第6章 光伏电池板与系统.
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低铁玻璃
2021/7/13
UNSW新南威尔士大学
4
§ 6.2.2 电池板的设计 封装的材料
前表面材料
光伏组件的前端表面必须对那些能够被电池吸收的光线保 持高透明度。对于硅太阳能电池，其前端表面必须能透过波 长范围为350nm到1200nm的光。此外，前端表面对光的反 射率必须很低。尽管理论上这些反射可以通过在表面铺上减 反射膜来降低，但是实际上，对于大多数光伏组件所处的环 境来说，这些膜显然还不够耐用。取而代之的，是使表面粗 糙化或进行制绒。然而，这样会使得尘埃和污染物停留在表 面的可能性增大，也没那么容易被风和雨水冲走。这些组件 也因此失去了“自我清洁”的功能，减小反射的优势也迅速 被表面不断增加的污染物所引起的损失给抵消了。
两个串联电池的电流错配 有时会相当严重且非常普遍。 串联的电流受到问题电池的电 流限制。动画中，电池２的输 出电压比电池１的高。
第六章： 光伏电池板与系统
§ 6.1简介 § 6.2电池板设计 § 6.3互联效应 § 6.4温度效应 § 6.5其它问题 § 6.6电池板的寿命
2021/7/13
UNSW新南威尔士大学
1
§ 6.1 简介
一块太阳能电池板是由许多单个太阳 能电池连接而成的，这样能增加功率输出。 电池被封装起来以阻止来自周围环境的破 坏和防止人们触电。然而，电池板设计的 几个方面可能会减少功率输出或者降低使 用寿命。接下来的几节将讨论电池是怎样 被封装到板块里去的，以及讨论由于电池 相互连接和封装而引起的问题。电池互联 系统或阵列系统最主要的影响是：
在动画 中，电池２ 输出的电压 比电池１低。
2021/7/13
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21
§ 6.3.3 互联效应 串联电池的错配
串联电池的短路电流错配
串联电池的短路电流错配取决于组件所处的工作点，以 及电池错配的程度。短路电流错配对光伏组件有重大影响。 如下面动画所示，在开路电压处，短路电流的下降对电池影 响相对较小。即开路电压只产生了微小的变化，因为开路电 压与短路电流成对数关系。然而，由于穿过电池的电流是一 样的，所以两者结合的总电流不能超过有问题电池的电流， 这种情况在低电压处比较容易发生，好电池产生的额外电流 并不是被每一个电池所抵消，而是被问题电池所抵消了（通 常在短路电流处也会发生）。
2021/7/13
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6
§ 6.2.2 电池板的设计 封装的材料
密封层
密封材料是用来粘附组件中的太阳能电池、前表面和背 面的。密封材料应该在高温和强紫外线照射下保持稳定。当 然，材料还应该有良好的光透性和低热阻抗。EVA是最常使 用的密封材料。EVA板块被镶嵌在太阳能电池-顶端表层-背层 之间。之后把这种三明治结构加热到150°C，EVA熔化后把 组件的每一层都粘合在一起。
• 不匹配的电池之间的互联引起的损耗
• 电池板的温度
• 电池板的故障模式
2021/7/13
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2
§ 6.2.1 电池板的设计 电池板的结构
一块电池板由许多互相连接的电池（通常为 36块串联着的电池）组成。把互相连接的电池封 装起来的主要原因是为了保护它们和它们连接线 不受其周围环境的破坏。例如，由于太阳能电池 非常的薄，所以在缺乏保护的情况下很容易受到 机械损伤。此外，电池表面的金属网格以及连接 每个电池的金属线都有可能受到水或水蒸气的腐 蚀。而通过封装便能阻止这些破坏。比如，非晶 硅太阳能电池通常被封装在柔软的版块内，而在 偏远地区使用的晶体硅太阳能电池则通常保护在 刚硬的玻璃封装内，一般规定的硅太阳能电池板 的使用寿命为20年，可见组件封装的可靠性有多 高。
对于两个互相串联的电池来说，流过两者的电流大小是一样的。产 生的总电压等于每个电池的电压的总和。因为电流大小需要一致，所以 在电流中出现错配就意味着总的电流必须大小等于那个最小的值。
2021/7/13
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§ 6.3.3 互联效应 串联电池的错配
串联电池的开路电压错配
