第六章光伏電池板與系統(tǒng)

2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)1第六章：

光伏電池板與系統(tǒng)§6.1簡介§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2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)2一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。然而，電池板設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面可能會(huì)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2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)3

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(hù)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(hù)的情況下很容易受到機(jī)械損傷。此外，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。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板塊內(nèi)，而晶體硅太陽能電池則通常保護(hù)在剛性的玻璃封裝內(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。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(jì)

電池板的結(jié)構(gòu)2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)4

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。低鐵玻璃§6.2.2

電池板的設(shè)計(jì)

封裝的材料2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)5§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，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(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，但是實(shí)際上，對(duì)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(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。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(shì)也迅速被表面不斷增加的污染物所引起的損失給抵消了。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)6§6.2.2

電池板的設(shè)計(jì)

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(shí)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(huì)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(jī)械強(qiáng)度和剛度的。對(duì)于材料的種類，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?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。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)7

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(qiáng)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℃，EVA熔化后把組件的每一層都粘合在一起。§6.2.2

電池板的設(shè)計(jì)

封裝的材料2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)8§6.2.2

電池板的設(shè)計(jì)

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(shí)必須能夠阻止水和水蒸氣的滲入。對(duì)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(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。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)9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。§6.2.2

電池板的設(shè)計(jì)

封裝的材料2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)10

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)封裝密度的幾種選擇，包括圓的和方的，在下圖有介紹。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(jì)

封裝密度2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)11§6.2.3

電池板的設(shè)計(jì)

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，因?yàn)椤傲闵疃染酃狻毙?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）2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)12

一塊硅光伏電池板通常是由多塊太陽能電池互相串聯(lián)而成的，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(jì)成與12伏蓄電池相匹配的形式。而在25℃和AM1.5條件下，單個(gè)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(diǎn)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(diǎn)處工作和光強(qiáng)變?nèi)??！?.3.1.

互聯(lián)效應(yīng)

組件電路的設(shè)計(jì)2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)13§6.3.1.

互聯(lián)效應(yīng)

組件電路的設(shè)計(jì)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的蓄電池充電。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)14§6.3.1.

互聯(lián)效應(yīng)

組件電路的設(shè)計(jì)

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(gè)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。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)15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(gè)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：式中，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，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(jì)2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)16§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。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)17

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。在工作條件相同的情況下，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。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(dòng)電路。這反過來還可能會(huì)導(dǎo)致局部電能的嚴(yán)重?fù)p失而發(fā)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?！?.3.2

互聯(lián)效應(yīng)

錯(cuò)配效應(yīng)2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)18§6.3.2

互聯(lián)效應(yīng)

錯(cuò)配效應(yīng)當(dāng)組件中的一個(gè)太陽能電池的參數(shù)與其它的明顯不同時(shí)，錯(cuò)配現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。由錯(cuò)配造成的影響和電能損失大小決定于：光伏組件的工作地點(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曲線上的任何一處的差異都將引起錯(cuò)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(cuò)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(cuò)配通常都是由短路電流或開路電壓的差異所引起的。錯(cuò)配的影響大小同時(shí)取決于電路的結(jié)構(gòu)和錯(cuò)配的類型。2023/2/6應(yīng)用光伏學(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(cuò)配差異是當(dāng)電壓被反向偏壓的時(shí)候造成的。.反向電壓很高時(shí)，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(cuò)配效應(yīng)2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)20

因?yàn)榇蠖鄶?shù)光伏組件都是串聯(lián)形式的，所以串聯(lián)錯(cuò)配是人們最常遇到的錯(cuò)配類型。在兩種最簡單的錯(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，它很容易被組件的陰影部分所引起。同時(shí)，這種錯(cuò)配類型也是最嚴(yán)重的。對(duì)于兩個(gè)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(gè)電池的電壓的總和。因?yàn)殡娏鞔笮⌒枰恢拢栽陔娏髦谐霈F(xiàn)錯(cuò)配就意味著總的電流大小必須等于那個(gè)最小的值?！?.3.3

互聯(lián)效應(yīng)

串聯(lián)電池的錯(cuò)配2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)21§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。正如下面動(dòng)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(diǎn)處，總的功率卻減小了，因?yàn)椤皢栴}”電池產(chǎn)生的能量較少。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。在動(dòng)畫中，電池２輸出的電壓比電池１低。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)22串聯(lián)電池的短路電流錯(cuò)配串聯(lián)電池的短路電流錯(cuò)配取決于組件所處的工作點(diǎn)，以及電池錯(cuò)配的程度。短路電流錯(cuò)配對(duì)光伏組件有重大影響。如下面動(dòng)畫所示，在開路電壓處，短路電流的下降對(duì)電池影響相對(duì)較小。即開路電壓只產(chǎn)生了微小的變化，因?yàn)殚_路電壓與短路電流成對(duì)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(gè)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(huì)發(fā)生）。§6.3.3

互聯(lián)效應(yīng)

