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太阳能电池组件与阵列

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  光伏发电技术基础 山东理工职业学院 太阳能组件与阵列 2.13.1太阳能电池组件 1. 太阳能电池的单体、组件和方阵 (a) 单体 (b)组件 (c)方阵 若干单体电池 电池组件 若干电池组件 电池阵列 (1)太阳能电池单体 前面介绍的太阳能电池,在太阳能电池的结构术语中,称为 太 阳能电池单体或太阳能电池片 ,是将光能转换为电能的 最小单 元。 单体电池一般不直接作为电源使用,原因: ① 机械强度较低:单体电池是由半导体或化合物材料制成,薄 而脆,不能经受较大的撞击。 ② 耐腐蚀性差:太阳能电池的电极,不能长期裸露使用。 大气中的水分和腐蚀性气体会缓慢地腐蚀电极(尤其是上电极 和硅扩散层表面的接触面),逐渐使电极脱落,导致太阳能电 池寿命终止。因此,使用时必须将太阳电池与大气隔绝。 ③ 输出电压、功率很低 :单体电池工作电压低(典型值 0.48V ,由硅材料的性质决定),输出功率小(约 1W,受硅材 料的尺寸限制)。 (2)太阳能电池组件 实际使用时按负载要求,将若干单体电池按电池性能分类进行串并联, 经封装后组合成可以独立作为电源使用的最小单元 ,这个独立的最小 单元称为“太阳能电池组件”,电池组件功率一般为几瓦、几十甚至 到数百瓦。 (3)太阳能电池阵列 为了满足高电压、大功率的发电要求实际使用时按负载要求,将若干 太阳能电池组件通过串、并联连接,并用一定的机械方式固定组合在 一起,配以防反充(防逆流)二极管、旁路二极管、电缆等元件构成 “太阳能电池阵列”。太阳能电池阵列通常需要牢固的安装在支架基 础上。 2. 太阳能电池组件的技术要求和检验测试 (1)技术要求 合格的太阳能电池组件应该达到一定的技术要求,相关部门也 制定了电池组件的国家标准和行业标准,如 IEC61215 ( GB/T 9535—2006)等。 层压封装型硅太阳能电池组件的一些基本技术要求: ① 光伏组件在规定工作环境下,使用寿命应大于20年(使用20 年,效率大于原来效率的80%); ② 组件的电池上表面颜色应均匀一致,无机械损伤,焊点及互 连条表面无氧化斑; ③ 组件的每片电池与互连条应排列整齐,组件的框架应整 洁无腐蚀斑点。 ④ 组件的封装层中不允许气泡或脱层在某一片电池与组件 边缘形成一个通路,气泡或脱层的几何尺寸和个数应符合相应 的产品详细规范规定。 ⑤ 组 件 的 功 率 面 积 比 大 于 65W/m2 , 功 率 质 量 比 大 于 4.5W/kg,填充因子FF大于0.65。 ⑥ 组件在正常条件下的绝缘电阻不得低于200M 。 ⑦ 组件 EVA (一种起粘接作用的胶膜)的交联度应大于 65% , EVA 与玻璃的剥离强度大于 30N/cm, EVA 与组件背板材 料的剥离强度大于15N/cm ⑧ 每块组件都要有包括如下内容的标签: a. 产品名称与型号; b. 主要性能参数; c. 制造厂名、生产日期及品牌商标等。 (2)太阳能电池组件的检验测试 测试标准:GB/T 9535-2006《地面用晶体硅光伏组件——设计鉴 定和定型》 ① 电性能测试 测试标准条件:光谱 AM1.5 ,光强辐照度 1000W/m2 ,环境温度 25℃。 主要测试项目:短路电流,开路电压,峰值电流,峰值电压,峰 值功率,填充因子,转换效率等。 太阳能电池组件的电性能与辐照度关系 若温度不变,组件短路电流Isc、最大输出功率Pm与辐照度成正比 太阳能电池组件的电性能与温度关系 若辐照度不变,组件温度上升时,开路电压Uoc和最大输出功率Pm下降 ② 电绝缘性能测试 以1kV摇表的直流电压通过组件边框与组件引出线,测量 绝缘电阻,绝缘电阻要求大于2000M 组件边框无漏电现象发生。 ③ 热循环实验 ,以确保在应用过程中 将组件放置于有自动温度控制、内部空气循环的气候室内, 使组件在 40~85℃之间循环规定次数,并在极端温度下保持 规定时间,监测实验过程中可能产生的短路和断路、外观缺陷、 电性能衰减率、绝缘电阻等,以确定组件由于温度重复变化引 起的热应变能力。 ④ 湿热-湿冷实验 将组件放置于有自动温度控制、内部空气循环的气候室内, 使组件在一定温度和湿度条件下往复循环,保持一定恢复时间, 监测实验过程中可能产生的短路和断路、外观缺陷、电性能衰减 率、绝缘电阻等,以确定组件承受高温高湿和低温低湿的能力。 ⑤ 机械载荷实验 在组件表面逐渐加载,监测实验过程中可能产生的短路和断 路、外观缺陷、电性能衰减率、绝缘电阻等,以确定组件承受风 雪、冰雹等静态载荷的能力。 ⑥ 冰雹实验 以钢球代替冰雹从不同角度以一定动量撞击组件,检测组 件产生的外观缺陷、电性能衰减率,以确定组件抗冰雹撞击的 能力。 ⑦ 老化实验 老化实验用于检测太阳能电池组件暴露在高湿和高紫外线 辐照场地时具有有效抗衰减能力 。将组件样品放在65℃、光谱 约6.5的紫外太阳下辐照,最后检测光电特性,看其下降损失。 在曝晒老化实验中,电性能下降是不规则的 3. 太阳能电池组件的设计——连接方式 串联连接,并联连接,串、并联混合连接方式 根据标称工作电压确定 单片电池的串联数; 根据标称输出功率(或 工作电流)确定单片电 如果单体电池的性能是一致的,串联方式可以在不改变输出电 池的并联数 流的情况下,使输出电压成比例增加;并联方式可以在不改变 输出电压的情况下,使输出电流成比例增加;串、并联混合方 式既可增加输出电压又可增加输出电流 4. 太阳能电池组件的设计——板型设计 电池组件不论功率大小,一般都是由36片、48片、54片、60片 和72片等几种串联形式组成。常见的排布方法有4片?9片、6片 ?8片、6片?9片、6片?10片和6片?12片等。 5. 