太阳能电池培训手册中2资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除 刘清华 第一部分 光伏系统各部件介绍１．１前言 独立光伏系统的构成主要包括: 光伏组件( 阵列) 、 蓄电池、 逆变器、 控制器下而我们分别加以讨论太阳电池板控制器逆变器负载蓄电池图 光伏系统方框图１．２光伏组件( 阵列) 一个光伏阵列包含两个或两个以上的光伏组件, 具体需要多少个组件及如何连接组件与所需电压( 电流) 及各个组件的参数有关 光伏组件是由太阳能电池片群密封而成, 是阵列的最小可换单元当前大多数太阳能电池片是单晶或多晶硅电池这些电池正面用退水玻璃背面用软的东西封装它就是光伏系统中把辐射能转换成电能的部件 按照太阳电池的用途, 目的、 规模、 太阳能电池的种类等有各种形状的太阳能电池组件, 下面就几种典型的例子进行介绍一） 用于电子产品的组件 为驱动计算器手表, 收音机、 电视、 充电器等电子产品, 一般需1.5V至数十伏的电压而单个太阳电池产生的电压小于1V, 因此要驱动这些电子产品, 必须使多个太阳电池元件串联连接才能达到要求电压。
下图示出了民用晶体太阳组件的结构, 是把太阳电池元件排列好, 串联连接做成组件可见, 为驱动电子装置, 需要一定的高压, 而该组装方法存在问题是成本高, 接线点太多; 从可靠性的观点来看接线点太多是不利的图 民用晶体硅太阳电池组件的结构 另一种是非晶硅太阳电池因为非晶硅是靠气体反应形成的, 很容易形成薄膜, 在一块衬底上便于使多个单元电池串联连接而获得; 较高的电压输出 二) 用于电力的组件 电力用的太阳电池一般均安装在调用外, 因此除太阳电池本身以外, 还必须采用能经受雨、 风、 砂尘和温度变化甚至冰雹袭击等的框架、 支撑板和密封树脂等进行完好的保护, 现正研究各种电力用的太阳电池组件的结构如图8.6中( a) 所示的是衬片式结构, 是在太阳电池的背后放一块衬片作为组件的支撑板, 其上用透明树脂将整个太阳电池封住支撑板采用纤维钢化塑料( FRP) 等图各种结构晶硅太阳电池电力用组件的结构 当前最常见的是上图所示的超光面式结构, 在太阳电池的受光面放一块透明基板作组件的支撑板, 其下用填充材料和背面被覆盖材料将太阳电池密封上面的透明板用玻璃, 最好采用透明度和耐冲击强度均好的钢化白玻璃。
填充材料主要采用在紫外光照射时透过率衰减较小的聚乙烯醇缩丁醛( PVB) 和耐湿性良好的乙烯乙酸乙烯( EVA) 反面涂层多采用金属铝同聚氟乙烯( PVF) 夹心状结构, 使其具有耐湿性和高绝缘性 另外, 对可靠性要求特别高的应用, 开发了一种新的封装方式, 如下图( c) , 即在两块玻璃板之间用树脂把太阳电池封入 随着非晶硅太阳电池的发展, 也在研究采用同晶体硅太阳电池一样的超光面封装方式, 如下图所示, 把集成型太阳电池衬底玻璃直接用作受光面的保护板, 各单元电池的连接也不用导线, 因此能使组件的组装工艺变得特别简单另外, 图( b) 所示的组件类型也在研究之中今后如更大面积太阳电池的研制取得进展的话, 一般估计图( c) 所示的单块衬底型组件是更适合的, 这样能够进一步使组件成本降低图 采用非晶硅太阳电池的各种电力用组件的结构 下 图分别给出一单晶硅太阳电池组件和非晶硅太阳电池组件与温度的关系和与光强的关系与单个电池的温度系数不同, 这是因为组件中包括了接线部分的因素图 太阳电池组件数输出特性与温度关系的实例(单晶硅电池组件的大小: 30.2cm*121.7cm非单晶硅电池组件的大小: 37.8cm*71.1cm) 图 太阳电池组件输出特性与光强关系的实例(组件大小同图) 非晶硅太阳电池组件与单晶硅太阳组件相比, 其输出对温度的关系较小, 转换效率随着光强的减小, 在直线范围内比单晶硅的小。
