太陽能電池板的性能指標(biāo)與設(shè)計原則

于燕玲1，楊洪興2，宗杰3

1.天津天樂國際工程咨詢設(shè)計有限公司，天津 300202；

2.香港理工大學(xué)屋宇設(shè)備工程學(xué)系，香港；

3.恩宜琺瑪（天津）工程有限公司，天津 300100）

79

太陽能電池板的性能指標(biāo)與設(shè)計原則

于燕玲1，楊洪興2，宗杰3

1.天津天樂國際工程咨詢設(shè)計有限公司，天津 300202；

2.香港理工大學(xué)屋宇設(shè)備工程學(xué)系，香港；

3.恩宜琺瑪（天津）工程有限公司，天津 300100）

結(jié)合光伏建筑發(fā)電系統(tǒng)的研究及發(fā)展方向，研究光伏建筑發(fā)電系統(tǒng)中太陽能電池板的設(shè)計原則，以及優(yōu)化設(shè)計的方法。

太陽能電池板 性能指標(biāo) 設(shè)計原則

一、前言

目前，在建筑中引入綠色設(shè)計理念，已成為建筑發(fā)展的趨勢。隨著LEED標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證在國內(nèi)建筑業(yè)引入、并逐漸得到認(rèn)可，光伏建筑、乃至光伏產(chǎn)業(yè)在我國“十二五”期間，已列入未來發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重要領(lǐng)域，光伏發(fā)電系統(tǒng)在各個領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。

近些年來，我國太陽能發(fā)電科技發(fā)展重點將主要集中在材料、器件、系統(tǒng)和裝備四個方向，但目前國內(nèi)普遍使用的光伏發(fā)電系統(tǒng)還存在許多問題，例如光伏發(fā)電成本高、光電轉(zhuǎn)換效率低等，國內(nèi)現(xiàn)已出臺并實施的光伏建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也較為概略，作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要部件——太陽能電池板，其設(shè)計選型尚未得到工程設(shè)計人員的足夠重視，不合理的設(shè)計理念會造成一定的能源，或者無法滿足使用者的要求。因此有必要對太陽能電池板的性能指標(biāo)和設(shè)計原則進(jìn)行深入地分析。

二、太陽能電池板的設(shè)計

太陽能電池板的選擇計算取決于光伏陣列尺寸的計算，是根據(jù)功率輸出的實際需要和光伏電池的的物理、電氣特性來計算光伏陣列的總面積和單片電池數(shù)。

太陽能電池方陣可分為平板式和聚光式兩大類。平板式方陣，只需把一定數(shù)量的太陽能電池按照電性能的要求串聯(lián)、并聯(lián)起來即可．不需加裝匯聚陽光的裝置，結(jié)構(gòu)簡單，多用于固定安裝的場合。聚光式方陣，加有匯聚陽光的搜集器，通常采用平面反射鏡、拋物面反射鏡或菲涅爾透鏡等裝置來聚光，以提高入射光譜的輻照度。聚光式方陣，可比相同輸出功率的平板式方陣少用一些單體太陽能電池，從而使成本下降，但通常需要裝設(shè)向日跟蹤裝置，有了轉(zhuǎn)動部件，這就降低了太陽能電池的可靠性。

太陽能電池方陣的設(shè)計，就是按照用戶的要求和負(fù)載的用電量及技術(shù)條件，計算太陽能電池組件的串聯(lián)、并聯(lián)數(shù)。串聯(lián)數(shù)由太陽能電池方陣的工作電壓決定，應(yīng)考慮蓄電池的浮充電壓、線路損耗以及溫度變化對太陽能電池的影響等因素。在太陽能電池組件串聯(lián)數(shù)確定之后，即可按照氣象臺提供的太陽能年總輻射量或年日照時數(shù)的10年平均值計算，確定太陽能電池組件的并聯(lián)數(shù)。太陽能電池方陣的輸出功率與組件的串聯(lián)、并聯(lián)數(shù)量有關(guān)。組件的串聯(lián)是為了獲得所需要的電壓，組件的并聯(lián)是為了獲得所需要的電流。太陽能電池陣列的主要性能指標(biāo)

太陽電池陣是在一定的約束條件下提供一定量的電能，所要求的發(fā)電量可以用下列任何一個或多個組合性能指標(biāo)來衡量，見表1：

表1 太陽電池陣的性能指標(biāo)

三、太陽能電池板的設(shè)計原則

太陽陣尺寸初步估算

光伏發(fā)電系統(tǒng)電池板的設(shè)計過程同一般工程設(shè)計一樣，都要經(jīng)過以下三個過程：從方案設(shè)計階段開始，緊接著是初步設(shè)計階段，然后是最終設(shè)計階段。研究的內(nèi)容從各種方案的概念性比較研究，即選定固定太陽陣還是定向太陽陣，或是低壓太陽陣還是高壓太陽陣；然后是太陽電池、蓋片、基板以及其他有關(guān)部件和材料的選定；最終確定太陽電池的線路圖，決定所要選用的元件、部件和材料，并精確地估計出最終設(shè)計的性能和特性。因此，為一個光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計光伏陣列，與其他工程設(shè)計一樣，都要經(jīng)過了解設(shè)計要求和限定條件，然后進(jìn)行綜合分析，確定方案，選型研制，試驗調(diào)試。