串聯(lián)電池的錯(cuò)配2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)232023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)24 總的來說，在有電流錯(cuò)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(diǎn)時(shí)的電流的時(shí)候，或者當(dāng)電池工作在短路電流或低電壓處時(shí)，問題電池的高功率耗散會(huì)對(duì)組件造成無法挽回的傷害。這些影響在下面的兩個(gè)動(dòng)畫都有描述。兩個(gè)串聯(lián)電池的電流錯(cuò)配有時(shí)會(huì)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(dòng)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(cuò)配2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)25兩線交點(diǎn)的電流表示串聯(lián)電路的短路電流，這是計(jì)算串聯(lián)電池的錯(cuò)配短路電流的一個(gè)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(cuò)配對(duì)于I軸反轉(zhuǎn)的電池IV曲線2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)26“熱點(diǎn)加熱”現(xiàn)象發(fā)生在幾個(gè)串聯(lián)電池中，其中一個(gè)電池出現(xiàn)了問題時(shí)，如下圖所示。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(gè)電池未被遮擋10個(gè)串聯(lián)電池一個(gè)電池被遮擋電路中，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?！?.3.4

互聯(lián)效應(yīng)

熱點(diǎn)加熱2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)27§6.3.4

互聯(lián)效應(yīng)

熱點(diǎn)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(shí)，在問題電池處將會(huì)有大的能量耗散，這就是熱點(diǎn)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(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。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)28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(diǎn)加熱2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)29

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，如下面動(dòng)畫所示。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，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(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)旁路二極管的壓降，由此限制了電流大小并阻止了熱點(diǎn)加熱?！?.3.5

互聯(lián)效應(yīng)

旁路二極管2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)30§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(duì)IV曲線的影響都在下面的動(dòng)畫中展示。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)31

要測算出旁路二極管對(duì)IV曲線的影響，首先找出單個(gè)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(shí)才對(duì)電池產(chǎn)生影響。如果反向電壓高于電池的膝點(diǎn)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。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(diǎn)加熱。為了便于觀測，圖中使用了10個(gè)電池，其中9個(gè)好電池，一個(gè)問題電池。典型的光伏組件由36個(gè)電池組成，如果沒有旁路二極管，錯(cuò)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(gè)電池的更小?！?.3.5

互聯(lián)效應(yīng)

旁路二極管2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)32§6.3.5

互聯(lián)效應(yīng)

旁路二極管然而，實(shí)際上若每個(gè)電池都連接一個(gè)二極管，成本會(huì)很高，所以一般改為一個(gè)二極管連接幾個(gè)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(gè)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(gè)電池完全被陰影遮住了，那些沒有陰影的電池會(huì)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(duì)每個(gè)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(gè)二極管能連接電池的數(shù)量最多為15個(gè)（對(duì)于硅電池）。因此，對(duì)于通常的36個(gè)電池的光伏組件，需要2個(gè)二極管來保證組件不會(huì)輕易被“熱點(diǎn)”破壞。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)33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?！?.3.5

互聯(lián)效應(yīng)

旁路二極管2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)34

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(cuò)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(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。在動(dòng)畫中，電池2的輸出電流小于電池1。錯(cuò)配對(duì)電流影響不大，總的電流總是比單個(gè)電池電流高。兩個(gè)并聯(lián)電池的電壓錯(cuò)配。電池2的電壓的增加事實(shí)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(cuò)配2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)35有個(gè)簡單的方法可以計(jì)算錯(cuò)配并聯(lián)電池的開路電壓。即在坐標(biāo)圖中以電壓軸反轉(zhuǎn)畫出一個(gè)電池的IV曲線，則兩線的交點(diǎn)就是并聯(lián)電路的開路電壓。§6.3.6

互聯(lián)效應(yīng)

并聯(lián)電池的錯(cuò)配對(duì)于V軸反轉(zhuǎn)的電池IV曲線2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)36

在大型光伏陣列中，單個(gè)光伏組件既以串聯(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(huì)導(dǎo)致光伏陣列中出現(xiàn)幾個(gè)問題。一個(gè)潛在的問題來自于“一串”電池中的一個(gè)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(gè)電池被陰影遮擋的情況相似，即輸出自整個(gè)電池組的能量將會(huì)下降。如下圖所示?！?.3.7

互聯(lián)效應(yīng)

光伏陣列中的錯(cuò)配效應(yīng)2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)37§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。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)于右邊的電路，即右邊的每個(gè)電池的電壓等于左邊每個(gè)電池的2倍，電流為4倍。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)38

如果旁路二極管的額定電流與整個(gè)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(cuò)配效應(yīng)同樣會(huì)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(gè)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(gè)錯(cuò)配將會(huì)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(huì)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(gè)二極管，但也一定會(huì)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(huì)被燒壞，光伏組件也將會(huì)損壞?！?.3.7

互聯(lián)效應(yīng)

光伏陣列中的錯(cuò)配效應(yīng)2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)39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(cuò)配效應(yīng)2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)40

除了使用旁路二極管來阻止錯(cuò)配損失外，通常還會(huì)使用阻塞二極管來減小錯(cuò)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(gè)組件都串聯(lián)一個(gè)阻塞二極管。這不僅能降低驅(qū)動(dòng)阻塞二極管的電流，還能阻止電流從一個(gè)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(cuò)配損失。§6.3.7

