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1、光伏组件技术,4光伏组件设计,功率需求 不匹配的电池之间的互联引起的损耗 电池板的温度 电池板的故障模式,太阳能电池组件的组成数量通常是由系统电压（蓄电池电压）来决定，通常组件电压是蓄电池电压的1.4-1.5倍。 例如：蓄电池电压为12v，组件工作电压一般为16.8-18v之间，那么电池片数量为18v/0.5v，也就是36片。所以常用数量36或40片，大功率组件为72片。,设计太阳能组件时，其电压和功率主要由什么决定？,电池组件的串联和并联电路,1.电池组件串联,根据绝大部分太阳能电池芯片最大输出功率点的电压在0.48V 左右的原理，选用在0.48V 输出电压下一定输出电流的电池芯片，按输出电
2、压要求，以一定数量（n）的芯片（或根据需要切割成相应大小）用互连条相互串联起来，以满足用户所需求的最大输出功率及输出电压，,然后按输出功率要求，以一定数量（m）的芯片，用汇流条并联起来，并通过层压封装而成为太阳能电池组件。,2.电池组件并联,对于通常使用的12V 电池组件，一般采用一串36片太阳能电池芯片，即n36，m1。图为太阳能电池组件工作原理图,在典型的组件中，36块电池串联起来以使输出的电压足以为12V的电池充电,虽然光伏组件的电压大小决定于电池的数量，但是组件的输出电流却决定于单个太阳能电池的尺寸大小和它们的转换效率。在AM1.5和最优倾斜角度下，商用电池的电流密度大约在30mA/c
3、m2到36mA/cm2之间。单晶硅电池的面积通常为100cm2，则总的输出电流大约为3.5A。,设计举列：入射光能为100mw/cm2，用40mm的单晶硅太阳电池（效率为8.5%）设计一工作电压为1.5伏，峰值功率为1.2瓦的组件。所用单晶硅电池的工作电压为：V=0.41v， 95%是的失配损失,分析： 单体电池面积：s=d2/4=42/4=12.57cm2 单体电池封装后功率：Pm=100mv/cm2 12.578.5%95%=100mw=0.1w 需太阳电池总的片数：N=1.2/0.1=12片 串联电池数：Ns=1.5/0.41=3.66片 ，取Ns=4片 并联电池数：NP=N/Ns=12
4、/4=3组 故用12片40mm的单晶硅太阳电池四串三并，即可满足要求。,电池板的连接方式是根据负载的电压决定串联个数，根据负载功率决定并联个数。,电池连接3个,电池连接9个,电池完整,设计： 入射光能为100mw/cm2，用直径为40mm的单晶硅太阳电池（效率为8.5%）设计一工作电压为3伏，峰值功率为2.4瓦的组件。所用单晶硅电池的工作电压为：V=0.41v,2019/9/26,封装密度设计,在光伏组件中，太阳能电池的封装密度指的是被电池覆盖的区域面积与空白区域面积的比。 封装密度影响着电池的输出功率以及电池温度。 而封装密度的大小则取决于所使用电池的形状。 比如，单晶硅电池一般为圆形或半方
5、形，而多晶硅电池则通常为正方形。因此，如果单晶硅电池不是切割成方形的话，单晶硅组件的封装密度将比多晶硅的低。,圆形电池和方形电池的封装密度。,热岛效应 太阳能电池组件在使用过程中，如果有一片太阳能电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等，单独被遮挡的太阳能电池在强烈阳光照射下就会发热损坏，于是整个太阳能电池组件损坏。这就是所谓热岛效应。为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使树叶等不能附着，同时在太阳能电池组件上安装防鸟针。 对于大功率的太阳能电池组件，为防止太阳能电池在强光下由于遮挡造成其中一些因为得不到光照而成为负载产生严重发热受损,最好在太阳能电池组件输出端的两极并联一个旁路二极管，旁路二
