太陽(yáng)能電池組件及方陣的研究和設(shè)計(jì)

王娜 樊曉宇 左緒忠 劉春見(jiàn)

摘 要：太陽(yáng)能方陣及組件的設(shè)計(jì)是光伏系統(tǒng)的重要部分，決定了光伏系統(tǒng)的效率和性能。通過(guò)分析太陽(yáng)能單體、太陽(yáng)能組件和太陽(yáng)能方陣的性能和特點(diǎn)，給出太陽(yáng)能組件及方陣的設(shè)計(jì)的一般原則。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池;光伏組件;光伏方陣

目前，我國(guó)資源枯竭現(xiàn)象明顯。東北集中了我國(guó)1/4的資源型城市，1998年出現(xiàn)“東北現(xiàn)象”、2000年出現(xiàn)“萎縮礦區(qū)”、2005年出現(xiàn)“森林基地縮減至98%”等資源枯竭現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)生態(tài)環(huán)境日趨惡化。長(zhǎng)期的傳統(tǒng)能源消耗，人造氣體增加。以地球?yàn)檠芯繉?duì)象，太陽(yáng)光輻射為吸熱，地球輻射為放熱、吸收和放熱，因?yàn)榇髿鈱拥拇嬖诙３忠欢ǖ臏囟取，F(xiàn)在隨著人造氣體的增加，地球的能量不能正常逃逸，地球就像被困在厚厚的玻璃里，這樣地球溫度上升，這就是全球溫室效應(yīng)。最近幾年，空氣污染較為突出，霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重影響人們的出行和生活。因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間霧霾、地下水層污染和食品添加劑的長(zhǎng)期使用，最近幾年，肝癌、胃癌和肺癌等癌癥將會(huì)越來(lái)越普遍。

與清潔能源使用相比，傳統(tǒng)能源開(kāi)采過(guò)程會(huì)對(duì)地表造成嚴(yán)重的破壞，以露天煤礦為例，需要?jiǎng)冸x巖土層才能露出煤炭，長(zhǎng)年累月的挖掘，山丘被夷為平地，平地被鏟成洼地。巖土層沒(méi)被剝離后的礦區(qū)會(huì)寸土不生，嚴(yán)重破壞了生態(tài)平衡。我國(guó)地域遼闊，大大小小的露天煤礦多達(dá)5300個(gè)。盡管如此，我國(guó)露天煤礦占總煤量的15%，85%的儲(chǔ)量在多百米甚至千米之下，需要井下作業(yè)。開(kāi)采結(jié)束后，原來(lái)的煤層填充空間如果置之不理就會(huì)發(fā)生巖層垮塌和地面下沉現(xiàn)象。

為此，國(guó)家首先在東北進(jìn)行經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型試點(diǎn)。2001年阜新被設(shè)為首個(gè)資源枯竭城市，2007年?yáng)|北進(jìn)入全面“生態(tài)文明”建設(shè)，即以較低的資源代價(jià)和環(huán)境代價(jià)換取較高的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度。2010年，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議審議并原則通過(guò)加快新興產(chǎn)業(yè)的決定，其中就包括光伏產(chǎn)業(yè)。目前，我國(guó)傳統(tǒng)能源消費(fèi)比例明顯下降，以煤炭為例，已經(jīng)從70年代的90%以上下降至60%以下，未來(lái)還會(huì)繼續(xù)下降。

1 太陽(yáng)能電池組件的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)單地說(shuō)就是一個(gè)pn節(jié)。以同質(zhì)硅為例，如圖1所示，低濃度離子注入硼形成p型半導(dǎo)體，然后表面高濃度注入磷形成n型，這樣表層n型區(qū)與底層p型區(qū)之間就形成pn結(jié)。從半導(dǎo)體物理的角度，pn結(jié)分為三個(gè)區(qū)，p型區(qū)（中性區(qū)，帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，空穴，均勻分布，顯電中性），n型區(qū)（中性區(qū)，帶正電的雜質(zhì)離子、電子，均勻分布，顯電中性），中間耗盡層（p側(cè)留下不可移動(dòng)的帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，n側(cè)留下不可移動(dòng)的帶正電的雜質(zhì)離子，內(nèi)建電場(chǎng)）。太陽(yáng)光照射表面，三個(gè)區(qū)均可以產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，p側(cè)聚集空穴對(duì)應(yīng)電源的正極，n側(cè)聚集電子對(duì)應(yīng)電源的負(fù)極，如果有外電路，電流就會(huì)從p側(cè)流向n側(cè)。

