太陽(yáng)能電池方陣的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池方陣的設(shè)計(jì)葉明〔1.大連海事大學(xué)，物理系，2023應(yīng)用物理學(xué)〕摘要：太陽(yáng)能電池方陣是為了滿足高電壓、大功率的發(fā)電要求，由假設(shè)干個(gè)太陽(yáng)能電池組件通過(guò)串、并聯(lián)連接，并通過(guò)一定的機(jī)械方式固定組合在一起的。除太陽(yáng)能電池組件的串、并聯(lián)組合外，太陽(yáng)能電池方陣還需要防逆流二極管、旁路二極管、電纜等對(duì)電池組件進(jìn)行電氣連接，并配備專(zhuān)用的、帶避雷器的直流接線箱。關(guān)鍵詞：熱斑效應(yīng)，二極管，太陽(yáng)能電池1太陽(yáng)能組件的熱斑效應(yīng)在太陽(yáng)能電池方陣中，如果發(fā)生有陰影〔例如樹(shù)葉、鳥(niǎo)類(lèi)、鳥(niǎo)糞等〕落在某單體電池或一組電池上，或當(dāng)組件中的某單體電池被損壞時(shí)，但組件或方陣的其余局部仍處于太陽(yáng)暴曬之下正常工作，這樣為被遮擋的局部太陽(yáng)能電池或組件就要對(duì)局部被遮擋或已損壞的太陽(yáng)能電池或組件提供負(fù)載的所需的功率，使該局部太陽(yáng)能電池如同一個(gè)工作在與反向偏置下的二極管，其電阻和壓降很大，從而消耗功率導(dǎo)致發(fā)熱。由于出現(xiàn)高溫，稱(chēng)之為“熱斑〞。在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽(yáng)能電池組件將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他被光照的太陽(yáng)能電池組件所產(chǎn)生的局部能量或所有能量，被遮擋的太陽(yáng)能電池組件此時(shí)將會(huì)發(fā)熱，這就是“熱斑效應(yīng)〞，多組并聯(lián)的太陽(yáng)能電池組件，假設(shè)其中一塊被局部遮擋，也會(huì)形成熱斑，如圖1,2所示。熱斑效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響地破壞太陽(yáng)能電池組件，甚至可能會(huì)使焊點(diǎn)熔化、封裝材料破壞、乃至整個(gè)組件失效。產(chǎn)生熱斑效應(yīng)的原因除了以上情況外，還有個(gè)別質(zhì)量不好的電池片混入電池組件、電極焊片虛焊、電池片隱裂或破損、電池片性能變壞等因素，需要引起注意。2太陽(yáng)能電池的防逆流二極管和旁路二極管旁路二極管的作用是防止串聯(lián)中的某個(gè)組件或組件中的某一局部被陰影遮擋或出現(xiàn)故障時(shí)引起“熱斑效應(yīng)〞，串聯(lián)電路中，需要在太陽(yáng)能電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)旁路二極管Db，電池正常工作時(shí)正極電勢(shì)高于負(fù)極電勢(shì)，旁路二極管Db處于反向偏壓下，電阻很大，視為截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)某一電池或組件被遮蔽或損壞時(shí)，其相待于一個(gè)負(fù)載，根據(jù)基爾霍夫定律，電流正向電壓降低，這時(shí)旁路二極管Db處于正向偏壓下，電阻很小，視為導(dǎo)線，將被被遮蔽或損壞電池短路，以免串聯(lián)回路中光照組件所產(chǎn)生的能量被遮蔽的組件所消耗，不影響其他正常組件的正常工作。在太陽(yáng)能組件或方陣中，旁路二極管一般不與電池片單體并聯(lián)，而是與幾個(gè)電池單片串聯(lián)的組件或方陣的并聯(lián)支路并聯(lián)，如下圖太陽(yáng)能電池組件在有陰影的場(chǎng)合，有或沒(méi)有旁路二極管的I-V特性曲線如下圖。太陽(yáng)能電池組件在〔a〕局部的有陰影的場(chǎng)合，沒(méi)有旁路二極管時(shí)，陰影局部的電流降低，輸出功率大大降低。在有旁路二極管時(shí)，太陽(yáng)能電池組件在〔a〕局部有陰影的場(chǎng)合，主要變現(xiàn)為電流直線下降?！瞓〕、〔c〕局部為沒(méi)有陰影的情況，太陽(yáng)能電池輸出功率降低僅僅等于陰影局部的面積。2.2防逆流二極管防逆流二極管的作用之一是防止太陽(yáng)能電池組件或方陣在不發(fā)電時(shí)，蓄電池的電流反過(guò)來(lái)向組件或方陣倒送，不僅消能量，而且會(huì)使組件或方陣發(fā)熱甚至損壞；作用之二是在電池方陣中，防止方陣各之路之間的電流倒送。