下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
光伏电池组件是由单体电池经过串并联得到的，实际功率大小可以由用户自己决定。一般规格组件输出峰值功率有100W、120W、160W、180W、200W、280W、300W、500W等不同规格。在进行光伏系统设计构建光伏阵列时必须对单体组件进行参数测量，再进行串、并联，才能获得最大电池阵列功率。本节的任务是分析常见规格电池组件的单体电池串、并联设计方法，学习电池组件的参数意义及参数测量方法。
在生产电池组件之前，要对电池组件的外形尺寸、输出功率以及电池片的排列布局等进行设计，即光伏电池组件的板型设计。电池组件板型设计的过程是一个对电池组件的外形尺寸、输出功率、电池片排列布局等因素综合考虑的过程。设计者既要了解电池片的性能参数，还要了解电池组件的生产工艺和用户的使用需求，使电池组件尺寸合理，电池片排布紧凑美观。
组件的板型设计一般从两个方向入手：一是根据现有电池片的功率和尺寸确定组件的功率和尺寸大小；二是根据组件尺寸和功率要求选择电池片的尺寸和功率。
电池组件不论功率大小，一般都是由36片、54片、60片和72片等多种串联形式组成。常见的排布方法有4片×9片、6片×6片、6片×12片、6片×9片和6片×10片等。下面就以36片串联形式的电池组件为例介绍电池组件的板型设计方法。例如，要生产一块20W的光伏电池组件，现在手头有单片功率为2.2~2.3W的125mm×125mm单晶硅电池片，需要确定板型和组件尺寸。根据电池片情况，首先确定选用2.3W的电池片9片（组件功率为2.3W×9=20.7W，符合设计要求，设计时组件功率误差在±5%以内可视为合格），并将其4等分切割成36小片，电池片排列可采用4片×9片（如图2-19所示）或6片×6片的形式。图2-19中电池片与电池片中的间隙根据板型大小一般取2~3mm，上边距取35~50mm，下边距取20~35mm，左右边距取10~20mm。这些尺寸都确定以后，就确定了玻璃的长宽尺寸。假如上述板型都按最小间隙和边距尺寸选取，则4片×9片板型的玻璃尺寸长为633.5mm，取整为635mm，宽为276mm；6片×6片板型的玻璃尺寸长为440mm，宽为405mm。组件安装边框后，长宽尺寸一般要比玻璃尺寸大4~5mm，因此一般所说的组件外形尺寸都是指加上边框后的尺寸。
图2-19 电池组件串、并联
板型设计时要尽量选取较小的边距尺寸，使玻璃、EVA、TPT及组件板型设计排布简约，同时组件重量减轻。另外，当用户没有特殊要求时，组件外形应该尽量设计为准正方形，因为同样面积下，正方形周长最短，做同样功率的电池组件，可少用边框铝型材。
当已经确定组件尺寸时，不同转换效率的电池片做出的电池组件的功率不同。例如，外形尺寸为1200mm×550mm的板型是用36片125mm×125mm电池片组成的常规板型，当用不同转换效率（功率）的电池片时，就可以分别做出70W、75W、80W或85W等不同功率的组件。除特殊要求外，生产厂家基本都按照常规板型进行生产。
与硅光伏电池的主要性能参数类似，光伏电池组件的性能参数也主要有：短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因子和转换效率等。这些性能参数的概念与前面所定义的硅光伏电池的性能参数相同，只是在具体的数值上有所区别。
当将光伏电池组件的正负极短接，使电池输出电压为零，此时的电流就是电池组件的短路电流，短路电流随着光强的变化而变化。
当太阳能电池组件的正负极不接负载时，组件正负极间的电压就是开路电压。光伏电池组件的开路电压随电池片串联数量的变化而变化，36片电池片串联的组件开路电压为21V左右。
峰值电流是指太阳能电池组件输出最大功率时的工作电流。
峰值电压是指光伏电池组件输出最大功率时的工作电压。
峰值功率是指光伏电池组件在正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积，即 P m = I m × U m 。光伏电池组件的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和组件的工作温度，因此光伏电池组件参数的测量要在标准条件下进行，测量标准为欧洲委员会的101号标准，其条件是：辐照度1kW/mz、光谱AM1.5、测试温度25℃。
填充因子也叫曲线因子，是指光伏电池组件的最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值即：
