《光伏電池板與系統(tǒng)》PPT課件

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1、 典 型 的 晶 體 硅 電 池板 ， 為 偏 遠(yuǎn) 地 區(qū) 供電 。 低 鐵 玻 璃前 表 面 材 料光 伏 組 件 的 前 端 表 面 必 須 對(duì) 那 些 能 夠 被 電 池 吸 收 的 光 線 保 持 高 透 明 度 。 對(duì) 于 硅 太陽(yáng) 能 電 池 ， 其 前 端 表 面 必 須 能 透 過(guò) 波 長(zhǎng) 范 圍 為 350nm到 1200nm的 光 。 此 外 ， 前端 表 面 對(duì) 光 的 反 射 率 必 須 很 低 。 盡 管 理 論 上 這 些 反 射 可 以 通 過(guò) 在 表 面 鋪 上 減 反 射膜 來(lái) 降 低 ， 但 是 實(shí) 際 上 ， 對(duì) 于 大 多 數(shù) 光 伏 組 件 所 處 的

2、 環(huán) 境 來(lái) 說(shuō) ， 這 些 膜 顯 然 還 不夠 耐 用 。 取 而 代 之 的 ， 是 使 表 面 粗 糙 化 或 進(jìn) 行 制 絨 。 然 而 ， 這 樣 會(huì) 使 得 塵 埃 和 污染 物 停 留 在 表 面 的 可 能 性 增 大 ， 也 沒 那 么 容 易 被 風(fēng) 和 雨 水 沖 走 。 這 些 組 件 也 因 幾 種 類 型 的 硅 光 伏 組 件 。 圓 形 電 池 和 方 形電 池 的 封 裝 密 度 。當(dāng) 組 件 中 電 池 排 列 較 稀 疏 時(shí) ， 露 出 的 空 白 背 面 同 樣 能 夠 少 量 增 加 電 池 的 輸 出 ， 因?yàn)?“ 零 深 度 聚 光 ” 效 應(yīng)

3、的 影 響 ， 如 下 圖 所 示 。 一 些 射 入 到 電 池 與 電 池 之 間 的 空 白區(qū) 域 和 射 到 電 極 上 的 光 ， 被 散 射 后 又 傳 到 電 池 表 面 。 玻 璃 電 極密 封 層 （ EVA） 白 色 的 背 表 面 典 型 的 組 件 由 36塊 電 池 串 聯(lián) 而 成在 典 型 的 組 件 中 ，36塊 電 池 串 聯(lián) 起來(lái) 以 使 輸 出 的 電壓 足 以 為 12V的電 池 充 電雖 然 光 伏 組 件 的 電 壓 大 小 決 定 于 電 池 的 數(shù) 量 ， 但 是 組 件 的 輸 出 電 流 卻 決 定 于 單 個(gè)太 陽(yáng) 能 電 池 的 尺 寸 大

4、 小 和 它 們 的 轉(zhuǎn) 換 效 率 。 在 AM1.5和 最 優(yōu) 傾 斜 角 度 下 ， 商 用 電 1-nkT/NVqexpIM-IMI TOLT式 中 ， N表 示 串 聯(lián) 電 池 的 個(gè) 數(shù) ， M為 并 聯(lián) 電 池 的 個(gè) 數(shù) ， IT為 電 路 的 總 電 流 ， VT電 路 的 總 電 壓 ，Io是 單 個(gè) 電 池 的 飽 和 電 流 ， IL是 單 個(gè) 電 池 的 短 路 電 流 ， n是 單 個(gè) 電 池 的 理 想 填 充 因 子 ， 而 q、k和 T則 為 常 數(shù) 。 由 一 系 列 相 同 的 電 池 連 接 而 成 的 總 電 路 的 IV曲 線 如 下 圖 所 示 。

5、N個(gè) 電 池 串 聯(lián) ， M個(gè)電 池 并 聯(lián) 的 電 路 IV曲 線 。 組 件 局 部 被 陰 影 遮住 是 引 起 光 伏 組 件錯(cuò) 配 的 主 要 原 因當(dāng) 組 件 中 的 一 個(gè) 太 陽(yáng) 能 電 池 的 參 數(shù) 與 其 它 的 明 顯 不 同 時(shí) ， 錯(cuò) 配 現(xiàn) 象 就 會(huì) 發(fā) 生 。 由錯(cuò) 配 造 成 的 影 響 和 電 能 損 失 大 小 決 定 于 ：光 伏 組 件 的 工 作 點(diǎn) . 理 想 太 陽(yáng) 能 電 池 和 非 理 想 太陽(yáng) 能 電 池 的 比 較 。 最 大 的 錯(cuò)配 差 異 是 當(dāng) 電 壓 被 反 向 偏 壓的 時(shí) 候 造 成 的 。 反 向 電 壓 很 高 時(shí) ，