這是因串聯(lián)各支路的輸出電壓不可能絕對(duì)相等或某一支路故障、陰影遮蔽等。并聯(lián)電路中，在各支路中串聯(lián)接入防逆流二極管Ds就可防止這一現(xiàn)象的發(fā)生。電池正常工作時(shí)，防逆流二極管Ds處于正向偏壓下，電阻視為零，電路不受任何影響，當(dāng)某一電池或組件被遮蔽或損壞時(shí)，電池片是一個(gè)PN結(jié)，其處于正向偏壓下，電阻很小，而防逆流二極管Ds處于反向偏壓下，電阻很大，處于截止?fàn)顟B(tài)，以免并聯(lián)回路中光照組件所產(chǎn)生的能量被遮蔽的組件所吸收，不影響其他支路的正常工作。另外，防逆流二極管在太陽(yáng)能電池組件或方陣中不是沒(méi)每個(gè)單體電池都串聯(lián)，而是在并聯(lián)的每一條支路中串聯(lián)一個(gè)防逆流二極管，防逆流二極管雖然正向?qū)娮韬苄?，但是也有一定的功耗，所以在回路中不僅要保證回路中有最大電流，同時(shí)還要耐受住最大反向電壓的沖擊。在現(xiàn)實(shí)安裝中還要考慮安裝現(xiàn)場(chǎng)溫度等因素影響。下列圖為有防逆流二極管與沒(méi)有的I-V特性曲線，在〔a〕組件上形成陰影，與〔b〕+〔c〕組件串聯(lián)相比，沒(méi)有防逆流二極管時(shí)，由于〔a〕組件串上的電壓降低，〔b〕+〔c〕組件串的工作電壓加在了〔a〕組件串上，在〔a〕組件串上形成I1的反向電流，使總電流大大降低，而有防逆流二極管時(shí)，電流下降的只是〔a〕局部降低的電流。3太陽(yáng)能電池方陣組合的組合計(jì)算太陽(yáng)能電池方陣的根本電路由太陽(yáng)能電池組件串，旁路二極管，防逆流二極管和帶避雷器的直流接線箱等構(gòu)成，常見(jiàn)電路形式有并聯(lián)方陣電路，串聯(lián)方陣電路和串、并聯(lián)混合方陣電路，方陣的輸出功率與組件串并聯(lián)的數(shù)量有關(guān)，串聯(lián)是為了獲得所需要的工作電壓，并聯(lián)是為了獲得所需要的工作電流。一般獨(dú)立光伏系統(tǒng)電壓往往被設(shè)計(jì)成與蓄電池的標(biāo)稱(chēng)電壓相對(duì)應(yīng)或者是它的整數(shù)倍，而且與用電器的電壓等級(jí)一致，如220V、110V、48V、36V、24V、12V、等。交流光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，方陣的電壓等級(jí)往往為110V或220V。對(duì)電壓等級(jí)更高的光伏發(fā)電系統(tǒng)，那么采用多個(gè)方陣進(jìn)行串并聯(lián)，組合成與電網(wǎng)等級(jí)相同的電壓等級(jí)，如600V或10KV等，再通過(guò)逆變器后與電網(wǎng)連接。一般帶蓄電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)方陣的輸出電壓為蓄電池組標(biāo)稱(chēng)電壓的1.43倍。對(duì)對(duì)于不帶蓄電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在計(jì)方陣的輸出電壓時(shí)一般將其額定電壓提高10%，在選定組件的串聯(lián)數(shù)。例如，一個(gè)組件的最大輸出功率為108W，最大工作電壓為36.2V，設(shè)選用逆變器為交流三相，額定電壓380V，逆變器采取三相橋式接法，那么需直流輸入電壓〔即太陽(yáng)能電池方陣的輸出電壓〕再來(lái)考慮充裕量，太陽(yáng)能電池方陣的輸出電壓應(yīng)增大到，那么計(jì)算出組件的串聯(lián)數(shù)為塊。再?gòu)南到y(tǒng)輸出功率來(lái)計(jì)算太陽(yáng)能電池組件的總數(shù)。現(xiàn)假設(shè)負(fù)載要求功率是30KW，組件總數(shù)為塊，從而計(jì)算出模塊并聯(lián)數(shù)為，可選取并聯(lián)數(shù)為20塊。結(jié)論：該系統(tǒng)應(yīng)選擇上述功率組件14串聯(lián)20并聯(lián)，組件數(shù)為塊，系統(tǒng)輸出最大功率為。參考文獻(xiàn)［1］何道清，何濤，丁宏林．太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2023.4，73頁(yè)［2］［日］太陽(yáng)