太阳能光伏组件结构.doc

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1、组件结构 典型的太阳电池组件，在遥远地区的户外使用。 组件是由一些互相联接的太阳电池组成，典型的是36片串联，这些太阳电池被封装成单一的、长期耐久的、稳定的单元。 封装一组相互联接的太阳电池的目的是在使用它们的通常的苛刻环境中保护它们和它们的互联线。例如，太阳电池是是很薄的，更易于受到机械损伤，除非它们得到保护。另外，太阳电池顶部表面的金属栅线和各个独立的太阳电池之间的互联线可以被水和水蒸汽腐蚀。封装的两个关键作用是防止太阳电池的机械损伤和防止水或者水蒸汽对电极的腐蚀。 有许多不同形式的PV组件，并且对于不同的太阳电池或者不同的应用要求来讲组件的结构是不同的。例如，无定型硅太阳电池通常被封装成

2、柔性的组件，而用于遥远地区的晶体硅太阳电池则与玻璃形成钢性的封装。晶体硅PV组件的寿命和保质期通常大约是20年，表明封装的PV组件是耐用的。 组件材料大多数晶体硅太阳电池组件是由透明的顶表面、胶质密封材料、背面层和外部框架组成。如下图所示，在大多数组件中，顶表面是玻璃，胶质密封材料是EVA(ethyl vinyl acetate，乙烯基乙酸乙脂)，背面层是Tedlar。 典型的晶体硅组件材料 前表面材料PV组件的前表面材料对于可以被PV组件中的太阳电池使用的波长必须有很高的透明度。对于硅太阳电池，顶表面材料对于波长在350nm到1200nm范围的波长必须有很高的透明度。另外，前表面的反射应该很

3、低。 虽然理论上在顶表面应用减反射膜可以减少反射，但是实际上这些减反射膜都不足以抵抗大多数PV组件的使用条件。另一个可以减少反射的技术是织构化表面或者使表面粗糙。但是，在这种情况下灰尘和泥垢更可能黏附在顶表面，并且很难被风和雨水驱除。这些组件因此不是“自清洁”的，并且减少反射的优越性很快被顶表面的尘土招致的损失所超过。 除了反射和透明的特性之外，顶表面材料应该是不渗透水的，应该是耐冲击的，应该在长期的紫外线照射下是稳定的，并且有很低的热阻系数。水或者水蒸汽进入到PV组件中，将腐蚀金属电极和互联条，并且从而将显著地减少PV组件的寿命。在大多数组件中，顶表面用于提供机械强度和硬度，因此用于支撑太阳

4、电池和联线的顶表面或者背表面必须是机械钢性的。 顶表面材料有几种选择，包括丙烯酸聚合物和玻璃。钢化的低铁玻璃是最普通的应用，因为成本低、坚固、稳定、高透明度、防水和气体，并且有良好的自清洁特性。 胶质密封材料胶质密封材料被用于在组件的太阳电池、顶表面和背表面之间提供黏结。在高温和强UV照射下，胶质密封材料应该是稳定的，应该也是光学透明的并且有很低的热阻。 EVA (ethyl vinyl acetate，乙烯基乙酸乙脂)是最通常使用的封装材料。采购的EVA是薄片的形状，插入到顶表面和太阳电池、太阳电池和背表面之间。这个三明治然后被加热到150以聚合EVA并且将组件粘联在一起。 背表面PV组件背

5、表面的关键特征是它必须具有很低的热阻，并且必须阻止水或者水蒸汽的进入。在大多数组件中，一个很薄的聚合物层，通常是Tedlar，被用于做背表面。有些PV组件，如已知的双面组件，被设计成既可以从太阳电池的正面也可以从太阳电池的背面接收光线。在双面组件中前表面和背表面必须都是透明的。 边框最终的组件结构部件是框架。常规的PV组件的框架一般是铝材料制作的。框架结构应该是没有突出部位的，避免水、灰尘或者其它物体的积存。 集中典型的硅PV组件 封装密度组件中太阳电池的封装密度关系到组件中太阳电池覆盖面积与空白区面积的比。封装密度影响了组件的输出功率和它的温度。封装密度依赖于所使用的太阳电池的形状。例如，单