互聯(lián)效應(yīng)

光伏陣列中的錯(cuò)配效應(yīng)2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)41§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。阻塞二極管旁路二極管2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)42

太陽能電池封裝進(jìn)光伏組件里所產(chǎn)生的一個(gè)多余的邊際效應(yīng)是，封裝改變了組件內(nèi)熱量的進(jìn)出狀況，因此增加了組件的溫度。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。此外，溫度的增加也會(huì)導(dǎo)致光伏組件中出現(xiàn)幾個(gè)電池惡化，因?yàn)樯仙臏囟纫矔?huì)增加與熱擴(kuò)散有關(guān)的壓力，或者增加惡化率，即每上升10℃惡化量就增加2個(gè)。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2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)43§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(diǎn)、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(gè)過程：傳導(dǎo)、對(duì)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）。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)44曬在陽光之下的光伏電池既產(chǎn)生熱又產(chǎn)生電。對(duì)于工作在最大功率點(diǎn)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(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?！?.4.2

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱生成2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)45§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(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。當(dāng)然，反射光也不會(huì)使組件加熱。對(duì)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(diǎn)和效率電池的工作點(diǎn)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。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)46§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。入射到太陽能板的太陽光產(chǎn)生電的同時(shí)也產(chǎn)生熱。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)47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。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(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?！?.4.2

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱生成2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)48

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。組件表面的空氣流動(dòng)引起熱對(duì)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2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)49§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(duì)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?yàn)殡娐穬蓞^(qū)域存在電勢(shì)差才導(dǎo)致電子的流動(dòng)。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(diǎn)類似于流經(jīng)一電阻的電流與電壓的關(guān)系。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)50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℃W-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℃-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(gè)部分的阻抗以串聯(lián)或并聯(lián)形式相加。例如，因?yàn)榻M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。

§6.4.3

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱損失2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)51§6.4.3

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱損失對(duì)流熱對(duì)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(duì)于光伏組件，熱對(duì)流是由組件表面吹過的風(fēng)引起的。這個(gè)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(duì)流率，單位為Wm-2℃-1，ΔT兩種材料之間的溫度差。與熱傳導(dǎo)過程不同，直接計(jì)算h的過程非常復(fù)雜，通常是通過實(shí)驗(yàn)測算出來。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)52

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(huì)向外輻射電磁波，輻射的波由溫度決定。黑體輻射的功率強(qiáng)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(gè)理想的黑體，所以要計(jì)算非理想黑體輻射的話，需要引入一個(gè)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?！?.4.3

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱損失2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)53§6.4.3

溫度效應(yīng)

光伏組件的熱損失一個(gè)物體的發(fā)射率一般可以通過它的吸收特性測量出來，因?yàn)檫@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。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)54

在1kW/m2的光照下，光伏組件的典型溫度大約為25℃。然而，在實(shí)際的光伏發(fā)電站中，電池通常在溫度更高且光強(qiáng)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(shí)電池的溫度：

電池表面的輻照度=800W/m2

空氣溫度=20℃

風(fēng)速=1m/s

襯底=背面向外敞開§6.4.4

溫度效應(yīng)

電池的額定工作溫度2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)55§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(duì)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(duì)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?yàn)樯崞軠p小熱阻抗同時(shí)增大表面的對(duì)流面積。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)56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。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℃、58℃和48℃。計(jì)算電池溫度的近似方程為：式中，S為光強(qiáng)，單位mW/cm2。風(fēng)速較高時(shí)，組件溫度將會(huì)下降，反之，當(dāng)風(fēng)速為零時(shí)溫度將更高?！?.4.4

溫度效應(yīng)

電池的額定工作溫度2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)57組件設(shè)計(jì)對(duì)NOCT的影響組件設(shè)計(jì)，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℃。安裝條件的影響熱傳導(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℃。§6.4.4

溫度效應(yīng)

電池的額定工作溫度2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)58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。§6.4.5

溫度效應(yīng)

熱膨脹與熱壓力2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)59§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(kuò)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(diǎn)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。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。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)60§6.5.1

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。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)力所產(chǎn)生的震動(dòng)和雪、冰等施加的壓力。2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)61§6.5.1

其它需要考慮的因素

電力保護(hù)和機(jī)械保護(hù)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—3.9Kpa，力從前表面指向背面（相當(dāng)于風(fēng)速為 200km/hr的風(fēng)）動(dòng)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）2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)62散裝硅光伏組件退化或損壞機(jī)制因?yàn)闆]有轉(zhuǎn)動(dòng)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取決于組件材料的穩(wěn)定性和抵抗腐蝕的能力。電池制造者們能保證其壽命能達(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(jī)制可能會(huì)降低功率輸出或降低使用壽命。幾乎所有的損壞和退化機(jī)制都與水侵蝕和溫度應(yīng)力有關(guān)。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(jī)制2023/2/6應(yīng)用光伏學(xué)63§6.6.1

光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機(jī)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(huì)因表面的泥土而損失大約10%的輸出功率）。一個(gè)組件可能已經(jīng)退化了，或者組件之間的互聯(lián)可能改變