6、极管的电流值不能低于该块太阳能组件的电流值。,什么是热岛效应？,组件局部被阴影遮住是引起光伏组件错配的主要原因,当组件中的一个太阳能电池的参数与其它的明显不同时，错配现象就会发生,因为大多数光伏组件都是串联形式的，所以串联错配是人们最常遇到的错配类型。在两种最简单的错配类型中（短路电流的错配和开路电压错配），短路电流的错配比较常见，它很容易被组件的阴影部分所引起。同时，这种错配类型也是最严重的。,对于两个互相串联的电池来说，流过两者的电流大小是一样的。产生的总电压等于每个电池的电压的总和。因为电流大小需要一致，所以在电流中出现错配就意味着总的电流必须大小等于那个最小的值。,好电池产生的额外电流
7、并不是被每一个电池所抵消，而是被问题电池所抵消了。严重的功率损失一般发生在问题电池,如果串联电路的工作电流大小接近于“问题”电池的短路电流, 好电池产生的额外电流（比问题电池高出的那部分电流）将变成好电池的前置偏压。如果串联电池被短路，则所有好电池的前置偏压都将变成问题电池的反向电压。 当数量很多的串联电池一起把前置偏压变成问题电池的反向电压时，在问题电池处将会有大的能量耗散，这就是热点加热现象。 基本上所有好电池的总的发电能力都被问题电池给抵消了。巨大的能量消耗在一片小小的区域，局部过热就会发生，或者叫“热点”，它反过来也会导致破坏性影响，例如电池或玻璃破碎、焊线熔化或电池的退化。,“热点加
8、热”现象发生在几个串联电池中出现了一个问题电池时,如果组件的首尾都连接起来了，来自那些没被阴影遮挡的电池的电能将被问题电池所抵消。,个电池没被遮挡,个串联电池,一个电池被遮挡,问题电池的热耗散导致组件的破碎。,在没有引起破坏的情况下，一个二极管能连接电池的数量最多为15（对于硅电池）。因此，对于通常的36电池的光伏组件，需要2个二极管来保证组件不会轻易被“热点”破坏。,连接电池组的旁路二极管。穿过好电池的电压大小决定于问题电池的问题严重程度。右图中，0.5V只是任意取的数值。,2019/9/26,20,在小的电池组件中，电池都是以串联形式相接，所以不用考虑并联错配问题。通常在大的光伏阵列中组件
9、才以并联形式连接，所以错配通常发生在组件与组件之间，而不是电池与电池之间。,电池之间并联。穿过每个电池的电压总是相等的，电路的总电流等于每个电池之和。,开路,来自并联电路的电流减小了1/4,左边的阵列在电路结构上相当与右边的电路，即右边的每个电池的电压等于左边每个电池的2倍，电流为4倍。,旁路二极管的一侧的电阻可能更低,低电阻导致大电流,被遮挡的组件,并联组件中的旁路二极管。,如果旁路二极管的额定电流与整个并联电路的输出电流大小不匹配的话，则并联电路的错配效应同样会导致严重的问题。,除了使用旁路二极管来阻止错配损失外，通常还会使用阻塞二极管来减小错配损失。 阻塞二极管，通常被用来阻止晚上蓄电池
10、的电流流到光伏阵列上。 在互相并联的组件中，每个组件都串联一个阻塞二极管。这不仅能降低驱动阻塞二极管的电流，还能阻止电流从一个好的电池板流到有问题的电池板，也因此减小了并联组件的错配损失。,24,阻塞二极管在并联组件中的作用。,问题电池组的阻塞二极管阻止了电流从旁边的电池组流向问题电池组。,阻塞二极管,旁路二极管,温度效应,太阳能电池封装进光伏组件里所产生的一个多余的边际效应是，封装改变了组件内热量的进出状况，因此增加组件的温度。 温度的增加对电池的主要影响是减小电池的输出电压，从而降低输出功率。 此外，温度的增加也会导致光伏组件中出现几个电池恶化，因为上升的温度也会增加与热扩散有关的压力，或