6、晶太阳电池是圆形或者是准方形的，而多晶太阳电池是方形的。因此，如果准方形的单晶太阳电池组件的封装密度要低于方形的多晶太阳电池的组件。下图解释了圆形和方形太阳电池的封装。 圆形和方形太阳电池的封装密度 组件中稀疏地封装太阳电池，空白的面积也可以因为“零深度聚光效应”而增加组件的输出。如下图所示，某些照射到组件中空白区的光被反射和散射到太阳电池的表面。 组件中的“零深度聚光效应” 组件电路的设计晶体硅PV组件是由若干个独立的太阳电池联接组成的，几乎总是串联，为了增加输出功率和电压。PV组件的电压通常被选择适合于12V的蓄电池。在25，AM1.5条件下，一个硅太阳电池单体的电压是0.6V。考虑到在温

7、度升高时预期到PV组件电压的减少和蓄电池充电时要求达到15V或者更高的充电电压，大多数组件包含有36片串联的太阳电池。在标准实验条件下，这样的组件的开路电压大约21V，并且在工作温度最大工作点的工作电压大约是16-17V。保留超额的电压，是考虑到由于其它PV系统元件引起的电压衰降、工作点远离最大工作点和光强的减少。 常规组件，36片电池串联联接，为了生成满足12V蓄电池充电的电压。 PV组件的电压由组件中太阳电池的数量决定，组件的电流主要地依赖于太阳电池的尺寸和它们的效率。在AM1.5条件和最佳倾角，商业太阳电池的电流密度大约是在30mA/cm2到36 mA/cm2之间。单晶太阳电池的面积大约

8、是100cm2，组件的总电流大约就是3.5A。多晶组件中电池的面积更大，从而这些组件的短路电流大约是4A。但是，单体太阳电池的尺寸在加大，因此组件的电流也在增加。与对电压的影响不同，温度通常对组件的电流不产生影响，但是组件的倾角对电流有明显的影响。 如果一个组件中的太阳电池都有相同的电特性，并且它们全部全部经历着相同的辐照强度和温度，那么全部电池将在完全相同的电流和电压下工作。在这种情况下，PV组件的I-V曲线与每一个单独的太阳电池的I-V曲线的形状相同，只是电压和电流增加了。电流方程改变为： 这里： N 是串联电池的数量； M 是并联电池的数量； IT 是电路的总电流； VT 是电路的总电压

9、； I0 是单一太阳电池的饱和电流； IL 是单一太阳电池的短路电流； n 是单一电池的理想因子； q，k和T是给出在常数一节中的常数。 下图表示了理想联接的太阳电池组的完整的I-V曲线。 N个电池串联后M个电池并联的I-V曲线 失配的影响失配损失是由于电池或者组件的互联引起的，这些电池或者组件没有相同的特性或者经历了不同的条件。在PV组件和方阵中，在某种条件下失配问题是一个严重的问题，因为一个组件在最差情况的输出是由其中的具有最低输出的太阳电池决定。例如，当一个太阳电池被遮挡而组件中的其它的太阳电池并没有被遮挡时，一个处于“良好”状态的太阳电池产生的功率可以被低性能的太阳电池耗散，而不是提供

10、给负载。这可以导致非常高的局部电力耗散，并且由此而产生的局部加热可以引起组件不可恢复的损伤。 组件上局部区域的阴影是引起PV组件失配的主要原因 当组件中的一个太阳电池的电参数明显不同于组件中其它的太阳电池时，就发生了组件中的失配。由于失配所产生的影响和功率损失依赖于： PV组件的工作点； 电路的配置； 与其它太阳电池不同的哪个太阳电池的参数。 一个太阳电池与另一个太阳电池的I-V曲线上任何部位的差别都可以在某些工作点上导致失配损失。下图表示了太阳电池的一个非理想的I-V曲线和工作区间。虽然失配可以发生在任何在下面表示的电池参数中，明显的失配一般由短路电流或者开路电压的差别引起。失配的影响依赖于

11、电路的结构和失配的形式。下面更多的细节给出了证明。 理想和非理想太阳电池的比较。对于失配，最大的差别是在太阳电池工作在反向偏置条件热斑如下图所示，当一串具有几个高电流太阳电池的串中有一个低电流的太阳电池时，产生热斑。 一串太阳电池中有一个被遮挡，减少了好电池的电流，使得好电池要产生更高的电压。这个电压通常使坏电池反偏。 如果总串联串上的工作电流接近于坏电池的短路电流，总电流就是被坏电池所限制的。好到处产生的额外的电流使好电池正向偏置。如果串联串被短路，这个跨过这些好电池的正向偏压就使得被遮挡的电池反向偏置。当许多串联的电池在阴影遮挡的电池上引起很大的反向偏压时，导致差电池上有很大的热耗散，就发