三) 聚光式组件 聚光式太阳电池发电系统是在聚焦的太阳光下工作的, 有关这方面的研究工作最近在美国取得了较大的进展它分为透镜式和反光镜式两种 ( 1) 透镜式 聚光所必须的大面积凸透镜采用透镜, 它是把分割的凸透镜曲面连接在一起菲涅耳透镜的形状有圆型和线型之分如图8.11( a) 示出了线型菲涅耳透镜的实例, 太阳光聚焦于配置为点状或线状的太阳电池上图8.11.两种聚光方式 太阳电池除了采用单晶硅太阳电池以外, 常采用转换效率较高的砷化镓太阳电池在圆型菲涅耳透镜、 聚光比为500~1000倍的点聚焦情况下, 单晶硅太阳电池的转换效率达15—17%而砷化镓太阳电池的达到18—20% 2) 反光镜式 反光镜式又有两种形式, 一种是采用抛物面镜, 太阳电池则放在其焦点上, 另一种是底面放置太阳电池, 侧面配置反光镜, 如图8.11( b) 所示的槽形抛物面镜的形式较为常见 另外还有其它方式,如图8.12( a) 所示为荧光聚光板型太阳电池, 是把所吸收的太阳电池光经过荧光板变为荧光, 荧光在荧光板内传播, 最后被聚集于放置着太阳电池的端部。
现在这种荧光聚光板型太阳电池已能做到面积为1m2的效率为1%; 面积为1600cm2的, 效率为2.5%另外在该方式中, 正在研究如图8.12( b) 所示的波长为分割型的荧光聚光板型太阳电池, 其关键问题是要降低荧光板的价格, 提高发光效率, 以及提高可靠性等图8.12 荧光聚光板型太阳电池 (四)混合型组件 光热混合型组件是为更有效地利用太阳能, 让太阳光发电又发热的器件这种混合型组件有聚光型光热混合型组件和聚热器型光热混合型组件 聚光型光热混合组件如图8.13所示, 聚光型太阳电池背面经过导热媒介物进行聚热新能源综合开发机构( NEDO) 委托研究做系统能得到5KW的电输出, 25KW的热输出图8.13 聚光型光热混合型组件 聚热型光热混合型组件是将太阳电池连接到聚热板上而发电的图8.14所示为在真空玻璃管型聚热板上形成非晶硅太阳电池的混合型组件图8.14 采用非晶硅太阳电池的光热混合型组件 非晶硅太阳电池因为在可见光范围吸收系数很大, 而在红外线范围反射系数大, 因此也起着良好的选择吸收膜的作用, 如图8.15所示图8.15 非晶硅太阳电池作为选择吸收膜的特性 非晶硅太阳电池被密封真空玻璃管内, 因此不要包封, 太阳能的总转换ʽ效率达58%其中电能转换5%, 热能转换53%。
这对降低成本很有好处 当前, 上海交通大学, 就用物理系, 太阳能研究所采用结晶硅太阳电池电力用组件的封装方式, 整个组件效率达15%, 达到全国先进水平 有四个因素决定了光伏组件的输出功率: 负载电阻、 太阳辐照度, 电池温度和光伏电池的效率对于给定的组件的输出可由其电流电压( I—V) 曲线来估算如图8.16所示,在某一温度( T) 下太阳的照度也为一定的情况下, 经过测定得了的数据绘出了些图, 从图8.15中可知有开路电压( VOC) , 短路电流( ISC) , 最大功率点m处的电流( Imp) 和电压( Vmp) 