光伏组件与阵列设计

1.1 引言

令狐采学

太阳电池是将太阳光直接转换为电能的最基本元件，一个单体太阳能电池的单片为一个PN结，工作电压约为0.5V，工作电流约为20－25mA/cm2, 一般不能单独作为电源使用。因而需根据使用要求将若干单体电池进行适当的连接并经过封装后，组成一个可以单独对外供电的最小单元即组件（太阳能电池板）。其功率一般为几瓦至几十瓦，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统。

当应用领域需要较高的电压和电流，而单个组件不能满足要求时，可把多个组件通过串连或并联进行连接，以获得所需要的电压和电流，从而使得用户获取电力。根据负荷需要，将若干组件按一定方式组装在固定的机械结构上，形成直流发电的单元，即为太阳能电池阵列，也称为光伏阵列或太阳能电池方阵。一个光伏阵列包含两个或两个以上的光伏组件，具体需要多少个组件及如何连接组件与所需电压（电流）及各个组件的参数有关。

太阳能电池片并、串联组成太阳能电池组件；太阳能电池组件并、串联构成太阳能电池阵列。

1.2 光伏组件

1.2.1组件概述

光伏组件（俗称太阳能电池板）是将性能一致或相近的光伏电池片（整片的两种规格125*125mm、156*156mm），或由激光机切割开的不同规格的太阳能电池，按一定的排列串、并联后封装而成。由于单片太阳能电池片的电流和电压都很小，把他们先串联获得高电压，再并联获得高电流后，通过一个二极管（防止电流回输）然后输出。电池串联的片数越多电压越高，面积越大或并联的片数越多则电流越大。如一个组件上串联太阳能电池片的数量是36片，这意味着这个太阳能组件大约能产生17伏的电压。

1.2.2电池的连接与失配

失配的影响:失配损失是由于电池或者组件的互联引起的，这些电池或者组件没有相同的特性或者经历了不同的条件。在PV组件和方阵中，在某种条件下失配问题是一个严重的问题，因为一个组件在最差情况的输出是由其中的具有最低输出的太阳电池决定。例如，当一个太阳电池被遮挡而组件中的其它的太阳电池并没有被遮挡时，一个处于“良好”状态的太阳电池产生的功率可以被低性能的太阳电池耗散，而不是提供给负载。这可以导致非常高的局部电力耗散，并且由此而产生的局部加热可以引起组件不可恢复的损伤。

太阳能电池在串、并联成电池组件时，由于每片太阳能电

池电性能不可能绝对一致，这就使得串、并联后的输出总功率往往小于各个单体太阳能电池输出功率之和，称作太阳能电池的失配。在太阳能组件的制造以及组建安装为阵列的过程中，失配问题总会存在，并或多或少的影响太阳能电池的性能。这是因为：1，太阳能电池的生产工艺决定了每一个单体不可能绝对一致；2，实际使用中每个单体还将由于遮挡，灰尘，表面损伤等原因造成个体差异。

4.2.2.1太阳能电池的串联连接与失配

太阳能电池串联连接时，总输出电流为最小一片电池的值，而其总的输出电压为各电池电压之和。太阳能电池串联使用时的失配损失要严重得多，一旦有一个单体电流小于其他单体，因为输出电流将取所有单个电池中最小值，整个串联回路中其他的单体的电流也将降低，从而大大降低整个回路的输出功率。

如下图所示，当一串具有几个高电流太阳电池的串中有一个低电流的太阳电池时，产生热斑。

一串太阳电池中有一个被遮挡，减少了好电池的电流，使得好电池要产生更高的电压。这个电压通常使坏电池反偏。

如果总串联串上的工作电流接近于坏电池的短路电流，总电流就是被坏电池所限制的。好电池产生的额外的电流使好电池正向偏置。如果串联串被短路，这个跨过这些好电池的正向偏压就使得被遮挡的电池反向偏置。当许多串联的电池在阴影遮挡的电池上引起很大的反向偏压时，导致差电池上有很大的热耗散，就发生了热斑。必然地，好电池上的全部的发电容量

都耗散在差电池上。在相同面积上的大量的功率耗散导致局部发热或者热斑，转而产生破坏性的影响，例如电池或玻璃的破裂、焊料的熔化或者太阳电池的衰降。

4.2.2.1太阳能电池的并联连接与失配

太阳能电池并联连接时，并联输出电压保持一致而输出电流为各并联电池电流之和。太阳能电池并联使用时失配损失比串联使用时小，只要最差的电池的开路电压高于该组电池的工作电压，则输出电流仍为各单体电流之和。失配损失仅来自于一些没有工作在最大工作点的单体。如果其中有单体的开路电压低于工作电压，则该单体将成为负载而消耗能量。通常可采用在每一块并联支路加防反二极管的方法，尽管不能增加该之路的输出，但可以防止电流倒流。

在设计中主要是确定组件工作电压和功率这两个参数，按输出电压要求以一定数量（n）的电池片（或根据需要切割成相应大小）用互连条相互串联起来，以满足用户所需求的输出电压，然后按输出功率要求以一定数量（m）的电池片用汇流条并联起来，并通过层压封装而成为太阳能电池组件。对于通常使用的12V 电池组件，一般采用一串36片太阳能电池片，即n ＝36，m＝1。图4－1，4－2分别为太阳能电池组件工作原理图和等效电路图。

图4－1为太阳能电池组件工作原理图

图4－2为太阳能电池组件等效电路图

在小组件中，太阳电池是串联联接的，所以没有并联失配

的问题。在大的方阵中通常有组件的并联，所以通常是组件水平上而不是电池水平上发生并联失配。

并联联接的太阳电池。相互并联的太阳电池上的电压总是相同的，并且总电流是各个独立太阳电池电流的和。

1.2.3组件设计

要提升电压需要串联电池片，缺点是电流值趋向于最小电流的电池片的电流；提高功率一般需要并联电池片，缺点是电压趋向于最小电压的电池片的电压。因此在同一个组件中，尽量选用性能一致的电池片。

设计举列：用40mm的单晶硅太阳电池（效率为8.5%，工作电压0.41v）设计一工作电压为1.5伏，峰值功率为1.2瓦的组件。

单晶硅电池的工作电压为：V=0.41v

则串联电池数：Ns=1.5/0.41=3.66片，取Ns=4片

单体电池面积：s= d2/4=42/4=12.57cm2

单体电池封装后功率：

Pm=100mw/cm212.578.5%95%=100mw=0.1w（标准测试下，太阳辐照度＝1000W/m2＝100mW/cm2）

式中95%是考虑封装时的失配损失

需太阳电池总的片数：N=1.2/0.1=12片

太阳电池并联数：NP=N/Ns=12/4=3组

故用12片40mm的单晶硅太阳电池四串三并，即可满足要求。