太陽能電池板的設(shè)原則

太陽能電池板的設(shè)計過程要注意兩個問題，一個是量化不定因素，另一個是優(yōu)化設(shè)計。表2分別列出了設(shè)計光伏陣列時一套典型的設(shè)計要求和設(shè)計準(zhǔn)則。設(shè)計要求是指設(shè)計任務(wù)最終達(dá)到的目的，以及根據(jù)用戶要求滿足的基本技術(shù)指標(biāo)。其中功率輸出是固有指標(biāo)，功率輸出的條件則指的是直接影響功率輸出的各種條件，其中包括外界條件、運行環(huán)境、自身性能和設(shè)計接口等。而設(shè)計準(zhǔn)則是指在有效的系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上制定的技術(shù)要求。這些要求直接關(guān)系到設(shè)計方案的確定、部件的采購、制作的成本、安裝的措施、項目完成周期等因素。設(shè)計準(zhǔn)則制定得是否適當(dāng)和滿足與否，將直接影響到光伏陣列的性能，直至整個設(shè)計的成敗。

表2 光伏陣列的設(shè)計要求和設(shè)計原則

光伏陣列不是一個獨立的系統(tǒng)，它是整個光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一部分，設(shè)計時一定要考慮到它與功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、定向驅(qū)動裝置以及與機(jī)械電氣設(shè)備（如安裝支架、接插件等)的實際連接要求。表3列出了一個典型光伏陣列設(shè)計項目所有要協(xié)調(diào)的接口內(nèi)容。

表3 光伏陣列設(shè)計時要注意與外部的關(guān)系問題

四、太陽能電池板的優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計是一種一直在進(jìn)行中的連續(xù)過程，它在工程的早期（方案）設(shè)計階段顯得尤為重要，遺憾的是人們往往認(rèn)識不到。

優(yōu)化設(shè)計的目的可以是為了使整個系統(tǒng)達(dá)到真正最優(yōu)化，也可以是僅僅為了使太陽電池陣在某些確定的準(zhǔn)則（如最低的成本或最輕的重量）方面達(dá)到最優(yōu)化，或是為了在各個設(shè)計目標(biāo)之間實現(xiàn)平衡。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，全系統(tǒng)的最優(yōu)化，必要時可能會導(dǎo)致極不優(yōu)化的太陽電池陣的設(shè)計。因此，太陽電池陣設(shè)計人員的責(zé)任是：要與全系統(tǒng)設(shè)計人員以及其他分系統(tǒng)的設(shè)計人員進(jìn)行全面而又經(jīng)常的聯(lián)系，以確保任何太陽陣設(shè)計或再設(shè)計的結(jié)果能滿足全系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。在與全系統(tǒng)協(xié)調(diào)時，太陽陣的優(yōu)化設(shè)計僅僅是第二位的目標(biāo)。

對太陽陣設(shè)計人員來說，重要的優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則包括如下幾方面：不同太陽輻射強(qiáng)度下的功率輸出，太陽陣的質(zhì)量、尺寸、成本、研制時間，以及風(fēng)險系數(shù)和可靠性。

五、結(jié)論

光伏應(yīng)用技術(shù)作為一種新型的技術(shù)，在建筑學(xué)上已經(jīng)成為一種新的可行的選擇。光伏應(yīng)用技術(shù)利用太陽光這種巨大的可再生能源來產(chǎn)生電力，其光伏轉(zhuǎn)換構(gòu)件（太陽能電池板）既可以安裝在建筑物上，又可以作為多功能建筑材料構(gòu)成實際的建筑物構(gòu)件。本文結(jié)合光伏建筑發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向，研究了光伏建筑發(fā)電系統(tǒng)中太陽能電池板的設(shè)計原則，以及優(yōu)化設(shè)計的方法；深入分析了太陽能電池板的性能指標(biāo)和設(shè)計原則，為工程設(shè)計人員提供了借鑒和參考價值。未來隨著光伏發(fā)電成本的降低，光伏技術(shù)和建筑學(xué)會很好的結(jié)合在一起，光伏建筑技術(shù)和整體光伏技術(shù)市場將會越來越大。

[1]李安定著太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程，北京工業(yè)大學(xué)出版社，北京2001年：113-116

[2]（美）漢斯.S.勞申巴赫，太陽電池陣設(shè)計手冊－光電能轉(zhuǎn)換原理及其應(yīng)用，張金熹等譯，北京：宇航出版社，1987：13-18趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，袁立強(qiáng)編著，太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用，科學(xué)出版社，北京，2005：p67

[3]Friedirich Sich,Thomas Erge.,Photovoltaics in building,a Design Handbook for Architects and Engineers,1996 IEA(International Energy Agency),James&James(Science Publishers)Ltd,Waterside House,London NW18NZ,UK:23-27]