6、 pn結(jié)可 能 被 擊 穿并 聯(lián) 電 阻 引起 的 下 降電 池 消 耗 的 能 量 非 理 想 太 陽(yáng) 能 電 池電 池 產(chǎn) 生 的 能 量電 池 消 耗 的 能 量 串 聯(lián) 電 阻 引 起 的 額 外 下 降理 想 太 陽(yáng) 能 電 池 串 聯(lián) 電 池 的 開 路 電 壓 錯(cuò) 配 是 一 種 比 較 不 嚴(yán) 重 的 錯(cuò) 配 類 型 。 正 如 下 面 動(dòng) 畫 所 展 示 的那 樣 ， 在 短 路 電 流 處 ， 光 伏 組 件 輸 出 的 總 電 流 是 不 受 影 響 的 。 而 在 最 大 功 率 點(diǎn) 處 ，總 的 功 率 卻 減 小 了 ， 因 為 “ 問(wèn) 題 ” 電 池 產(chǎn) 生 的

7、能 量 較 少 。 因 為 兩 個(gè) 電 池 是 串 聯(lián) 起來(lái) 的 ， 所 以 流 經(jīng) 兩 個(gè) 電 池 的 電 流 是 一 樣 的 ， 而 總 的 電 壓 則 等 于 每 個(gè) 電 池 的 電 壓 之和 。 串 聯(lián) 電 池 的 短 路 電 流 錯(cuò) 配 取 決 于 組 件 所 處 的 工 作 點(diǎn) ， 以 及 電 池 錯(cuò) 配 的 程 度 。 短 路電 流 錯(cuò) 配 對(duì) 光 伏 組 件 有 重 大 影 響 。 如 下 面 動(dòng) 畫 所 示 ， 在 開 路 電 壓 處 ， 短 路 電 流 的下 降 對(duì) 電 池 影 響 相 對(duì) 較 小 。 即 開 路 電 壓 只 產(chǎn) 生 了 微 小 的 變 化 ， 因 為 開

8、路 電 壓 與 短路 電 流 成 對(duì) 數(shù) 關(guān) 系 。 然 而 ， 由 于 穿 過(guò) 電 池 的 電 流 是 一 樣 的 ， 所 以 兩 者 結(jié) 合 的 總 電流 不 能 超 過(guò) 有 問(wèn) 題 電 池 的 電 流 ， 這 種 情 況 在 低 電 壓 處 比 較 容 易 發(fā) 生 ， 好 電 池 產(chǎn) 生的 額 外 電 流 并 不 是 被 每 一 個(gè) 電 池 所 抵 消 ， 而 是 被 問(wèn) 題 電 池 所 抵 消 了 （ 通 常 在 短 路電 流 處 也 會(huì) 發(fā) 生 ） 。總 的 來(lái) 說(shuō) ， 在 有 電 流 錯(cuò) 配 的 串 聯(lián) 電 路 中 ， 嚴(yán) 重 的 功 率 損 失 一 般 發(fā) 生 在 問(wèn) 題 電 池

9、 產(chǎn) 兩 個(gè) 串 聯(lián) 電 池 的電 流 錯(cuò) 配 有 時(shí) 會(huì)相 當(dāng) 嚴(yán) 重 且 非 常普 遍 。 串 聯(lián) 的 電流 受 到 問(wèn) 題 電 池的 電 流 限 制 。 動(dòng)畫 中 ， 電 池 的輸 出 電 壓 比 電 池 的 高 。 兩 線 交 點(diǎn) 的 電 流 表 示 串 聯(lián) 電 路 的 短 路 電 流 ， 這 是 計(jì) 算串 聯(lián) 電 池 的 錯(cuò) 配 短 路 電 流 的 一 個(gè) 簡(jiǎn) 單 方 法 。串 聯(lián) 電 路 的 短 路 電 流 如 果 組 件 的 首 尾 都 連 接 起 來(lái) 了 ， 來(lái) 自 那 些 沒 被 陰 影 遮 擋 的 電 池 的 電能 將 被 問(wèn) 題 電 池 所 抵 消 。 個(gè) 電 池 沒 被