串联电池的开路电压错配是一种比较不严重的错配类型。 正如下面动画所展示的那样，在短路电流处，光伏组件输出的 总电流是不受影响的。而在最大功率点处，总的功率却减小了， 因为“问题”电池产生的能量较少。因为两个电池是串联起来 的，所以流经两个电池的电流是一样的，而总的电压则等于每 个电池的电压之和。
典型的晶体硅 电池板，为偏远地 区供电。
2021/7/13
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3
§ 6.2.2 电池板的设计 封装的材料
大多数晶体硅电池板都是由一块透明表层、一块密封板、 背板和围绕外围的框架。通常，透明表层是一层玻璃，密封层 材料是EVA（乙基醋酸乙烯），而背板则是一种Tedlar材料。如 下图所示。
2021/7/13
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14
§ 6.3.1. 互联效应 组件电路的设计
如果组件中的所有太阳能电池都有相同的电特性，并处在 相同的光照和温度下，则所有的电池都将输出相等的电流和电 压。在这种情况下，光伏组件的IV曲线的形状将和单个电池的 形状相同，只是电压和电流都增大了。则此电路的方程为：
组件局部被阴影遮住是引起 光伏组件错配的主要原因。
2021/7/13
17
§ 3.2 互联效应 错配效应
当组件中的一个太阳能电池的参数与其它的明显不同时， 错配现象就会发生。由错配造成的影响和电能损失大小决定于：
• 光伏组件的工作点 • 电路的结构布局 • 受影响电池的参数
一个电池与其余电池在IV曲线的上任何一处的差异都将引 起错配损耗。下图将展示电池的非理想IV曲线和工作环境。尽 管错配现象可能由电池参数的任何一部分所引起，但是严重的 错配通常都是由短路电流或开路电压的差异所引起的。错配的 影响大小同时取决于电路的结构和错配的类型，在下面的几节 中我们将有更详细的讨论。
15
§ 6.3.1. 互联效应 组件电路的设计
由一系列相同的电池连接而成的总电路的IV曲线如下图所示。
2021/7/13
N个电池串联，M个电池并联的电路IV曲线。
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16
§ 6.3.2 互联效应 错配效应
错配损耗是由互相连接的电池或组件没有相同的性能或者 工作在不同的条件下造成的。在工作条件相同的情况下，错配 损耗是一个相当严重的问题，因为整个光伏组件的输出是决定 于那个表现最差的电池的输出的。例如，在一块电池片被阴影 遮住而其它电池则没有的情况下，由那些“好” 电池所产生的 电能将被表现差的电池所抵消，而不是用于驱动电路。这反过 来还可能会导致局部电能的严重损失，而由此产生的局部加热 也可能引起对组件无法挽回的损失。
玻璃 密封层（EVA）
电极
2021/7/13
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§ 6.3.1. 互联效应 组件电路的设计
一块硅光伏电池板是通常是由多块太阳能电池互相串联 而成，以提高输出电压和输出电流。光伏组件的输出电压通常 被设计成与12伏蓄电池相融的形式。而在25°C和AM1.5条件 下，单个硅太阳能电池的输出电压只有0.6V。考虑到由于温度 造成的电池板电压损失和蓄电池所需要的充电电压可能达到 15V或者更多，大多数光伏组件由36块电池片组成。这样，在 标准测试条件下，输出的开路电压将达到21V，在工作温度下， 最大功率点处的工作电压大约为17V或18V。剩余的电压包括 由光伏系统中的其它因素造成的电压损失，例如电池在远离最 大功率输出点处工作和光强变弱。
ITM IL-M IO exp qV nk TT /N -1
式中，N表示串联电池的个数，M为并联电池的个数，IT 为电路的总电流，VT电路的总电压，Io是单个电池的饱和电流， IL是单个电池的短路电流，n是单个电池的理想填充因子，而q、 k和T则为常数。
2021/7/13
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2021/7/13
圆形电池和方形电池的封装密度。
UNSW新南威尔士大学
10 白色的背表面
§ 6.2.3 电池板的设计 封装密度
当组件中电池排列较稀疏时，露出的空白背面同样能够少 量增加电池的输出，因为“零深度聚光”效应的影响，如下图 所示。一些射入到电池与电池之间的空白区域和射到电极上的 光，被散射后又传到电池表面。
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8
§ 6.2.2 电池板的设计 封装的材料
框架
