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太阳能电池组件及方阵的研究和设计

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王娜樊晓宇左绪忠刘春见

摘要：太阳能方阵及组件的设计是光伏系统的重要部分，决定了光伏系统的效率和性能。通过分析太阳能单体、太阳能组件和太阳能方阵的性能和特点，给出太阳能组件及方阵的设计的一般原则。

关键词：太阳能电池;光伏组件;光伏方阵

目前，我国资源枯竭现象明显。东北集中了我国1/4的资源型城市，1998年出现“东北现象”、2000年出现“萎缩矿区”、2005年出现“森林基地缩减至98%”等资源枯竭现象。国内生态环境日趋恶化。长期的传统能源消耗，人造气体增加。以地球为研究对象，太阳光辐射为吸热，地球辐射为放热、吸收和放热，因为大气层的存在而保持一定的温度。现在随着人造气体的增加，地球的能量不能正常逃逸，地球就像被困在厚厚的玻璃里，这样地球温度上升，这就是全球温室效应。最近几年，空气污染较为突出，雾霾天气频繁出现，严重影响人们的出行和生活。因为长时间雾霾、地下水层污染和食品添加剂的长期使用，最近几年，肝癌、胃癌和肺癌等癌症将会越来越普遍。

与清洁能源使用相比，传统能源开采过程会对地表造成严重的破坏，以露天煤矿为例，需要剥离岩土层才能露出煤炭，长年累月的挖掘，山丘被夷为平地，平地被铲成洼地。岩土层没被剥离后的矿区会寸土不生，严重破坏了生态平衡。我国地域辽阔，大大小小的露天煤矿多达5300个。尽管如此，我国露天煤矿占总煤量的15%，85%的储量在多百米甚至千米之下，需要井下作业。开采结束后，原来的煤层填充空间如果置之不理就会发生岩层垮塌和地面下沉现象。

为此，国家首先在东北进行经济转型试点。2001年阜新被设为首个资源枯竭城市，2007年东北进入全面“生态文明”建设，即以较低的资源代价和环境代价换取较高的经济发展速度。2010年，国务院常务会议审议并原则通过加快新兴产业的决定，其中就包括光伏产业。目前，我国传统能源消费比例明显下降，以煤炭为例，已经从70年代的90%以上下降至60%以下，未来还会继续下降。

1 太阳能电池组件的设计

太阳能电池简单地说就是一个pn节。以同质硅为例，如图1所示，低浓度离子注入硼形成p型半导体，然后表面高浓度注入磷形成n型，这样表层n型区与底层p型区之间就形成pn结。从半导体物理的角度，pn结分为三个区，p型区（中性区，带负电的杂质离子，空穴，均匀分布，显电中性），n型区（中性区，带正电的杂质离子、电子，均匀分布，显电中性），中间耗尽层（p侧留下不可移动的带负电的杂质离子，n侧留下不可移动的带正电的杂质离子，内建电场）。太阳光照射表面，三个区均可以产生电子-空穴对，在内建电场的作用下，p侧聚集空穴对应电源的正极，n侧聚集电子对应电源的负极，如果有外电路，电流就会从p侧流向n侧。

太阳能电池最小的单元称为单体，典型工作电压值048V，工作电流25mA/cm2，无法满足负载的需求，如图2所示。根据负载的要求对太阳能电池单体进行串联可以输出较大的电压，将单体进行并联可以输出较大的电流。这也是生活中常见的太阳能电池板，一般包括以下几部分：铝质边框、玻璃表层、太阳能电池、底层材料及层之间的EVA黏胶。单体串并联封装成品称为组件，组件在经过串并联在活动或者固定支架上称为太阳能电池方阵，如图2所示。常见的将单体进行均匀分割2份或者4等份进行重新矩阵排布。根据电学知识，单体被分成2片，工作电压不变，工作电流会减半，即工作电流与面积呈正比，功率不变。比如，单体分成2片，用36片（4×9）串联排布就可以输出17V的电压为12V的蓄电池充电。在铝框封装时，电池片间距约2mm左右，左右边距约15mm，上下边距约40mm。比如要设计一块90W的太阳能电池组件为12V蓄电池充电，现在工厂有单片最大工作电压05V，最大工作电流8A，问该组件的设计规格？根据已知条件，单片输出功率为4W，这需要单片的数量应该是90/4约23片单体，再看电压的要求12V的蓄电池要求太阳能电池组件的最大峰值电压为20V左右，所以将单体2等份，这样等份的话电压不变，则串联就可以输出46×0.5约23V的电压值给12V的蓄电池充电。输出功率4×26约104W满足负载功率的要求，可以采用2×23排布方式进行组件设计。