太陽(yáng)能電池最小的單元稱(chēng)為單體，典型工作電壓值048V，工作電流25mA/cm2，無(wú)法滿(mǎn)足負(fù)載的需求，如圖2所示。根據(jù)負(fù)載的要求對(duì)太陽(yáng)能電池單體進(jìn)行串聯(lián)可以輸出較大的電壓，將單體進(jìn)行并聯(lián)可以輸出較大的電流。這也是生活中常見(jiàn)的太陽(yáng)能電池板，一般包括以下幾部分：鋁質(zhì)邊框、玻璃表層、太陽(yáng)能電池、底層材料及層之間的EVA黏膠。單體串并聯(lián)封裝成品稱(chēng)為組件，組件在經(jīng)過(guò)串并聯(lián)在活動(dòng)或者固定支架上稱(chēng)為太陽(yáng)能電池方陣，如圖2所示。常見(jiàn)的將單體進(jìn)行均勻分割2份或者4等份進(jìn)行重新矩陣排布。根據(jù)電學(xué)知識(shí)，單體被分成2片，工作電壓不變，工作電流會(huì)減半，即工作電流與面積呈正比，功率不變。比如，單體分成2片，用36片（4×9）串聯(lián)排布就可以輸出17V的電壓為12V的蓄電池充電。在鋁框封裝時(shí)，電池片間距約2mm左右，左右邊距約15mm，上下邊距約40mm。比如要設(shè)計(jì)一塊90W的太陽(yáng)能電池組件為12V蓄電池充電，現(xiàn)在工廠(chǎng)有單片最大工作電壓05V，最大工作電流8A，問(wèn)該組件的設(shè)計(jì)規(guī)格？根據(jù)已知條件，單片輸出功率為4W，這需要單片的數(shù)量應(yīng)該是90/4約23片單體，再看電壓的要求12V的蓄電池要求太陽(yáng)能電池組件的最大峰值電壓為20V左右，所以將單體2等份，這樣等份的話(huà)電壓不變，則串聯(lián)就可以輸出46×0.5約23V的電壓值給12V的蓄電池充電。輸出功率4×26約104W滿(mǎn)足負(fù)載功率的要求，可以采用2×23排布方式進(jìn)行組件設(shè)計(jì)。

2 太陽(yáng)能電池方陣的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池方陣一般有三種排布方式：串聯(lián)組合、并聯(lián)組合和串并聯(lián)混合。串聯(lián)時(shí)，每個(gè)組件需要并聯(lián)旁路二極管。二極管的p側(cè)連太陽(yáng)能電池的負(fù)極，n側(cè)連正極，當(dāng)太陽(yáng)能電池正常工作時(shí)，二極管不導(dǎo)通，但是當(dāng)組件出現(xiàn)故障時(shí)，二極管與其他太陽(yáng)能電池之間串聯(lián)變成P側(cè)連正極，n側(cè)連負(fù)極剛好導(dǎo)通，這樣回路中的電流經(jīng)二極管繞過(guò)壞掉的不工作的太陽(yáng)能組件繼續(xù)，整個(gè)方陣正常供電，所以該位置的二極管稱(chēng)為旁路二極管。串聯(lián)防反充二極管，即正極連pn結(jié)p側(cè)負(fù)極連pn結(jié)n側(cè)，電池板正常pn結(jié)導(dǎo)通，如果反向施壓則pn結(jié)反偏，電路不通起到防反充作用。電池組件如果局部被樹(shù)葉或者鳥(niǎo)類(lèi)糞便覆蓋，就像反偏的二極管，p側(cè)連電源的負(fù)極而n側(cè)連電源的正極，相當(dāng)于一個(gè)很大的電阻進(jìn)而壓降也很大，最終導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞組件（玻璃受熱膨脹等），因此方陣位于相對(duì)空曠的地方，定時(shí)清潔太陽(yáng)能電池板，避免熱斑現(xiàn)象的產(chǎn)生。

