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1、光伏组件（方阵）应用的设计与安装一、任务导入单体太阳电池不能直接做电源使用。作电源必须将若干单体电池串、并联连接和严密封装成组件。光伏组件（也叫太阳能电池板）是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。本单元所涉及的光伏电池及光伏电池组件主要以硅系光伏电池作为讲解对象。 二、相关知识学习情境1 太阳能电池组件(一）太阳能电池基础知识太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4lOOcm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0. 5V，工作电流约为2025mA/cm2，一般不能单独作为光伏电源使用。将太阳能
2、电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为光伏电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足太阳能光伏发电系统负载所要求的输出功率，如图2-16所示。图216 太阳能电池单体、组件和方阵（1）硅太阳能电池单体常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是P型硅，表面扩散层是N区，在这两个区的结合处就是所谓的PN结。PN结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以减少太阳能的反射损失。将一个负载连接在
3、太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使太阳能电池发热，伴随热能损失使太阳能电池的转换效率下降。（2）硅太阳能电池种类目前世界上有3种已经商品化的硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向是无规则性的，意味着正负电荷对并不能全部被PN结电
4、场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池。一般产品化单晶硅太阳能电池的光电转换效率为13%15%；产品化多晶硅太阳能电池的光电转换效率为11%13%；产品化非晶硅太阳能电池的光电转换效率为5%8%。（二）光伏组件及光伏方阵1.光伏组件介绍光伏组件也称太阳能电池组件，英文名称“Solar Module或PV Module”，它是将多个单体的太阳能电池片根据
5、需要串、并联越来，通过专用材料及特殊工艺封装后得到，其功率一般用Wp表示，其中p是英文peak，“峰值”的意思。光伏组件根据用途不同分为普通型太阳能组件和建材型太阳能组件，其中建材型太阳能组件又分为双面玻璃夹胶电池组件、中空玻璃电池组件以及光伏瓦电池组件等。普通型太阳能组件如图2-17所示，常见的普通型太阳能组件单晶硅组件，多晶硅组件，非晶硅组件。 这种组件用于普通光伏电站的建设。a)多晶硅组件结构图 b) 多晶组件图图2-17 普通多晶硅组件双面玻璃夹胶电池组件，这种组件电池片夹在两层玻璃之间，组件的受光面采用低铁超白钢化玻璃，背面采用普通钢化玻璃，这种玻璃一般用于光伏采光顶与光伏幕墙，如图
6、2-18所示。图2-18 双面玻璃夹胶电池组件构造图中空玻璃电池组件除了有采光和发电的功能外，还具有隔音、隔热、保温的功能，常用于作为各种光伏建筑一体化发电系统的玻璃幕墙电池组件。这种组件在组件与玻璃间装有干燥剂的空心铝隔条隔离，并用丁基胶、结构胶等进行密封处理，把接线盒及正负极引线等也都用密封胶密封在前后玻璃的边缘夹层中，与组件形成一体，使组件安装和组件间线路连接都非常方便。如图2-19所示。图2-19 中空玻璃组件的结构图光伏瓦是采用合成材料（工程材料）制作的瓦片通过自动化安装工艺与晶硅太阳能模组结合，形成具有光伏发电功能的瓦片，具有隔热、保温、防水、能发电特点，如图2-20所示 a) 光
7、伏瓦实图 b) 光伏瓦用于建筑房顶图2-20 光伏瓦图示及运用根据国家住房和城乡建设部2010年1月6日建质【2010】1号建筑太阳能光伏系统设计与安装图集10J908-5，几种光伏组件结构及用途如表2-7所示。表格 2-7 按结构和用途分光伏组件的类型2光伏组件性能光伏组件性能主要是组件输入与输出特性，称I-U特性，即电流-电压特性。它是检验组件性能的重要参数，衡量由光能转化为电能转换率重要指标，其特性图如2-21所示，曲线图反映了当组件接受太阳光照时，电池组件的输出电压、输出电流及输出功率的关系。图2-21 电池组件I-U特性图光伏组件几个重要性能参数：短路电流(Isc)：当将太阳能电池组
8、件的正负极短路，使U=0时，此时的电流就是电池组件的短路电流，短路电流的单位是A，短路电流随着光强的变化而变化。开路电压（Uoc）：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，开踣电压的单位是V。峰值电流(Im)：峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流。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，峰值电流的单位是A。峰值电压(Um)：峰值电压也叫最大工作电压或最佳工作电压。峰值电压是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电压，峰值电压的单位是V。组件的峰值电压随电池片串联数量的增减而变化，36片电池片串联的组件峰值电压为1717.5V。 峰值功率(Pm)：峰值功率也