10、 遮 擋 個(gè) 串 聯(lián) 電 池 一 個(gè) 電 池 被 遮 擋如 果 串 聯(lián) 電 路 的 工 作 電 流 大 小 接 近 于 “ 問(wèn) 題 ” 電 池 的 短 路 電 流 ， 電 路 總 電 流 將 受到 問(wèn) 題 電 池 的 限 制 。 則 好 電 池 產(chǎn) 生 的 額 外 電 流 （ 比 問(wèn) 題 電 池 高 出 的 那 部 分 電 流 ）將 變 成 好 電 池 的 前 置 偏 壓 。 如 果 串 聯(lián) 電 池 被 短 路 ， 則 所 有 好 電 池 的 前 置 偏 壓 都 將變 成 問(wèn) 題 電 池 的 反 向 電 壓 。 當(dāng) 數(shù) 量 很 多 的 串 聯(lián) 電 池 一 起 把 前 置 偏 壓 變 成 問(wèn) 題

11、 電 池的 反 向 電 壓 時(shí) ， 在 問(wèn) 題 電 池 處 將 會(huì) 有 大 的 能 量 耗 散 ， 這 就 是 熱 點(diǎn) 加 熱 現(xiàn) 象 。 基 本上 所 有 好 電 池 的 總 的 發(fā) 電 能 力 都 被 問(wèn) 題 電 池 給 抵 消 了 。 巨 大 的 能 量 消 耗 在 一 片 小小 的 區(qū) 域 ， 局 部 過(guò) 熱 就 會(huì) 發(fā) 生 ， 或 者 叫 “ 熱 點(diǎn) ” ， 它 反 過(guò) 來(lái) 也 會(huì) 導(dǎo) 致 破 壞 性 影 響 ，例 如 電 池 或 玻 璃 破 碎 、 焊 線 熔 化 或 電 池 的 退 化 。 。 連 接 旁 路 二極 管 的 電 池沒 接 旁 路 二 極管 的 電 池然 而 ， 實(shí)

12、 際 上 如 果 每 個(gè) 電 池 都 連 接 一 個(gè) 二 極 管 的 話 ， 成 本 會(huì) 很 高 ， 所 以 一 般 改 為一 個(gè) 二 極 管 連 接 幾 個(gè) 電 池 。 穿 過(guò) “ 問(wèn) 題 ” 電 池 的 電 壓 大 小 等 于 其 它 串 聯(lián) 電 池 （ 即與 問(wèn) 題 電 池 共 享 一 個(gè) 二 極 管 的 電 池 ） 的 前 置 偏 壓 加 上 二 極 管 的 電 壓 ， 如 下 圖 所 示 。那 些 好 電 池 的 電 壓 大 小 決 定 于 問(wèn) 題 電 池 的 問(wèn) 題 嚴(yán) 重 程 度 。 例 如 ， 如 果 一 個(gè) 電 池 完全 被 陰 影 遮 住 了 ， 那 些 沒 有 陰 影 的

13、 電 池 會(huì) 應(yīng) 短 路 電 流 而 導(dǎo) 致 正 向 電 壓 偏 置 ， 而 電 連 接 電 池 組 的 旁 路 二極 管 。 穿 過(guò) 好 電 池 的電 壓 大 小 決 定 于 問(wèn) 題電 池 的 問(wèn) 題 嚴(yán) 重 程 度 。右 圖 中 ， 0.5V只 是 任意 取 的 數(shù) 值 。 電 池 之 間 并 聯(lián) 。 穿 過(guò) 每個(gè) 電 池 的 電 壓 總 是 相 等的 ， 電 路 的 總 電 流 等 于每 個(gè) 電 池 之 和 。 在 動(dòng) 畫 中 ， 電 池 2的 輸 出 電流 小 于 電 池 1。 錯(cuò) 配 對(duì) 電 流的 影 響 不 大 ， 總 的 電 流 總 是比 單 個(gè) 電 池 電 流 高 。 兩 個(gè)

14、并 聯(lián) 電 池 的 電 壓 錯(cuò) 配 。電 池 2的 電 壓 的 增 加 事 實(shí) 上降 低 了 好 電 池 的 開 路 電 壓 。 有 個(gè) 簡(jiǎn) 單 的 方 法 可 以 計(jì) 算 錯(cuò) 配 并 聯(lián) 電 池 的 開 路 電 壓 ，即 在 坐 標(biāo) 圖 中 以 電 壓 為 自 變 量 畫 出 IV曲 線 ， 則 兩 線 的交 點(diǎn) 就 是 并 聯(lián) 電 路 的 開 路 電 壓 。 大 型 光 伏 陣 列 中 的 潛在 錯(cuò) 配 效 應(yīng) 。 盡 管 所有 的 組 件 都 是 一 樣 的 ，且 陣 列 中 沒 有 電 池 被陰 影 遮 住 ， 但 仍 然 可能 出 現(xiàn) 熱 點(diǎn) 加 熱 現(xiàn) 象 。 開 路 來(lái) 自 并