填充因子是评价光伏电池组件所用电池片输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明光伏电池组件输出特性越趋于矩形，其光电转换效率越高。光伏电池组件的填充因子系数一般在0.5~0.8之间，也可以用百分数表示。
转换效率是指光伏电池组件受光照时的最大输出功率与照射到组件上的太阳能量功率的比值。即：
其中， P in =1000W/m 2 =100mW/cm 2 。
如有一光伏组件，组件面尺寸为2278mm×1134mm，组件最大功率为570W，峰值功率电压（ U mp /V）为43.00V，峰值功率电流（ I mp /A）为13.26A，那么给组件的转换效率为
η =（43.00×13.26）/［（2.278×1.134）×1000］×100%=22.07%
光伏电池阵列是为满足高电压、大功率的发电要求，由若干个光伏电池组件通过串、并联连接，并通过一定的机械方式固定组合在一起的。除光伏电池组件的串、并联组合外，光伏电池阵列还需要防反充（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，并配备专用的、带避雷器的直流接线箱。有时为了防止鸟粪等沾污光伏电池阵列表面而产生热斑效应，还要在阵列顶端安装驱鸟器。本节内容主要学习光伏电池组件的串、并联特性。
1）理解热斑效应，分析在串、并联情况下热斑效应对电池组件输出功率的影响。
2）能独立设计电路和参数表，解决串、并联电池组热斑效应。
当光伏电池组件或其中某一部分被鸟粪、树叶、阴影覆盖时，被覆盖部分不仅不能发电，还会被当作负载消耗其他有光照的光伏电池组件的能量，引起局部发热，这就是热斑效应。这种效应会破坏光伏电池，严重的可能会使焊点熔化、封装材料被破坏，甚至会使整个组件失效。产生热斑效应的原因除了以上情况外，还有个别质量不好的电池片混入电池组件，例如电极焊片虚焊、电池片隐裂或破损、电池片性能变差等因素，需要引起注意。
光伏电池阵列的连接有串联、并联和串、并联混合多种方式。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，使阵列输出电压成比例地增加。而组件并联连接时，则可在不改变输出电压的情况下，使阵列的输出电流成比例地增加。串、并联混合连接时，既可增加阵列的输出电压，又可增加阵列的输出电流。但是，组成阵列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所限制。因此阵列组合会产生组合连接损失，使阵列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件性能参数的离散性，因此在电池组件的生产过程中，除了尽量提高电池组件性能参数的一致性外，还要对电池组件进行测试、筛选、组合，尽量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。因此，阵列组合连接要遵循下列4条原则。
1）串联时需要工作电流相同的组件，并为每个组件并联旁路二极管。
2）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。
3）尽量考虑组件连接线路最短，并用较粗的导线。
4）严格防止个别性能变差的电池组件混入电池阵列。
图2-20为典型的串联电池组件结构图， R 为可调负载。假设受遮挡电池组件为2号，在图2-21中用 I-U 曲线2表示；其余电池组件合起来定义为1号，用 I-U 曲线1表示；两者的串联阵列为组（G），用 I-V 曲线G表示。
图2-20 串联电池组件结构图
可以从 d 、 c 、 b 、 a 这4种工作状态进行分析。
图2-21 串联电池组件的热斑效应分析
1）调节负载，使其工作在开路点 d ，此时工作电流为0A，电池组件开路电压 U Gd 等于电池1和电池2的开路电压之和。
2）调节负载，使其工作在 c 点，电池1和电池2都有正的功率输出。
3）调节负载，使其工作在 b 点，此时电池1仍然工作在正功率输出，而受遮挡的电池2已经工作在短路状态，没有功率输出，但也还没有成为电池1的负载。
4）调节负载，使其工作在短路状态 a 点，此时电池1仍然有正的功率输出，而电池2上的电压已经反向，电池2成为电池1的负载。
应当注意到，并不是仅在电池组件处于短路状态才会发生热斑效应，从b点到a点的工作区间，电池2都处于接收功率的状态，如旁路型控制器在蓄电池充满时通过旁路开关将光伏电池短路，此时就很容易形成热斑。