2 太阳能电池方阵的设计

太阳能电池方阵一般有三种排布方式：串联组合、并联组合和串并联混合。串联时，每个组件需要并联旁路二极管。二极管的p侧连太阳能电池的负极，n侧连正极，当太阳能电池正常工作时，二极管不导通，但是当组件出现故障时，二极管与其他太阳能电池之间串联变成P侧连正极，n侧连负极刚好导通，这样回路中的电流经二极管绕过坏掉的不工作的太阳能组件继续，整个方阵正常供电，所以该位置的二极管称为旁路二极管。串联防反充二极管，即正极连pn结p侧负极连pn结n侧，电池板正常pn结导通，如果反向施压则pn结反偏，电路不通起到防反充作用。电池组件如果局部被树叶或者鸟类粪便覆盖，就像反偏的二极管，p侧连电源的负极而n侧连电源的正极，相当于一个很大的电阻进而压降也很大，最终导致发热严重时会破坏组件（玻璃受热膨胀等），因此方阵位于相对空旷的地方，定时清洁太阳能电池板，避免热斑现象的产生。

一个组件最大输出功率108W，最大工作电压是36.2V，如果负载要求功率是30kW，所需直流电压是512V，组件应该怎么设计。首先根据负载功率要求算出组件的块数，30kW/108W得277块电池组件，又根据负载电压要求512V/36.2V约为14块串联，这样就可以算出并联个数约20块。大致计算之后可以得到该组合为14串20并的方阵，总块数为280块，最大输出功率为280×108W約为30.2kW。又如某一发电系统采用直流供电，负载工作电压为48V，用电量为150Ah，该地区最低辐照水平在12月份，其倾斜面峰值日照时数为3.5h，如果用功率为125W（工作电压34.2V，工作电流3.65A）的电池组件，如何设计？（假设组件损耗系数是09，蓄电池充电效率为0.9）首先根据电压可以算出串联数即48/（0.9×0.9×34.2）约等于2块，然后根据用电量算出并联块数150/（3.5×3.65×0.9×0.9）约为15块。则改系统为2串15并的系统，最大输出功率为3.75kW。

3 太阳能电池组件和方阵研究现状

光伏组件的性能直接决定了光伏发电系统的发电能力。调查显示，30%的光伏发电站在运营3年后都会不同程度出现功率大幅衰减现象，绝大部分是因为光伏板隐裂问题。什么是光伏板隐裂现象呢？隐裂是太阳能光伏单片组合在封装过程中或者封装后收到较大的机械应力或者过热，就会出现肉眼无法辨别的细裂纹，就会导致电池片不工作。因此隐裂的原因有：生产线工艺参数不严谨。光伏组件生产要经过近10项工序，每道工序都有他们的参数要求，如果参数控制不严谨就会导致隐裂;生产设备本身会对电池片产生直接的力的作用，机械臂精度不够也会造成隐裂现象;目前没有完整的自动化生产线，部分工序需要人工操作，比如EVA胶的涂抹，手指按压不当也会造成隐裂;封装好的组件在运输过程中如果遭到野蛮搬运或者安装不规范也会对组件造成伤害进而形成隐裂。另外，光伏阵列所在的区域的气候环境的剧烈变化也会对组件造成伤害，形成隐裂。隐裂为什么会让光伏组件发电性能急剧下降呢？隐裂的太阳能电池片可能在2—3年之后就不能正常工作了，那么此时的太阳能片就相当于一个反偏的二极管，阻值较大，消耗的功率大就会发热形成热板，比正常电池片温度高10～20摄氏度，严重时会让电池组件破裂，整个组件不能正常工作。

4 结语

组件的性能直接决定了光伏发电系统的效率，而负载的需求决定了组件的配置和安装。组件主要有单片的串并联而成，最终铝框封装。单片在分割过程中遵循最大工作电压不变，最大工作电流与面积呈正比的原则。组件通過串联、并联或者串并联的方式输出负载需求的电压、电流和功率，称之为方阵。方阵利用旁路二极管和防反充二极管尽可能保护发电方阵的稳定性。

参考文献：

[1]徐惠.浅析太阳能光伏组件隐裂的影响及控制措施[J].2020，8：70-72.

[2]张伟，田守森，张庆辉，张群芳.顺兴大桥太阳能综合应用方案的设计探索[J].2020，8：172-174.

[3]马玉英，任现坤，王晓红.铝边框结构对太阳能组件发电性能影响的研究[J].2020，10：129-131.

[4]杨晓君，徐振华，陈冲，韩玉杰，任现坤.多晶黑硅太阳能组件性能的优化[J].2020，7：1464-1467.

[5]朱明海，吴战宇，姜庆海，黄毅，周寿斌.浅谈太阳能路灯用控制器[J].2020，1：38-42.

[6]吴越.碲化镉薄膜太阳能组件与光伏建筑一体化—龙焱能源光电建筑的新尝试[J].2020，8：123-124.

基金项目：安徽科技学院智慧课堂课题（课题编号：Xj 201843）;安徽科技学院重点教研项目课题（课题编号：X2019 030）;安徽省级重点教研项目（2020jyxm1378）

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