电池组件的最后一个结构组成部分是组件的边界或框架。 传统的光伏组件通常由铝制成，框架结构应该是平滑无凸起 状的，否则会导致水、灰尘或其它异物停留在上面。
2021/7/13
几种类型的硅光伏组件。
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§ 6.3.3 互联效应 串联电池的错配
因为大多数光伏组件都是串联形式的，所以串联错配是人 们最常遇到的错配类型。在两种最简单的错配类型中（短路电 流的错配和开路电压错配），短路电流的错配比较常见，它很 容易被组件的阴影部分所引起。同时，这种错配类型也是最严 重的。
2021/7/13
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22
§ 6.3.3 互联效应 串联电池的错配
总的来说，在有电流错配的串联电路中，严重的功率损失一 般发生在问题电池产生的电流小于好电池在最大功率点时的电流 的时候，或者当电池工作在短路电流或低电压处时，问题电池的 高功率耗散会对组件造成无法挽回的伤害。这些影响在下面的两 个动画都有描述。
2021/7/13
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12
§ 6.3.1. 互联效应 组件电路的设计
典型的组件由36块电池串联而成
2021/7/13
在典型的组件中，36块电池串联起来以使输 出的电压足以为12V的电池充电。
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13
§ 6.3.1. 互联效应 组件电路的设计
虽然光伏组件的电压大小决定于电池的数量，但是组件的 输出电流却决定于单个太阳能电池的尺寸大小和它们的转换效 率。在AM1.5和最优倾斜角度下，商用电池的电流密度大约在 30mA/cm2 到 36mA/cm2 之 间 。 单 晶 硅 电 池 的 面 积 通 常 为 100cm2，则总的输出电流大约为3.5A。多晶硅电池组件的电 池片面积更大但电流密度较低，因此输出自这些组件的短路电 流通常为4A左右。但是，多晶硅电池的面积可以有多种变化， 因此电流也可以有多种选择。组件的输出电流和电压并不受温 度的影响，但却容易受组件的倾斜角度的影响。
9
§ 6.2.3 电池板的设计 封装密度
在光伏组件中，太阳能电池的封装密度指的是被电池覆 盖的区域面积与空白区域面积的比。封装密度影响着电池的输 出功率以及电池温度。而封装密度的大小则取决于所使用电池 的形状。比如，单晶硅电池一般为圆形或半方形，而多晶硅电 池则通常为正方形。因此，如果单晶硅电池不是切割成方形的 话，单晶硅组件的封装密度将比多晶硅的低。有关封装强度的 几种选择，包括圆的和方的，在下图有介绍。
2021/7/13
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18
§ 6.3.2 互联效应 错配效应
. 反向电压很高时， pn结可能被击穿
并联电阻引 起的下降 电池消耗能量
理想太阳能电池 非理想太阳能电池
电池产生能量
电池消耗能量 串联电阻引起
的额外下降
理想太阳能电池和非理想太阳能电池的比较。最大的错配 差异是当电压被反向偏压的时候造成的。
2021/7/13
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5
§ 6.2.2 电池板的设计 封装的材料
除了减反射特性和透明特性，顶端表面材料还应该不 能透水，应该有好的耐冲击性，应该能在长时间的紫外线 照射下保持稳定，应该有低的热阻抗性。水或水蒸气在渗 入金属电极和连接线后会大大降低光伏组件的寿命。大多 数的组件的前端表面是用来增加机械强度和刚度的。对于 材料的的种类，可以有几种选择，包括丙烯酸、聚合物和 玻璃。其中含铁量低的玻璃是使用最广泛的，因为它成本 低、强度好、稳定、高度透明、不透水不透气同时还有自 我清洁功能。
2021/7/13
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7
§ 6.2.2 电池板的设计 封装的材料
背表面层
光伏组件的背表面层材料的最关键性质是必须拥有 低热阻抗性，同时必须能够阻止水和水蒸气的渗入。对于 大多数组件，薄的聚合物层特别是Tedlar，是背表面层的 首选材料。有些光伏组件被称为双面组件，被设计成电池 的正面和背面都能够接收光的照射。在双面电池组件中的 前表面和背表面都应该保持良好的光透性。
2021/7/13
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4