11、者增加恶化率，即每上升10C恶化量就增加2个。,六电池组件的热成像图片。,组件的工作温度决定于组件产生的热量、向外传输的热量和周围环境的温度之间的平衡。 而组件产生的热量决定于组件所在的工作点、组件的光学特性和电池的封装密度。 组件向外散发热量可以分为三个过程：传导、对流和辐射。这些散发过程决定于组件材料的热阻抗、组件的发光特性和组件所处的环境条件（特别是风速)。,光伏组件的热损失,光伏组件的工作温度是组件所产生的热量与向外界传输的热量之间的动态平衡。向外界传输热量的过程有三个：传导、对流和辐射。,组件表面的空气流动引起热对流,组件向外辐射电磁波,热传导发生在热量从一块材料传到另一块材料,太阳
12、光加热组件,热膨胀与热压力,热膨胀效应是在设计组件时需要考虑的一个重要温度效应。,几乎所有的组件交界面都会受到与温度有关的周期应力的影响，且可能最终导致组件脱落。,电力保护和机械保护,电绝缘 封装系统必须能够承受得了系统的电势差。金属框架也应该接地.因为组件的内部和终端的电势都大大高出大地电势。任何漏到大地上的电流都应尽量减小。,机械保护 太阳能组件必须有足够的硬度和刚度以承受正常安装时的应力。如果电池表面的封装材料为玻璃，则玻璃必须通过钢化，因为组件中心部位的温度要比周围框架区域的温度高。这将在周围产生张力，并有可能导致玻璃破裂。 在光伏阵列中，组件必须能够承受其本身一定程度的弯曲，以及能够
13、承受风流动产生的震动和雪、冰等施加的压力。,组件框架可能发生的扭曲。,晶体硅光伏组件的退化机制,几乎所有的机制都与水侵蚀和温度应力有关。,电池的退化 引起电池组件的整体退化的因素： 电极接触面积的减小和腐蚀（通常由水蒸气引起）导致RS增加 穿过pn结的金属漂移使Rsh减小 减反射膜的退化,电池短路 短路可能发生在电池的连接处，如下图所示。,短路现象也是在薄膜电池中普遍出现的退化机制，因为薄膜电池的前表面和背面靠的非常近; 此外，针孔、腐蚀区域和损坏区域这些因素一同增加了电池被短路的机会。,电池开路 电池的破碎可以由以下几个因素引起： 热应力冰雹制造和封装过程的破坏导致潜在的碎裂，通常在生产检查
14、时观察不到，但以后会逐渐出现。,断裂的电池，图中说明了互联母线是怎样阻止开路现象出现。,互联开路 由周期性热应力和风荷载引起的机械疲惫，导致了互联开路现象的发生。 组件开路 组件之间同样会发生开路现象，通常在母线或接线盒处。 组件短路 尽管在出售之前每个组件都经过检测，但是多数的组件短路都是制造缺陷引起的。 绝缘物质的风化讲解导致了绝缘层脱落、碎裂或电化学腐蚀。 组件玻璃的破损 表面玻璃的破损可能由肆意破坏、热应力、操作失误、风或冰雹的因素引起。 组件脱落 组件脱落是早期生产的电池中常见的现象，但现在已经比较少见。通常因键合强度的降低引起，或者因湿气和光热导致老化，或者不同的热膨胀和湿膨胀引起
15、破坏。,旁路二极管的退化 旁路二极管，被用来克服错配问题的元件，其本身也同样会出现问题，通常是由于规格不匹配而导致过热。如果二极管的温度能保持在128C以下，这个问题将能减到最小。 封装的退化 带有紫外线吸收和其它稳定材料的封装零部件能够保证组件的长寿命。然而，侵蚀和扩散同样会引起缓慢损耗，一旦浓度下降到一个关键水平，则封装材料就将迅速退化。特别是EVA层发生褐变并伴随着乙酸的产生时，将会引发阵列输出功率的整体下降，尤其是聚光太阳能电池系统。,UNSW新南威尔士大学,.,理想太阳能电池和非理想太阳能电池的比较。最大的错配差异是当电压被反向偏压的时候造成的。,反向电压很高时，pn结可能被击穿,并联电阻引起的下降,电池消耗的能量,非理想太阳能电池,电池产生的能量,电池消耗的能量,串联电阻引起的额外下降,理想太阳能电池,