一個(gè)組件最大輸出功率108W，最大工作電壓是36.2V，如果負(fù)載要求功率是30kW，所需直流電壓是512V，組件應(yīng)該怎么設(shè)計(jì)。首先根據(jù)負(fù)載功率要求算出組件的塊數(shù)，30kW/108W得277塊電池組件，又根據(jù)負(fù)載電壓要求512V/36.2V約為14塊串聯(lián)，這樣就可以算出并聯(lián)個(gè)數(shù)約20塊。大致計(jì)算之后可以得到該組合為14串20并的方陣，總塊數(shù)為280塊，最大輸出功率為280×108W約為30.2kW。又如某一發(fā)電系統(tǒng)采用直流供電，負(fù)載工作電壓為48V，用電量為150Ah，該地區(qū)最低輻照水平在12月份，其傾斜面峰值日照時(shí)數(shù)為3.5h，如果用功率為125W（工作電壓34.2V，工作電流3.65A）的電池組件，如何設(shè)計(jì)？（假設(shè)組件損耗系數(shù)是09，蓄電池充電效率為0.9）首先根據(jù)電壓可以算出串聯(lián)數(shù)即48/（0.9×0.9×34.2）約等于2塊，然后根據(jù)用電量算出并聯(lián)塊數(shù)150/（3.5×3.65×0.9×0.9）約為15塊。則改系統(tǒng)為2串15并的系統(tǒng)，最大輸出功率為3.75kW。

3 太陽(yáng)能電池組件和方陣研究現(xiàn)狀

光伏組件的性能直接決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力。調(diào)查顯示，30%的光伏發(fā)電站在運(yùn)營(yíng)3年后都會(huì)不同程度出現(xiàn)功率大幅衰減現(xiàn)象，絕大部分是因?yàn)楣夥咫[裂問(wèn)題。什么是光伏板隱裂現(xiàn)象呢？隱裂是太陽(yáng)能光伏單片組合在封裝過(guò)程中或者封裝后收到較大的機(jī)械應(yīng)力或者過(guò)熱，就會(huì)出現(xiàn)肉眼無(wú)法辨別的細(xì)裂紋，就會(huì)導(dǎo)致電池片不工作。因此隱裂的原因有：生產(chǎn)線(xiàn)工藝參數(shù)不嚴(yán)謹(jǐn)。光伏組件生產(chǎn)要經(jīng)過(guò)近10項(xiàng)工序，每道工序都有他們的參數(shù)要求，如果參數(shù)控制不嚴(yán)謹(jǐn)就會(huì)導(dǎo)致隱裂;生產(chǎn)設(shè)備本身會(huì)對(duì)電池片產(chǎn)生直接的力的作用，機(jī)械臂精度不夠也會(huì)造成隱裂現(xiàn)象;目前沒(méi)有完整的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，部分工序需要人工操作，比如EVA膠的涂抹，手指按壓不當(dāng)也會(huì)造成隱裂;封裝好的組件在運(yùn)輸過(guò)程中如果遭到野蠻搬運(yùn)或者安裝不規(guī)范也會(huì)對(duì)組件造成傷害進(jìn)而形成隱裂。另外，光伏陣列所在的區(qū)域的氣候環(huán)境的劇烈變化也會(huì)對(duì)組件造成傷害，形成隱裂。隱裂為什么會(huì)讓光伏組件發(fā)電性能急劇下降呢？隱裂的太陽(yáng)能電池片可能在2—3年之后就不能正常工作了，那么此時(shí)的太陽(yáng)能片就相當(dāng)于一個(gè)反偏的二極管，阻值較大，消耗的功率大就會(huì)發(fā)熱形成熱板，比正常電池片溫度高10～20攝氏度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)讓電池組件破裂，整個(gè)組件不能正常工作。

4 結(jié)語(yǔ)

組件的性能直接決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，而負(fù)載的需求決定了組件的配置和安裝。組件主要有單片的串并聯(lián)而成，最終鋁框封裝。單片在分割過(guò)程中遵循最大工作電壓不變，最大工作電流與面積呈正比的原則。組件通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)的方式輸出負(fù)載需求的電壓、電流和功率，稱(chēng)之為方陣。方陣?yán)门月范O管和防反充二極管盡可能保護(hù)發(fā)電方陣的穩(wěn)定性。

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基金項(xiàng)目：安徽科技學(xué)院智慧課堂課題（課題編號(hào)：Xj 201843）;安徽科技學(xué)院重點(diǎn)教研項(xiàng)目課題（課題編號(hào)：X2019 030）;安徽省級(jí)重點(diǎn)教研項(xiàng)目（2020jyxm1378）