§ 6.2.2 电池板的设计 封装的材料
前表面材料
光伏组件的前端表面必须对那些能够被电池吸收的光线保 持高透明度。对于硅太阳能电池，其前端表面必须能透过波 长范围为350nm到1200nm的光。此外，前端表面对光的反 射率必须很低。尽管理论上这些反射可以通过在表面铺上减 反射膜来降低，但是实际上，对于大多数光伏组件所处的环 境来说，这些膜显然还不够耐用。取而代之的，是使表面粗 糙化或进行制绒。然而，这样会使得尘埃和污染物停留在表 面的可能性增大，也没那么容易被风和雨水冲走。这些组件 也因此失去了“自我清洁”的功能，减小反射的优势也迅速 被表面不断增加的污染物所引起的损失给抵消了。
两个串联电池的电流错配 有时会相当严重且非常普遍。 串联的电流受到问题电池的电 流限制。动画中，电池２的输 出电压比电池１的高。
第六章： 光伏电池板与系统
§ 6.1简介 § 6.2电池板设计 § 6.3互联效应 § 6.4温度效应 § 6.5其它问题 § 6.6电池板的寿命
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1
§ 6.1 简介
一块太阳能电池板是由许多单个太阳 能电池连接而成的，这样能增加功率输出。 电池被封装起来以阻止来自周围环境的破 坏和防止人们触电。然而，电池板设计的 几个方面可能会减少功率输出或者降低使 用寿命。接下来的几节将讨论电池是怎样 被封装到板块里去的，以及讨论由于电池 相互连接和封装而引起的问题。电池互联 系统或阵列系统最主要的影响是：
在动画 中，电池２ 输出的电压 比电池１低。
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§ 6.3.3 互联效应 串联电池的错配
串联电池的短路电流错配
串联电池的短路电流错配取决于组件所处的工作点，以 及电池错配的程度。短路电流错配对光伏组件有重大影响。 如下面动画所示，在开路电压处，短路电流的下降对电池影 响相对较小。即开路电压只产生了微小的变化，因为开路电 压与短路电流成对数关系。然而，由于穿过电池的电流是一 样的，所以两者结合的总电流不能超过有问题电池的电流， 这种情况在低电压处比较容易发生，好电池产生的额外电流 并不是被每一个电池所抵消，而是被问题电池所抵消了（通 常在短路电流处也会发生）。
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§ 6.2.2 电池板的设计 封装的材料
密封层
密封材料是用来粘附组件中的太阳能电池、前表面和背 面的。密封材料应该在高温和强紫外线照射下保持稳定。当 然，材料还应该有良好的光透性和低热阻抗。EVA是最常使 用的密封材料。EVA板块被镶嵌在太阳能电池-顶端表层-背层 之间。之后把这种三明治结构加热到150°C，EVA熔化后把 组件的每一层都粘合在一起。
• 不匹配的电池之间的互联引起的损耗
• 电池板的温度
• 电池板的故障模式
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§ 6.2.1 电池板的设计 电池板的结构
一块电池板由许多互相连接的电池（通常为 36块串联着的电池）组成。把互相连接的电池封 装起来的主要原因是为了保护它们和它们连接线 不受其周围环境的破坏。例如，由于太阳能电池 非常的薄，所以在缺乏保护的情况下很容易受到 机械损伤。此外，电池表面的金属网格以及连接 每个电池的金属线都有可能受到水或水蒸气的腐 蚀。而通过封装便能阻止这些破坏。比如，非晶 硅太阳能电池通常被封装在柔软的版块内，而在 偏远地区使用的晶体硅太阳能电池则通常保护在 刚硬的玻璃封装内，一般规定的硅太阳能电池板 的使用寿命为20年，可见组件封装的可靠性有多 高。
对于两个互相串联的电池来说，流过两者的电流大小是一样的。产 生的总电压等于每个电池的电压的总和。因为电流大小需要一致，所以 在电流中出现错配就意味着总的电流必须大小等于那个最小的值。
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20
§ 6.3.3 互联效应 串联电池的错配
串联电池的开路电压错配
串联电池的开路电压错配是一种比较不严重的错配类型。 正如下面动画所展示的那样，在短路电流处，光伏组件输出的 总电流是不受影响的。而在最大功率点处，总的功率却减小了， 因为“问题”电池产生的能量较少。因为两个电池是串联起来 的，所以流经两个电池的电流是一样的，而总的电压则等于每 个电池的电压之和。
典型的晶体硅 电池板，为偏远地 区供电。