12、生了热斑。必然地，好电池上的全部的发电容量都耗散在差电池上。在相同面积上的大量的功率耗散导致局部发热或者热斑，转而产生破坏性的影响，例如电池或玻璃的破裂、焊料的熔化或者太阳电池的衰降。 由于组件碎裂引起的被遮挡电池上的热耗散 旁路二极管使用旁路二极管可以回避热斑的破坏效果。旁路二极管并联联接，但是如下图所示极性与太阳电池相反。在通常的工作中，每一个太阳电池将是正向偏置，所以旁路二极管被反向偏置并且是有效地开路的。但是，如果一个太阳电池由于几个串联的太阳电池短路电流失配而反向偏置，旁路二极管导通，因此允许好电池的电流在外部电路中流动而不是正向偏置每一个好电池。在差电池上的最大反向偏置电压被减少到

13、大约一个二极管的电压降，从而限制了电流并避免了热斑。下面的动画表旁路二极管的工作和对I-V曲线的影响。 首先得到带有旁路二极管的单个太阳电池的I-V曲线，然后与其它的太阳电池的I-V特性曲线结合，可以确定旁路二极管对I-V曲线的影响。旁路二极管仅仅对太阳电池的反向偏置有影响。如果反向偏置电压高于二极管的导通电压，二极管导通并传输电流。下图表示了带有旁路二极管的I-V曲线。 带有旁路二极管的太阳电池的I-V曲线 使用二极管防止热斑现象。为了更清楚，这里的举例总共使用了十个太阳电池，其中9个没有遮挡1个被遮挡。典型的组件有36个太阳电池，并且在没有旁路二极管时电流失配的影响更严重，但是使用二极管后

14、就减少了影响。 但是，实际上每个太阳电池配一个旁路二极管是太昂贵了，替代的方法是通常一组太阳电池配一个旁路二极管。跨过被遮挡或者低电流的太阳电池的电压，等于共享同一个二极管的其它串联太阳电池的正向偏置电压加旁路二极管的电压。下图对此做了解释。跨过无阴影太阳电池的电压依赖于低电流电池被遮挡的程度。例如，如果这个电池被完全遮挡，则没有被遮挡的太阳电池就被它们的短路电流正向偏置，偏置电压大约0.6V。如果这个太阳电池仅仅是部分地被遮挡，来自于没有被遮挡的太阳电池的部分电流可以通过迴路，而剩余的电流正向偏置于每一个太阳电池，在每一个太阳电池上产生了一个较低的正向偏置电压。 被遮挡太阳电池的最大耗散功率

15、大约等于这一组中全部太阳电池的产生容量。对于硅太阳电池，在没有引起损伤的条件下，每个旁路二极管配合的一组太阳电池的最多数量大约是15个。对于通常是36个太阳电池的组件，因此要使用2个旁路二极管，以保证组件不受热斑的损害。 跨过太阳电池组的旁路二极管。无遮挡太阳电池上的电压依赖于被遮挡太阳电池被遮挡的程度。上图中只是简单地表示为0.5V。 并联联接太阳电池的失配在小组件中，太阳电池是串联联接的，所以没有并联失配的问题。在大的方阵中通常有组件的并联，所以通常是组件水平上而不是电池水平上发生并联失配。 并联联接的太阳电池。相互并联的太阳电池上的电压总是相同的，并且总电流是各个独立太阳电池电流的和。

16、失配对于PV方阵的影响在一个大的PV方阵中，各个PV组件被串联和并联联接。串联联接的一组太阳电池或者组件被称做一个“串”。串联联接和并联联接的结合可能在PV方阵中引起几个问题。一个可能的问题来自于一个串联串中的开路。包含有这个串联串的并联串（通常称做块）产生的电流要少于其它相互串联的并联块。这与串联电池串中包含有一个被遮挡的太阳电池的情况相同，并且引起了串联串中全部太阳电池组件块的功率损失。下图表示了这个效应。 在大型PV方阵中潜在的失配效应。虽然全部组件可以是相同的并且方阵没有经历任何遮挡，失配和热斑效应仍然可能发生。 并联联接的失配效应可能产生问题，如果旁路二极管的额定能力不满足全部并联方阵的电流。例如，在带有串联连接组