太阳能电池组件的设计——封装结构 常见的有玻璃壳体式、底盒式、平板式、全胶密封式等 玻璃壳体式 1-玻璃壳体;2-硅太阳能电池;3-互连条;4-黏结剂 5-衬底;6-下底板;7-边框胶;8-电极接线-黏结剂 5-衬底;6-固定绝缘胶;7-电极引线-上玻璃盖板;4-黏结剂;5-下底板 6-硅太阳能电池;7-互连条;8-引线-电极引线. 太阳能电池阵列的组成 太阳能电池组件、防反充(防逆流)二极管、旁路二极管、电 缆、带避雷器的直流接线箱、驱鸟器、固定支架等。 ? 太阳能电池方阵的连接有串联、并联和串、并联混合几种方 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。 ? 太阳能电池组件的串、并联组合要遵循下列几 条原则: ? (1)串联时需要工作电流相同的组件,并为 每个组件并接旁路二极管; ? (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(防逆流)二极 管; ? (3)尽量考虑组件连接线路最短,并用较粗 的导线 → 减小串联电阻; ? (4)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 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(或2~3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1~3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20~30℃。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。 热斑效应 太阳能电池方阵如发生有阴影落在某单体电池或一组电池 上,或当组件中的某单体电池被损坏时,但方阵的其余部分仍 处于阳光暴晒之下正常工作,这样局部被遮挡的太阳能电池(或 组件)就要由未被遮挡的那部分太阳能电池(或组件)来提供负载 所需的功率,使该部分太阳能电池如同一个工作于反向偏置下 的二极管,其电阻和压降很大,从而消耗功率而导致发热 。由 于出现高温,称之为“热斑”。 热斑效应 对于高电压大功率方阵,阴影电池上的电压降所产生的热 效应甚至能造成封装材料损伤、焊点脱焊、电池破裂或在电池 上产生“热斑”,从而引起组件和方阵失效。电池裂纹或不匹 配、内部连接失效、局部被遮光或弄脏均会引起这种效应。 热斑效应的形成和防护 串联回路,需要在太阳能电池 组件的正负极间并联一个 旁路 二极管 Db ,以避免串联回路中 光照组件所产生的能量被遮蔽 的组件所消耗。 并联支路,需要串联一只 二极 管 Ds ,以避免并联回路中光照 组件所产生的能量被遮蔽的组 件所吸收,串联二极管在独立 光伏发电系统中可同时起到 防 止蓄电池在夜间反充电的功能 旁路二极管的接法 (a) (b) (c) 2. 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: 1. 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 2. 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 号硅片等都会造成光伏阵列的离散损失 3. 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。 4. 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。 3. 太阳能电池方阵组合的计算 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。独立光伏系统电压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。 更高等级设计成 600V 、 10kV 等,再通过逆变器后与电网连接。 ? 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。 ? 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 :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,额定输出 功率 30kW ,逆变器效率 η =90% 。逆变器采取三相桥式接法, 调制比(逆变器输出线电压峰值和母线,需 要多少块电池组件?如何连接? 解:① 求需要的直流母线电压大小: Udc=Uabmax/M=380×1.414/0.9=597V。 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1.1×597=657V, ② 计算串联的组件数:657V/36.2V=18.15≈18块; ③ 从系统输出功率来计算太阳能电池组件的总数: 直流侧需输出总功率为Pout=30/η=33.33kW,则组件总数为 33333W/108W=308.6≈308块; ④ 计算所需的组件并联数:308/18=17.11,可选取并联数 为17块。 结论:该系统应选择上述功率的组件18串联17并联,组件 总数为18×17=306块,光伏电池组件系统输出最大功率为 306×108W=33.048kW。 3. 太阳能电池方阵的安装与维护 平板式地面型太阳能电池方阵安装在方阵支架上,支架往 往固定在水泥基础上。 避免阴影; 安全防护拦,安装避雷器; 调整太阳能电池方阵的向日倾角和方位角,或最大功率跟 踪装置。 最大功率跟踪控制MPPT 负载电阻 = 供电系 统内电阻 负载 上获得最大功率 太阳能电池本身是极不稳定的电源,即输出功率往往是变化的。 最大功率点控制(MPPT)方法是通过DC/DC变换器中功率开 关来控制太阳能电池阵列工作在最大功率点,从而实现最大功 率跟踪控制。

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