多组并联的光伏电池组件也有可能形成热斑，图2-22为并联电池组件结构图，假设其中某个电池组件被遮挡，调节负载 R ，可使这组太阳能电池组件的工作状态由开路到短路变化。
图2-22 并联电池组件结构图
图2-23为并联电池组件的热斑效应分析，假设受遮挡电池组件定义为2号，用 I-U 曲线2表示；其余电池组件合起来定义为1号，用 I-V 曲线1表示；两者的并联阵列为组（G），用 I-V 曲线G表示。
图2-23 并联电池组件的热斑效应分析
可以从 d 、 c 、 b 、 a 这4种工作状态进行分析。
1）调整电池组件的输出阻抗，使其工作在短路点 a ，此时电池组件的工作电压为零，短路电流 I sc 等于电池1和电池2的短路电流之和。
2）当调整负载使电池组件工作在 b 点，电池1和电池2都有正的功率输出。
3）当电池组件工作在 c 点，此时电池1仍然有正功率输出，而受遮挡的电池2已经在开路状态，没有功率输出，但也还没有成为电池1的负载。
4）当电池组件工作在开路状态 d 点，此时电池1仍然有正的功率输出，而电池2上的电流已经反向，电池2成为电池1的负载，此时电池1的功率全部加到了电池2上，如果这种状态持续时间很长或电池1的功率很大，也会在被遮挡的电池2上造成热斑损伤。
应当注意到，从 c 点到 d 点的工作区间，电池2都处于接收功率的状态。并联电池组件处于开路或接近开路状态在实际工作中也有可能，对于脉宽调制控制器，要求只有一个输入端，当系统功率大，太阳能电池会采用多组并联，在蓄电池接近充满时，脉宽变窄，开关晶体管处于接近截止状态，光伏电池组件的工作点向开路方向移动，如果没有在各并联支路上加装阻断二极管，发生热斑效应的概率就会很大。
在光伏电池阵列中，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，在选用时规格参数要注意留有余量，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两倍以上。二极管在太阳能光伏发电系统中主要分为以下两类。
防反充二极管的作用之一是防止太阳能电池组件或阵列在不发电时，蓄电池的电流反过来向组件或阵列倒送，不仅消耗能量，而且会使组件或阵列发热甚至损坏；作用之二是在电池阵列中，防止阵列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，各支路电压间总有高低之差，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，甚至会使阵列总体输出电压降低。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。
在离网光伏发电系统中，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。
防反充二极管存在正向导通压降，串联在电路中会有一定的功率消耗，一般用的硅整流二极管的管压降为0.7V左右，功率大的管可达1~2V。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，适合小功率场合的应用。
当有较多的光伏电池组件串联组成电池阵列或电池阵列的一个支路时，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阵列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，在该组件的旁路二极管两端会形成正向偏压使二极管导通，组件工作电流绕过出故障的组件，经其二极管旁路流过，不影响其他正常组件的发电。
旁路二极管一般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1~3个二极管，如图2-24所示。其中图2-24a采用一个二极管，当该组件被遮挡或有障碍时，组件将被全部旁路；图2-24b采用两个二极管将电池组件分段旁路，当该组件的某一部分有故障时，可以做到支旁路组件的1/2，其余部分仍然可以正常工作。
图2-24 旁路二极管接法示意图
a）一个二极管 b）两个二极管
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。
光伏电池阵列的基本电路由光伏电池组件、旁路二极管、防反充二极管和带防雷器的直流接线箱等构成，常见电路形式有并联阵列电路、串联阵列电路和串、并联混合阵列电路，如图2-25所示。
图2-25 光伏电池阵列基本电路图
a）并联阵列电路 b）串联阵列电路 c）串、并联混合阵列电路