2021/7/13
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§ 6.2.2 电池板的设计 封装的材料
大多数晶体硅电池板都是由一块透明表层、一块密封板、 背板和围绕外围的框架。通常，透明表层是一层玻璃，密封层 材料是EVA（乙基醋酸乙烯），而背板则是一种Tedlar材料。如 下图所示。
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§ 6.3.1. 互联效应 组件电路的设计
如果组件中的所有太阳能电池都有相同的电特性，并处在 相同的光照和温度下，则所有的电池都将输出相等的电流和电 压。在这种情况下，光伏组件的IV曲线的形状将和单个电池的 形状相同，只是电压和电流都增大了。则此电路的方程为：
组件局部被阴影遮住是引起 光伏组件错配的主要原因。
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§ 3.2 互联效应 错配效应
当组件中的一个太阳能电池的参数与其它的明显不同时， 错配现象就会发生。由错配造成的影响和电能损失大小决定于：
• 光伏组件的工作点 • 电路的结构布局 • 受影响电池的参数
一个电池与其余电池在IV曲线的上任何一处的差异都将引 起错配损耗。下图将展示电池的非理想IV曲线和工作环境。尽 管错配现象可能由电池参数的任何一部分所引起，但是严重的 错配通常都是由短路电流或开路电压的差异所引起的。错配的 影响大小同时取决于电路的结构和错配的类型，在下面的几节 中我们将有更详细的讨论。
15
§ 6.3.1. 互联效应 组件电路的设计
由一系列相同的电池连接而成的总电路的IV曲线如下图所示。
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N个电池串联，M个电池并联的电路IV曲线。
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§ 6.3.2 互联效应 错配效应
错配损耗是由互相连接的电池或组件没有相同的性能或者 工作在不同的条件下造成的。在工作条件相同的情况下，错配 损耗是一个相当严重的问题，因为整个光伏组件的输出是决定 于那个表现最差的电池的输出的。例如，在一块电池片被阴影 遮住而其它电池则没有的情况下，由那些“好” 电池所产生的 电能将被表现差的电池所抵消，而不是用于驱动电路。这反过 来还可能会导致局部电能的严重损失，而由此产生的局部加热 也可能引起对组件无法挽回的损失。
玻璃 密封层（EVA）
电极
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§ 6.3.1. 互联效应 组件电路的设计
一块硅光伏电池板是通常是由多块太阳能电池互相串联 而成，以提高输出电压和输出电流。光伏组件的输出电压通常 被设计成与12伏蓄电池相融的形式。而在25°C和AM1.5条件 下，单个硅太阳能电池的输出电压只有0.6V。考虑到由于温度 造成的电池板电压损失和蓄电池所需要的充电电压可能达到 15V或者更多，大多数光伏组件由36块电池片组成。这样，在 标准测试条件下，输出的开路电压将达到21V，在工作温度下， 最大功率点处的工作电压大约为17V或18V。剩余的电压包括 由光伏系统中的其它因素造成的电压损失，例如电池在远离最 大功率输出点处工作和光强变弱。
ITM IL-M IO exp qV nk TT /N -1
式中，N表示串联电池的个数，M为并联电池的个数，IT 为电路的总电流，VT电路的总电压，Io是单个电池的饱和电流， IL是单个电池的短路电流，n是单个电池的理想填充因子，而q、 k和T则为常数。
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圆形电池和方形电池的封装密度。
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10 白色的背表面
§ 6.2.3 电池板的设计 封装密度
当组件中电池排列较稀疏时，露出的空白背面同样能够少 量增加电池的输出，因为“零深度聚光”效应的影响，如下图 所示。一些射入到电池与电池之间的空白区域和射到电极上的 光，被散射后又传到电池表面。
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§ 6.2.2 电池板的设计 封装的材料
框架
电池组件的最后一个结构组成部分是组件的边界或框架。 传统的光伏组件通常由铝制成，框架结构应该是平滑无凸起 状的，否则会导致水、灰尘或其它异物停留在上面。
