旁路二极管

第5讲 太阳能电池方阵
太阳能电池方阵的组成





太 阳 能 电 池 方 阵 也 称 光 伏 阵 列 （ Solar Array 或 PV Array）。 太阳能电池方阵是为满足高电压、大功率的发电要求， 由若干个太阳能电池组件通过串并联连接，并通过一 定的机械方式固定组合在一起的。 除太阳能电池组件的串并联组合外，太阳能电池方阵 还需要防反充（防逆流）二极管、旁路二极管、电缆 等对电池组件进行电气连接，还需要配备专用的、带 避雷器的直流接线箱。 有时为了防止鸟粪等沾污太阳能电池方阵表面而产生 “热斑效应”，还要在方阵顶端安装驱鸟器。 另外电池组件方阵要固定在支架上，支架要有足够的 强度和刚度，整个支架要牢固的安装在支架基础上。
2．太阳能电池组件的串、并联组合

太阳能电池方阵的连接有串联、并联和串、并联混合几种 方式。 当每个单体的电池组件性能一致时，多个电池组件的串联 连接，可在不改变输出电流的情况下，使方阵输出电压成 比例的增加：


组件并联连接时，则可在不改变输出电压的情况下，使方 阵的输出电流成比例的增加；
串、并联混合连接时，即可增加方阵的输出电压，又可增 加方阵的输出电流。 但是，组成方阵的所有电池组件性能参数不可能完全一致， 所有的连接电缆、插头插座接触电阻也不相同，于是会造 成各串联电池组件的工作电流受限于其中电流最小的组件； 而各并联电池组件的输出电压又会被其中电压最低的电池 组件钳制。因此方阵组合会产生组合连接损失，使方阵的 总效率总是低于所有单个组件的效率之和。



组合连接损失的大小取决于电池组件性能参数的离散 性，因此除了在电池组件的生产工艺过程中，尽量提 高电池组件性能参数的一致性外，还可以对电池组件 进行测试、筛选、组合，即把特性相近的电池组件组 合在一起。 例如，串联组合的各组件工作电流要尽量相近，每串 与每串的总工作电压也要考虑搭配得尽量相近，最大 幅度地减少组合连接损失。


(1)防反充（防逆流）二极管

防反充二极管的作用之一是防止太阳能电池组件或方 阵在不发电时，蓄电池的电流反过来向组件或方阵倒 送，不仅消耗能量，而且会使组件或方阵发热甚至损 坏； 作用之二是在电池方阵中，防止方阵各支路之间的电 流倒送。这是因为串联各支路的输出电压不可能绝对 相等，各支路电压总有高低之差，或者某一支路因为 故障、阴影遮蔽等使该支路的输出电压降低，高电压 支路的电流就会流向低电压支路，甚至会使方阵总体 输出电压的降低。在各支路中串联接入防反充二极管 就避免了这一现象的发生。
1．太阳能电池组件的热斑效应


当太阳能电池组件或某一部分表面不清洁、有划伤或者 被鸟粪、树叶、建筑物阴影、云层阴影覆盖或遮挡的时 候，被覆盖或遮挡部分所获得的太阳能辐射会减小，其 电池片输出功率自然减小，相应组件的输出功率也随之 降低。由于被遮挡的面积与输出功率不是线性关系，所 以即使一个组件中只有一个电池片被覆盖，整个组件的 功率也会大幅度降低。 如果被遮挡部分只是方阵组件串的并联部分，那么问题 还比较简单，只是该部分输出的发电电流会减小，如果 被遮挡部分只是方阵组件串的串联部分，则问题较为严 重，一方面会使整个组件的输出电流减小为该被遮挡部 分的电流，另一方面被遮挡的电池片不仅不能发电，还 会被当作负载消耗其他有光照的太阳能电池组件的能量， 长期遮挡会引起局部反复过热。


在独立光伏发电系统中，有些光伏控制器的电路上已 经接入了防反充二极管，即控制器带有防反充功能时， 组件输出就不需要再接二极管了。 防反充二极管存在有正向导通压降，串联在电路中会 有一定的功率消耗，一般使用的硅整流二极管管压降 为0.7V左右，大功率管可达1～2V。肖特基二极管虽然 管压降较低，为0.2----0.3V，但其耐压和功率都较小， 适合小功率场合应用。
产生“热斑效应”的原因

造成热斑效应的根源是有个别坏电池的混入、电极焊片虚 焊、电池由裂纹演变为破碎、个别电池特性变坏、电池局 部受到阴影遮挡等。； 由于局部阴影的存在，太阳电池组件中某些电池单片的电 流、电压发生了变化。其结果使太阳电池组件局部电流与 电压之积增大，从而在这些电池组件上产生了局部温升。
3．防反充（防逆流）和旁路二极管

在太阳能电池方阵中，二极管是很重要的器件，常用 的二极管基本都是硅整流二极管(部分二极管的性能参 数可参看表 2-3)，在选用时要注意规格参数留有余量， 防止击穿损坏。 一般反向峰值击穿电压和最大工作电流都要取最大运 行工作电压和工作电流的2倍以上。 二极管在太阳能光伏发电系统中主要分为两类，防反 冲二极管和旁路二极管。


方阵组合连接要遵循下列几条原则： ①串联时需要工作电流相同的组件，并为每个组件并接 旁路二极管；
②并联时需要工作电压相同的组件，并在每一条并联线 路中串联防反充二极管；
⑧尽量考虑组件连接线路最短，并用较粗的导线；
④严格防止个别性能变坏的电池组件混入电池方阵。
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太阳电池阵列的电路构成

由太阳电池组件构成的纵列组件（根据所需输出电压将太阳电池 组件串联而成）、逆流防止元件（二极管）Ds（各纵列组件经逆 流防止元件并联构成）、旁路元件（二极管Db）及端子箱体构成

如何解决“热斑效应”呢？
为了防止太阳电池由于热斑效应 而遭受破坏，最好在太阳电池组件 的正负极间并联一个旁路二极管， 以增加方阵的可靠性通常情况下， 旁路二极管处于反偏压，不影响组 件正常工作。
这是为什么呢？

当一个电池被遮挡时，其他电池促其 反偏成为大电阻，此时二极管导通， 总电池中超过被遮电池光生电流的部 分被二极管分流，从而避免被遮电池 过热损坏。以避免光照组件所产生的 能量被受遮蔽的组件所消耗。
什么是“热斑效应”？
定义：
在一定条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳电 池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所 产生的能量。被遮蔽的太阳电池组件此时将会发热，这就 是热斑效应。
“热斑效应”的破坏力

有光照的太阳电池组件所产生的部分能量或所有能量， 都可能被遮蔽的电池所消耗。
•热斑效应会使焊点融化，破坏封装材料( 如无旁路二极管保护)，甚至会使整个方 阵失效。