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1、太阳能电池培训手册(中)第一部分光伏系统各部件介绍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。见下图。下而我们分别加以讨论。图光伏系统方框图光伏组件（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。目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
2、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，所以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
3、安装在调用外，所以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目前最常用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
4、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。此外，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，所以能使组件的组装工艺变得特别简单。此外，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，这样可以进一
5、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
6、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5001000倍的点聚焦情况下，单晶硅太阳电池的转换效率达1517%而砷化镓太阳电池的达到1820%。（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
7、，如图8.11（b）所示的槽形抛物面镜的形式较为常用。此外还有其它方式,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通过荧光板变为荧光，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
8、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通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，所以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
9、璃管内，所以不要包封，太阳能的总转换?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。 目前，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，通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（V OC ），短路电流（I SC ），最大功率点m 处的电流（Imp ）和电压（Vmp ）可得组件
10、的功率W m =I mp ?V mp 。 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 。由此可以看到组件的温度对其功率的输出影响较大，所以阵列要安装在通风的地方，以保持凉爽；不能在一个屋VI sc I mp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。但是有些偶然的遮挡是不
11、可避免的，所以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, 图8.17 带旁路二极管的串联电池 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
12、路，又可在阵列与控制器之间的干路上，但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0.40.7V 是一个12V 系统的6%，这也是不小的一个比例。蓄电池+ -DC24V + - DC24V 阻塞二极管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
13、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，因为它通常是密封的，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，但是却不允许添加电解液，它们可能被标定为深度循环电池，但它们通常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，这样就可以向其中添加蒸馏水了。通常当电池容易大于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）。
14、镍镉电池在有些国家使用，它们通常比铅酸电池贵，但镍镉电池寿命长，维修率低，耐用，可承受极热极冷的温度，而且可以完全放电。由于可以完全放电，在某些系统中控制器就可以省下来不用了。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。用在独立光伏系统的电池应是深度循环大负载类型的。由于极板材料铅较软，所以要加一些如锑或钙之类的元素以加强铅板的硬度，这样可改善电池的性能。铅锑电池可承受深度放电，但因为水耗散大，需要定期维护。铅-钙电池可以有几次深度级放电，它们首期投入成
15、本低，但寿命却低于铅酸电池。大多数电池有酸性或腐蚀性物质，如果操作不当就比较危险甚至危及生命。对于开放式电池在充电时会产生具有爆炸性的氢气。这些电池需摆放在通风良好的地方。系统电器元件不能安装在电池附近，因为其所产生的火花可能会点燃氢气。同时铅酸电池的酸性气体会腐蚀和损坏电子元件。可用复合剂或催化剂的电池盖以用氧将氢气化合成液态水流回电解液。这些盖子有35年寿命，但还要定期检查和清洗以保证其动行良好。任何电池对于人类尤其是儿童，还有动物都是具有危险性的，所以应有经验的人操作，同时，要保持输出端有盖子，因为一个典型的光伏系统在输出端短路时能产生6000A的电流，尽管这个电流仅持续几毫秒，但是以将
16、工具弧焊在输出端上，而且电压越高，危害越大。当电压高于24V时电击可以引起生命危险；在12V电压下，如果电池偶然短路，大电流能引起火灾。所以在电池周围工作时应使用防护工具如手套，胶鞋，护目镜。电池一般很重，所以在搬动时须注意，不要闪了腰。下面介绍一下蓄电池的特性，了解这些特性可以使我们更好地使用它们。一、放电深度，它以电池容量的百分数表示，标定容量可以从电池外壳上或说明书上获得。电池所能承受的放电容量与其结构有关。绝大多数普通电池有电活性的铅合金板，浸没于稀的电解液中，板可分为普兰特式（纯铅），涂浆极板式和管式。电极可用不同的厚度，不同的合金（如铅钙，铅锑合金）以用于不同类型的电池。一般来说，电极板越大则蓄电池所能承受的充