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几种类型的硅光伏组件。
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§ 6.3.3 互联效应 串联电池的错配
因为大多数光伏组件都是串联形式的，所以串联错配是人 们最常遇到的错配类型。在两种最简单的错配类型中（短路电 流的错配和开路电压错配），短路电流的错配比较常见，它很 容易被组件的阴影部分所引起。同时，这种错配类型也是最严 重的。
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§ 6.3.3 互联效应 串联电池的错配
总的来说，在有电流错配的串联电路中，严重的功率损失一 般发生在问题电池产生的电流小于好电池在最大功率点时的电流 的时候，或者当电池工作在短路电流或低电压处时，问题电池的 高功率耗散会对组件造成无法挽回的伤害。这些影响在下面的两 个动画都有描述。
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§ 6.3.1. 互联效应 组件电路的设计
典型的组件由36块电池串联而成
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在典型的组件中，36块电池串联起来以使输 出的电压足以为12V的电池充电。
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§ 6.3.1. 互联效应 组件电路的设计
虽然光伏组件的电压大小决定于电池的数量，但是组件的 输出电流却决定于单个太阳能电池的尺寸大小和它们的转换效 率。在AM1.5和最优倾斜角度下，商用电池的电流密度大约在 30mA/cm2 到 36mA/cm2 之 间 。 单 晶 硅 电 池 的 面 积 通 常 为 100cm2，则总的输出电流大约为3.5A。多晶硅电池组件的电 池片面积更大但电流密度较低，因此输出自这些组件的短路电 流通常为4A左右。但是，多晶硅电池的面积可以有多种变化， 因此电流也可以有多种选择。组件的输出电流和电压并不受温 度的影响，但却容易受组件的倾斜角度的影响。
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§ 6.2.3 电池板的设计 封装密度
在光伏组件中，太阳能电池的封装密度指的是被电池覆 盖的区域面积与空白区域面积的比。封装密度影响着电池的输 出功率以及电池温度。而封装密度的大小则取决于所使用电池 的形状。比如，单晶硅电池一般为圆形或半方形，而多晶硅电 池则通常为正方形。因此，如果单晶硅电池不是切割成方形的 话，单晶硅组件的封装密度将比多晶硅的低。有关封装强度的 几种选择，包括圆的和方的，在下图有介绍。
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§ 6.3.2 互联效应 错配效应
. 反向电压很高时， pn结可能被击穿
并联电阻引 起的下降 电池消耗能量
理想太阳能电池 非理想太阳能电池
电池产生能量
电池消耗能量 串联电阻引起
的额外下降
理想太阳能电池和非理想太阳能电池的比较。最大的错配 差异是当电压被反向偏压的时候造成的。
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§ 6.2.2 电池板的设计 封装的材料
除了减反射特性和透明特性，顶端表面材料还应该不 能透水，应该有好的耐冲击性，应该能在长时间的紫外线 照射下保持稳定，应该有低的热阻抗性。水或水蒸气在渗 入金属电极和连接线后会大大降低光伏组件的寿命。大多 数的组件的前端表面是用来增加机械强度和刚度的。对于 材料的的种类，可以有几种选择，包括丙烯酸、聚合物和 玻璃。其中含铁量低的玻璃是使用最广泛的，因为它成本 低、强度好、稳定、高度透明、不透水不透气同时还有自 我清洁功能。
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§ 6.2.2 电池板的设计 封装的材料
背表面层
光伏组件的背表面层材料的最关键性质是必须拥有 低热阻抗性，同时必须能够阻止水和水蒸气的渗入。对于 大多数组件，薄的聚合物层特别是Tedlar，是背表面层的 首选材料。有些光伏组件被称为双面组件，被设计成电池 的正面和背面都能够接收光的照射。在双面电池组件中的 前表面和背表面都应该保持良好的光透性。