可得组件的功率Wm=Imp×VmpIVIsc ImpmVmpVoc 图8.16 光伏组件的I-V特性图 对于一个给定的电池面积, 电流与太阳辐照度成正比且几乎与温度无关, 而电压( 功率) 随温度升高而下降一般来说, 晶体硅电池的电压降为0.5%/°C由此能够看到组件的温度对其功率的输出影响较大, 因此阵列要安装在通风的地方, 以保持凉爽; 不能在一个屋顶或同一个支撑结构上安装过多的组件 光伏阵列的任何部分不能被遮荫, 它不像太阳能集热器, 如果遮住了光伏组件必须有相同的电流。
如果有几个电池被遮荫, 则它们便不会产生电流且会成为反向偏压, 这就意味着被遮电池消耗功率发热, 久而久之, 形成故障可是有些偶然的遮挡是不可避免的, 因此需要用旁路二极管来起保护作用如果所有的组件是并联的, 就不需要旁路二极管, 即如果要求阵列输出电压为12V, 而每个组件的输出恰为12V, 则不需要对每个组件加旁路二极管, 如果要求24V阵列( 或者更高) , 那么必须有2个( 或者更多的) 组件串联, 这时就需要加上旁路二极管, 如图8.17所示,组件组件组件组件+-DC24V……图8.17 带旁路二极管的串联电池组件组件组件组件+-DC24V……阻塞二极管图8.18 对于24V阵列阻塞二极管的接法阻塞二极管是用来控制光伏系统中电流的任何一个独立光伏系统都必须有防止从蓄电池流向阵列的反向电流的方法或有保护或失效的单元的方法如果控制器没有这项功能的话, 就要用到阻塞二极管, 如图8.18阻塞二极管既可在每一并联支路, 又可在阵列与控制器之间的干路上, 可是当多条支路并联接成一个大系统, 则应在每条支路上用阻塞二极管( 如图8.18) 以防止由于支路故障或遮蔽引起的电流由强电流支路流向弱电流支路的现象。
在小系统中, 在干路上用一个阻塞二极管就够了, 不要两种都用, 因为每个二极管会降压0.4~0.7V是一个12V系统的6%, 这也是不小的一个比例蓄电池 蓄电池是用来将光伏阵列产生的电能( 直流) 存储起来供后级负载( 逆变器和交流负载) 使用的部件, 在独立光伏系统中, 一般都需要控制器来控制其充电状态和放电深度, 以保护蓄电池延长其使用寿命 深度循环电池是用较大的电极板制成, 可承受标定的充放电次数循环次数取决于放电深度, 放电速度, 充电前的时间, 充电速率等等浅循环电池使用较轻的电极板浅循环电池不能象深度循环电池那样多次地循环使用完全放电一两次常常就会损坏, 因此它们不能在某些光伏系统中有些蓄电池电解质是胶体, 这种胶体电解质电池易于维护, 因为它一般是密封的, 当电池翻转也不会泄露大多数密封电池有放气口可放出氢气, 可是却不允许添加电解液, 它们可能被 标定为深度循环电池, 但它们一般比工业级湿性蓄电池的循环次数要少有电解液的电池可能是密封的, 或者有一个小帽, 这样就能够向其中添加蒸馏水了一般当电池容易大于100Ah时, 电池是开放的, 对于湿性蓄电池应按时添加电解液( 蒸馏水) 。
镍镉电池在有些国家使用, 它们一般比铅酸电池贵, 但镍镉电池寿命长, 维修率低, 耐用, 可承受极热极冷的温度, 而且能够完全放电由于能够完全放电, 在某些系统中控制器就能够省下来不用了请注意: 如果要为镍镉电池配置控制器, 则必须提出要求, 由供应商提供, 而不能用一般的控制器,因为一般提供的控制器是为铅酸电池设计的, 其所控的充电程度不同于镉电池由此可知, 控制器并不能通用。