太陽能電池組件及方陣的研究和設(shè)計

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

　　本文源自王娜; 樊曉宇; 左緒忠; 劉春見， 科技風(fēng) 發(fā)表時間：2021-04-08《科技風(fēng)》是經(jīng)科技部和國家新聞出版總署批準(zhǔn)的大型綜合類科技期刊。國內(nèi)統(tǒng)一刊號CN13-1322/N，國際刊號ISSN1671-7341，郵發(fā)代號：18-38(全國郵局均可訂閱)。《科技風(fēng)》(半月刊)創(chuàng)刊于1988年，是經(jīng)科技部和國家新聞出版總署批準(zhǔn)的大型綜合類科技期刊。成立至今，經(jīng)過幾十年發(fā)展，現(xiàn)設(shè)有北京、石家莊兩個運(yùn)營中心，業(yè)務(wù)范圍涵蓋期刊出版、網(wǎng)絡(luò)傳播、公關(guān)咨詢、講座培訓(xùn)、出版服務(wù)等多個領(lǐng)域，聚合了大批相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者及一線專業(yè)工作人員，特別是在教育科技、科學(xué)學(xué)科和汽車科技領(lǐng)域有著廣泛影響。

　　關(guān)鍵詞: 太陽能電池; 光伏組件; 光伏方陣

　　目前，我國資源枯竭現(xiàn)象明顯。東北集中了我國 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。國內(nèi)生態(tài)環(huán)境日趨惡化。長期的傳統(tǒng)能源消耗，人造氣體增加。以地球?yàn)檠芯繉ο螅柟廨椛錇槲鼰幔厍蜉椛錇榉艧帷⑽蘸头艧幔驗(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時間霧霾、地下水層污染和食品添加劑的長期使用，最近幾年，肝癌、胃癌和肺癌等癌癥將會越來越普遍。

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

　　為此，國家首先在東北進(jìn)行經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型試點(diǎn)。2001 年阜新被設(shè)為首個資源枯竭城市，2007 年東北進(jìn)入全面“生態(tài)文明”建設(shè)，即以較低的資源代價和環(huán)境代價換取較高的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度。2010 年，國務(wù)院常務(wù)會議審議并原則通過加快新興產(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，未來還會繼續(xù)下降。

　　1 太陽能電池組件的設(shè)計

　　太陽能電池簡單地說就是一個 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)留下不可移動的帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，n 側(cè)留下不可移動的帶正電的雜質(zhì)離子，內(nèi)建電場) 。太陽光照射表面，三個區(qū)均可以產(chǎn)生電子-空穴對，在內(nèi)建電場的作用下，p 側(cè)聚集空穴對應(yīng)電源的正極，n 側(cè)聚集電子對應(yīng)電源的負(fù)極，如果有外電路，電流就會從 p 側(cè)流向 n 側(cè)。

　　太陽能 電 池 最 小 的 單 元 稱 為 單 體，典型工作電壓值 0. 48V，工作電流 25mA/cm2 ，無法滿足負(fù)載的需求，如圖 2 所示。根據(jù)負(fù)載的要求對太陽能電池單體進(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。這也是生活中常見的太陽能電池板，一般包括以下幾部分: 鋁質(zhì)邊框、玻璃表層、太陽能電池、底層材料及層之間的 EVA 黏膠。單體串并聯(lián)封裝成品稱為組件，組件在經(jīng)過串并聯(lián)在活動或者固定支架上稱為太陽能電池方陣，如圖 2 所示。常見的將單體進(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，單體被分成 2 片，工作電壓不變，工作電流會減半，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，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)計一塊 90W 的太陽能電池組件為 12V 蓄電池充電，現(xiàn)在工廠有單片最大工作電壓 0. 5V，最大工作電流 8A，問該組件的設(shè)計規(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。

　　2 太陽能電池方陣的設(shè)計

　　太陽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，每個組件需要并聯(lián)旁路二極管。二極管的 p 側(cè)連太陽能電池的負(fù)極，n 側(cè)連正極，當(dāng)太陽能電池正常工作時，二極管不導(dǎo)通，但是當(dāng)組件出現(xiàn)故障時，二極管與其他太陽能電池之間串聯(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)二極管繞過壞掉的不工作的太陽能組件繼續(xù)，整個方陣正常供電，所以該位置的二極管稱為旁路二極管。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葉或者鳥類糞便覆蓋，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)重時會破壞組件( 玻璃受熱膨脹等) ，因此方陣位于相對空曠的地方，定時清潔太陽能電池板，避免熱斑現(xiàn)象的產(chǎn)生。

　　一個組件最大輸出功率 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。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)個數(shù)約 20 塊。大致計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? ( 假設(shè)組件損耗系數(shù)是 0. 9，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 3 年后都會不同程度出現(xiàn)功率大幅衰減現(xiàn)象，絕大部分是因?yàn)楣夥咫[裂問題。什么是光伏板隱裂現(xiàn)象呢? 隱裂是太陽能光伏單片組合在封裝過程中或者封裝后收到較大的機(jī)械應(yīng)力或者過熱，就會出現(xiàn)肉眼無法辨別的細(xì)裂紋，就會導(dǎo)致電池片不工作。因此隱裂的原因有: 生產(chǎn)線工藝參數(shù)不嚴(yán)謹(jǐn)。光伏組件生產(chǎn)要經(jīng)過近 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)就會導(dǎo)致隱裂; 生產(chǎn)設(shè)備本身會對電池片產(chǎn)生直接的力的作用，機(jī)械臂精度不夠也會造成隱裂現(xiàn)象; 目前沒有完整的自動化生產(chǎn)線，部分工序需要人工操作，比如 EVA 膠的涂抹，手指按壓不當(dāng)也會造成隱裂; 封裝好的組件在運(yùn)輸過程中如果遭到野蠻搬運(yùn)或者安裝不規(guī)范也會對組件造成傷害進(jìn)而形成隱裂。另外，光伏陣列所在的區(qū)域的氣候環(huán)境的劇烈變化也會對組件造成傷害，形成隱裂。隱裂為什么會讓光伏組件發(fā)電性能急劇下降呢? 隱裂的太陽能電池片可能在 2—3 年之后就不能正常工作了，那么此時的太陽能片就相當(dāng)于一個反偏的二極管，阻值較大，消耗的功率大就會發(fā)熱形成熱板，比正常電池片溫度高 10 ～ 20 攝氏度，嚴(yán)重時會讓電池組件破裂，整個組件不能正常工作。

　　4 結(jié)語

　　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。