15、聯(lián) 電路 的 電 流 減小 了 1/4左 邊 的 陣 列 在 電 路 結(jié) 構(gòu) 上 相 當(dāng)與 右 邊 的 電 路 ， 即 右 邊 的 每 個(gè)電 池 的 電 壓 等 于 左 邊 每 個(gè) 電 池的 2倍 ， 電 流 為 4倍 。 旁 路 二 極 管 的 一 側(cè)的 電 阻 可 能 更 低低 電 阻 導(dǎo)致 大 電 流 被 遮 擋的 組 件并 聯(lián) 組 件 中 的 旁路 二 極 管 。 阻 塞 二 極 管 在 并 聯(lián) 組 件中 的 作 用 。 問(wèn) 題 電 池 組 的 阻塞 二 極 管 阻 止 了電 流 從 旁 邊 的 電池 組 流 向 問(wèn) 題 電池 組 。阻 塞 二 極 管 旁路二極管 組 件 的 工 作

16、溫 度 決 定 于 組 件 產(chǎn) 生 的 熱 量 、 向 外 傳 輸 的 熱 量 和 周 圍 環(huán) 境 的 溫 度 之 間的 平 衡 。 而 組 件 產(chǎn) 生 的 熱 量 決 定 于 組 件 所 在 的 工 作 點(diǎn) 、 組 件 的 光 學(xué) 特 性 和 電 池 的封 裝 密 度 。 組 件 向 外 散 發(fā) 熱 量 可 以 分 為 三 個(gè) 過(guò) 程 ： 傳 導(dǎo) 、 對(duì) 流 和 輻 射 。 這 些 散 發(fā)過(guò) 程 決 定 于 組 件 材 料 的 熱 阻 抗 、 組 件 的 發(fā) 光 特 性 和 組 件 所 處 的 環(huán) 境 條 件 （ 特 別 是風(fēng) 速 ） ， 我 們 將 在 下 面 幾 節(jié) 中 討 論 這 些

17、因 素 。 組 件 表 面 的 空 氣流 動(dòng) 引 起 熱 對(duì) 流組 件 向 外 輻 射電 磁 波 熱 傳 導(dǎo) 發(fā) 生 在 熱量 從 一 塊 材 料 傳到 另 一 塊 材 料太 陽(yáng) 光 加熱 組 件熱 傳 導(dǎo) 導(dǎo) 致 熱 損 失 是 由 于 光 伏 組 件 與 其 它 相 互 接 觸 的 材 料 （ 包 括 周 圍 空 氣 ） 存 在 熱 梯 度 。光 伏 組 件 向 外 傳 導(dǎo) 熱 的 能 力 可 以 通 過(guò) 電 池 封 裝 材 料 的 熱 阻 抗 和 材 料 結(jié) 構(gòu) 來(lái) 描 述 。 熱 量 的傳 導(dǎo) 形 式 與 電 路 中 電 流 的 傳 導(dǎo) 形 式 很 相 似 。 對(duì) 于 熱 傳 導(dǎo) ，

18、材 料 之 間 的 溫 度 差 異 驅(qū) 使 熱 量從 高 溫 流 向 低 溫 區(qū) 域 ， 類 似 的 ， 因 為 電 路 兩 區(qū) 域 存 在 電 勢(shì) 差 才 導(dǎo) 致 電 子 的 流 動(dòng) 。 因 此 ，溫 度 與 熱 量 的 關(guān) 系 可 以 通 過(guò) 下 面 的 方 程 給 出 ， 這 有 點(diǎn) 類 似 于 流 經(jīng) 一 電 阻 的 電 流 與 電 壓 的關(guān) 系 。 假 設(shè) 材 料 的 構(gòu) 成 是 均 勻 一 致 的 ， 且 狀 態(tài) 穩(wěn) 定 ， 則 熱 傳 導(dǎo) 與 溫 度 之 間 的 方 程 為 ： 組 件 與 外 部 環(huán)境 的 溫 度 差 隨著 太 陽(yáng) 光 照 強(qiáng)度 的 增 加 而 變大 。最 好