9、叫最大输出功率或最佳输出功率。峰值功率是指太阳能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：Pm =ImUm。峰值功率的单位是W。太阳能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，因此太阳能电池组件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1000Wm2、光谱AM1.5、测试温度25。填充因子（FF）：填充因子也叫曲线因子，是指太阳能电池组件的最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值： (2-1)填充因子是评价太阳能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，表明所用太阳能电池组件输出特性越
10、趋于矩形，电池组件的光电转换效率越高。太阳能电池组件的填充因子FF 的值始终小于l，一般在0.50.8之间。FF 可由下列经验公式给出: (2-2) 转换效率（）：转换效率是指太阳能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： (2-3)其中：Pin为太阳入射功率，对于地面应用的太阳能电池，太阳功率密度为1000W/（海平面），对于太空电池，太阳功率密度为135W/。4.光伏方阵大阳能电池方阵也称光伏阵列（Solar Array或PV Array）。太阳能电池方阵是为满足高电压、大功率的发电要求，由若干个太阳能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
11、。除太阳能电池组件的串并联组合外，太阳能电池方阵还需要防反充(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，还需要配备专用的、带避雷器的直流接线箱。有时为了防止鸟粪等沾污太阳能电池方阵表面而产生“热斑效应”，还要在方阵顶端安装驱鸟器。另外电池组件方阵要固定在支架上，支架要有足够的强度和刚度，整个支架要牢固的安装在支架基础上。（1）相同性能太阳能电池组件的串、并联组合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。组件串联连接时，当每个单体的电池组件性能一致时，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
12、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。如图2-22所示，每个单体的电池组件性能一致12V 3A的组件，其2串3并联后总电压与电流为24V 9A.图2-22 相同性能组件串并联总电流与总电压情况（2）不同性能太阳能电池组件的串、并联组合但是，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，具体情况如下：1）两个性能不
13、同的组件(A、B）串联时，电压仍相加，电流将被限制到略高于电流最小的组件(组件B)的电流值，如图2-23虚线所示；图2-23 性能不同的组件串联情况图2）两个性能不同的组件(A、B）并联时，电流将增加，但是电压只是二者的平均值，如图2-24虚线所示。图2-24 性能不同的组件并联情况图三、项目实施：（一）光伏组件（方阵）的设计为了满足工业生产、生活用电所需的功率，太阳能电池组件一般含有足够多的串联单体电池，以便能产生足以给蓄电池组充电的电压。组件串联可以增加系统的输出电压，而并联可以增加系统的输出电流。组件的设计(方阵）即对组件的串并联数目、尺寸进行设计，以减小组件功率的损耗。现行商业应用的太
14、阳能光伏组件主要以晶硅太阳能电池为主，这里将以晶硅太阳能电池为基础来介绍光伏组件的设计。光伏组件的最小单元是太阳能电池，晶硅太阳能电池的主要尺寸是5英寸和6英寸两种常用规格，但不管其尺寸多大，其工作电压都在0.5 V左右，与它的面积没有关系，而工作电流则与电池面积成正比。1光伏发电系统对组件的要求太阳能电池组件要对太阳能电池片提供机械防护及化学防护，以保证光伏发电系统的最终工作寿命，理论上，此寿命可达20年或更长。系统密封设计必须具备的其他特性还包括紫外(UV)稳定性，在高低极限温度及热冲击下电池不致因应力而破裂，能抗御沙尘暴等恶劣天气所引起的机械损伤，具有一定的自净能力，成本低廉。除此之外，
15、光伏组件作为光伏发电系统的核心部分，起着将太阳光的辐射能转换成直流电能，并送往蓄电池中存储起来，或直接推动负载工作的作用。因此，光伏组件必须满足光伏发电系统的以下要求：(1)有一定的标称工作电流输出功率。(2)工作寿命长，能正常工作2030年，因此要求组件所使用的材料、零部件及结构，在使用寿命上相互一致，避免因一处损坏而使整个组件失效。(3)有足够的机械强度，能经受住运输、安装和使用过程中发生的冲突、振动及其他应力。(4)耐日照及极限温度变化。(5)易于安装、维护、更换。(6)组合引起的电性能损失小。(7)组合成本低。2光伏发电的电压要求光伏发电系统根据系统类型的不同，对光伏阵列的电压要求也不一样。太阳能电池组件和其他电源一样也是由电压值和电流值标定的。对于独立的光伏系统而言，光伏组件的电压主要是与蓄电池的电压对接。只有当太阳能电池组件的电压等于或略高于合适的浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。组件输出电压低于蓄电池
