聯(lián)效應(yīng)-錯(cuò)配效應(yīng).理想太陽能電池和非理想太陽能電池的比較。最大的錯(cuò)配差異是當(dāng)電壓被反向偏壓的時(shí)候造成的。2/4/202314UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.3互聯(lián)效應(yīng)-串聯(lián)電池的錯(cuò)配串聯(lián)錯(cuò)配是人們最常遇到的錯(cuò)配類型。在兩種最簡(jiǎn)單的錯(cuò)配類型中（短路電流的錯(cuò)配和開路電壓錯(cuò)配），短路電流的錯(cuò)配比較常見，也是最嚴(yán)重的，它很容易被組件的陰影部分所引起。對(duì)于兩個(gè)互相串聯(lián)的電池來說，產(chǎn)生的總電壓等于每個(gè)電池的電壓的總和。因?yàn)殡娏鞔笮⌒枰恢?，所以在電流中出現(xiàn)錯(cuò)配就意味著總的電流必須大小等于那個(gè)最小的值。2/4/202315UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.3互聯(lián)效應(yīng)-串聯(lián)電池的錯(cuò)配串聯(lián)電池的開路電壓錯(cuò)配串聯(lián)電池的開路電壓錯(cuò)配是一種比較不嚴(yán)重的錯(cuò)配類型，因?yàn)閮蓚€(gè)電池是串聯(lián)起來的，所以流經(jīng)兩個(gè)電池的電流是一樣的，而總的電壓則等于每個(gè)電池的電壓之和。串聯(lián)電池的短路電流錯(cuò)配短路電流錯(cuò)配對(duì)光伏組件有重大影響。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。2/4/202316UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.4互聯(lián)效應(yīng)-熱點(diǎn)加熱“熱點(diǎn)加熱”現(xiàn)象發(fā)生在幾個(gè)串聯(lián)電池中出現(xiàn)了一個(gè)問題電池時(shí)。

巨大的能量消耗在一片小小的區(qū)域，局部過熱就會(huì)發(fā)生，或者叫“熱點(diǎn)”，它反過來也會(huì)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。一個(gè)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。2/4/202317UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.4互聯(lián)效應(yīng)-熱點(diǎn)加熱問題電池的熱耗散導(dǎo)致組件的破碎。2/4/202318UNSW新南威爾士大學(xué)&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(diǎn)加熱效應(yīng)對(duì)組件造成的破壞。二極管與電池并聯(lián)且方向相反。在正常工作狀態(tài)，每個(gè)太陽能電池的電壓都是正向偏置的，旁路二極管的電壓為反向偏置，相當(dāng)于開路。如果串聯(lián)電池中有一個(gè)電池因此發(fā)生錯(cuò)配而導(dǎo)致電壓被反向偏置，則旁路二極管就會(huì)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(gè)電池前置偏壓。穿過問題電池的最大反向電壓將等于單個(gè)旁路二極管的管壓降，由此限制了電流大小并阻止了熱點(diǎn)加熱。旁路二極管的工作狀態(tài)和它對(duì)I-V曲線的影響2/4/202319UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.5互聯(lián)效應(yīng)-旁路二極管接有二極管的電池的I-V曲線。二極管能阻止熱點(diǎn)加熱。如果沒有旁路二極管，錯(cuò)配效應(yīng)的破壞將更嚴(yán)重。2/4/202320UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.5互聯(lián)效應(yīng)-旁路二極管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。右圖中，0.5V只是任意取的數(shù)值。2/4/202321UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.6互聯(lián)效應(yīng)-并聯(lián)電池的錯(cuò)配通常在大的光伏陣列中組件才以并聯(lián)形式連接，錯(cuò)配通常發(fā)生在組件與組件之間，而不是電池與電池之間。電池之間并聯(lián)。穿過每個(gè)電池的電壓總是相等的，電路的總電流等于每個(gè)電池之和。錯(cuò)配對(duì)電流的影響不大，總的電流總是比單個(gè)電池電流高，降低了好電池的開路電壓。2/4/202322UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.7互聯(lián)效應(yīng)-光伏陣列中的錯(cuò)配效應(yīng)大型光伏陣列中的潛在錯(cuò)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(diǎn)加熱現(xiàn)象。2/4/202323UNSW新南威爾士大學(xué)并聯(lián)組件中的旁路二極管。&6.3.7互聯(lián)效應(yīng)-光伏陣列中的錯(cuò)配效應(yīng)2/4/202324UNSW新南威爾士大學(xué)&6.3.7互聯(lián)效應(yīng)-光伏陣列中的錯(cuò)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。2/4/202325UNSW新南威爾士大學(xué)&6.4.1溫度效應(yīng)-光伏組件的溫度溫度的增加對(duì)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。6個(gè)電池組成的組件的熱成像圖片組件向外散發(fā)熱量可以分為三個(gè)過程：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。2/4/202326UNSW新南威爾士大學(xué)&6.4.2溫度效應(yīng)-光伏組件的熱生成影響組件的熱生成的幾個(gè)因素包括：組件表面的反射組件所處的工作點(diǎn)組件中沒有被電池片占據(jù)的空白部分對(duì)陽光的吸收組件或電池對(duì)低能光（紅外光）的吸收太陽能電池的封裝密度表面反射被組件表面反射出去的光對(duì)電能的產(chǎn)生沒有貢獻(xiàn)。這些光也被看作是能量損失的因素，因此要盡量減少。2/4/202327UNSW新南威爾士大學(xué)&6.4.2溫度效應(yīng)-光伏組件的熱生成