19、的 組 件 、 最 差 的 組 件 以 及 典 型 的 組 件 的 額 定 工 作 溫 度 NOCT分 別 為 33 C、58 C和 48 C。 計(jì) 算 電 池 溫 度 的 近 似 方 程 為 ： CSNOCT 80 20TT AIRcell式 中 ， S=光 強(qiáng) ， 單 位 mW/cm2.風(fēng) 速 更 高 時(shí) ， 組 件 溫 度 將 會(huì) 下 降 ， 反 之 ， 當(dāng) 風(fēng) 速為 零 時(shí) 溫 度 將 更 高 。 電 池 與 電 池 的 間 隙 將 擴(kuò) 大 一 定 距 離 ： =( GC- CD) T式 中 G C分 別 是 玻 璃 和 電 池 的 膨 脹 系 數(shù) ， D為 電 池 的 寬 度 ， C

20、為 電 池 中 心 點(diǎn) 的 距離 ， 如 上 圖 所 示 。 通 常 ， 電 池 之 間 的 連 接 線 是 成 圓 形 的 （ 如 圖 ） ， 以 盡 量 減 小 周期 應(yīng) 力 。 連 接 線 一 般 為 雙 層 以 防 止 被 這 種 應(yīng) 力 破 壞 。 出 來(lái) 這 種 互 聯(lián) 壓 力 外 ， 幾 乎所 有 的 組 件 交 界 面 都 會(huì) 受 到 與 溫 度 有 關(guān) 的 周 期 應(yīng) 力 的 影 響 ， 且 可 能 最 終 導(dǎo) 致 組 件脫 落 。 組 件 框 架 可能 發(fā) 生 的 扭曲 。由 澳 大 利 亞 標(biāo) 準(zhǔn) AS4509-1999設(shè) 定 的 標(biāo) 準(zhǔn) 包 括 ：靜 負(fù) 荷 3.9Kp

21、a 1小 時(shí) ， 力 從 前 表 面 指 向 背面 （ 相 當(dāng) 于 200km/hr的 風(fēng) ）動(dòng) 負(fù) 荷 2.5kpa， 從 前 表 面 指 向 背 面 ， 超 過(guò)2500-10000次 （ 相 當(dāng) 于 160km/hr的 風(fēng) ）冰 雹 沖 擊 損 壞 直 徑 2.5cm速 度 23.2m/s的 冰雹 沖 擊 （ 80km/hr） 已 退 化 或 損 壞 的 的 光 伏組 件 樣 品 。 圖 中 顯 示 了水 蒸 氣 的 侵 蝕 導(dǎo) 致 了 電池 減 反 射 膜 退 化 ?？?逆 轉(zhuǎn) 的 輸 出 功 率 減 退光 伏 組 件 的 輸 出 功 率 減 退 也 可 能 是 由 可 逆 轉(zhuǎn) 的 因

22、素 導(dǎo) 致 的 。 比 如 ， 部 分 表 面 被 從地 上 長(zhǎng) 出 的 樹 給 遮 住 了 ， 或 者 表 面 粘 有 泥 土 （ 光 伏 組 件 通 常 會(huì) 因 表 面 的 泥 土 而 損失 大 約 10%的 輸 出 功 率 ） 。 一 個(gè) 組 件 可 能 已 經(jīng) 退 化 了 ， 或 者 組 件 之 間 的 互 聯(lián) 可 能改 變 了 光 伏 陣 列 的 工 作 點(diǎn) 。 但 是 ， 在 那 些 因 素 被 改 正 后 ， 這 些 功 率 退 化 都 是 可 逆的 。 光 伏 組 件 的 惡 化 和 退 化退 化 機(jī) 制 即 可 能 是 由 于 時(shí) 間 的 流 逝 而 導(dǎo) 致 整 體 輸 出 功 率 的 減 小 ， 也 可 能 是 由 于 組 件 中 個(gè) 別太 陽(yáng) 能 電 池 的 惡 化 而 導(dǎo) 致 總 輸 出 功 率 的 減 小 。電 池 的 退 化引 起 電 池 組 件 的 整 體 退 化 的 因 素 ：電 極 接 觸 面 積 的 減 小 和 腐 蝕 （ 通 常 由 水 蒸 氣 引 起 ） 導(dǎo) 致 RS增 加穿 過(guò) pn結(jié) 的 金 屬 漂 移 使 Rsh減 小減 反 射 膜 的 退 化 斷 裂 的 電 池 ， 圖 中 說(shuō) 明了 互 聯(lián) 母 線 是 怎 樣 阻 止開 路 現(xiàn) 象 出 現(xiàn) 。