光伏組件對(duì)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(huì)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。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(huì)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。太陽能電池的封裝因素太陽能電池經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)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.2/4/202328UNSW新南威爾士大學(xué)&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)生的熱量與向外界傳輸?shù)臒崃恐g的動(dòng)態(tài)平衡。向外界傳輸熱量的過程有三個(gè)：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。2/4/202329UNSW新南威爾士大學(xué)&6.4.4溫度效應(yīng)-電池的額定工作溫度組件與外部環(huán)境的溫度差隨著太陽光照強(qiáng)度的增加而變大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。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)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(shí)（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(duì)流也將受到限制。因此，當(dāng)光伏組件安裝在屋頂時(shí)，組件溫度通常能提高10°C。2/4/202330UNSW新南威爾士大學(xué)&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(jì)組件時(shí)需要考慮的另外一個(gè)重要溫度效應(yīng)溫度上升時(shí)，使用“應(yīng)力環(huán)”能調(diào)節(jié)電池之間的膨脹通常，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。除了這種互聯(lián)壓力外，幾乎所有的組件交界面都會(huì)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。2/4/202331UNSW新南威爾士大學(xué)&6.5.6其它需要考慮的因素

電力保護(hù)和機(jī)械保護(hù)電絕緣封裝系統(tǒng)必須能夠承受得了系統(tǒng)的電勢(shì)差。金屬框架也應(yīng)該接地因?yàn)榻M件的內(nèi)部和終端的電勢(shì)都大大高出大地電勢(shì)。任何漏到大地上的電流都應(yīng)盡量減小。

機(jī)械保護(hù)太陽能組件必須有足夠的硬度和剛度以承受正常安裝時(shí)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?yàn)榻M件中心部位的溫度要比周圍框架區(qū)域的溫度高。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(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)和雪、冰等施加的壓力。2/4/202332UNSW新南威爾士大學(xué)&6.6.1光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機(jī)制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，電池設(shè)計(jì)壽命能達(dá)到20年。盡管如此，還是有幾種損壞和退化機(jī)制可能會(huì)降低功率輸出或降低使用壽命。幾乎所有的機(jī)制都與水侵蝕和溫度應(yīng)力有關(guān)。圖中顯示了水蒸氣的侵蝕導(dǎo)致了電池減反射膜退化2/4/202333UNSW新南威爾士大學(xué)&6.6.1光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機(jī)制光伏陣列中，組件表面的泥土可能引起錯(cuò)配損耗，或者更大幅度的統(tǒng)一的功率輸出損耗。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