光伏发电电池组件工作原理结构

光伏发电电池组件工作原理结构9.光生伏打效应1839年，法国物理学家在实验室意外发现，两片金属浸入溶液构成的伏打电池中，当受到光照时会产生额外的伏打电动势，他把这种现象称为“光生伏打效应”，简称光伏效应。晶体硅半导体把太阳能转变为电能的光生伏打效应的发电方式，称为光伏发电，太阳能电池又称为光伏电池。10.太阳能电池工作原理太阳光照射在半导体晶体硅的PN结上，激发电子和空穴相互运动，N区的空穴向P区运动，P区的电子向N区运动，使太阳能电池受光面（N型硅）有大量负电荷（电子）积累，而在太阳能电池背光面（P型硅）有大量正电荷（空穴）积累。如果在受光面和背光面各引出导线连接负荷，导线与负荷上就有电流通过，电流从背光面流向受光面，背光面（P型硅）为正极，受光面（N型硅）为负极。如图二所示：图二：晶体硅太阳能电池工作原理示意11.太阳能光伏发电的优点（1）取之不尽，用之不竭，不受地域、海拔等因素制约，只要有光照，就可以发电。（2）随处可得，就近供电，可避免长距离输电造成的损耗。（3）不用燃料、不用水，有阳光就发电，运行成本低，不排废弃物，无污染，无噪声，真正的绿色环保新型能源。（4）无运转部件，维护简单，可实现无人值守。（5）系统构成简单，建设周期短（如果设备、材料供应到位，10MW电站三个月可建成），方便灵活，极易组合、扩容。12.太阳能光伏发电的缺点（1）间歇性、随机性发电，受气候影响较大，夜间需要用电却不能发电。（2）能量密度较低，占地面积大。（3）转换效率低，晶体硅光伏电池转换效率为13%17%，非晶体硅光伏电池只有6%，加之能量密度较低，难以形成高功率发电系统。（4）初始投资高，相对火力发电其电价目前还较高，投资回收期长。13.太阳能电池组件的分类目前社会上应用较多的太阳能电池组件可分为三类，单晶硅太阳能电池组件，多晶硅太阳能电池组件，非晶硅薄膜太阳能电池组件，三种太阳能电池组件实物见图三所示： 多晶硅组件 单晶硅组件 非晶硅薄膜组件图三：三种太阳能电池组件实物图单晶硅电池片是由圆形硅棒切片形成，一般尺寸为125X125，为制作组件排列方便，经切边后形成有倒角的正方形，制作成组件后组件中间有许多白色孔洞。多晶硅电池片是由方形硅锭切片形成，一般尺寸为156X156，制作成组件后电池片排列密实，这也是判断单晶硅组件与多晶硅组件的本质区别，本手册所讲太阳能电池组件均为单晶硅或多晶硅组件。单晶硅电池片与多晶硅电池片见图四所示： 单晶硅电池片 多晶硅电池片图四：单晶硅电池片与多晶硅电池片14.太阳能电池组件的构成太阳能电池组件从受光面到背光面大致分为五层结构：第一层：受光面，低铁、超白、绒面钢化玻璃，玻璃架空后采用38钢球垂直距离1米掉下，玻璃完好无损。 第二层：EVA胶（乙烯与醋酸乙烯共聚物）。 第三层：电池片，用互联条（薄铜片条）串联后从接线盒引出。第四层：EVA胶（乙烯与醋酸乙烯共聚物）。 第五层：背光面，TPT（薄膜-聚酯-薄膜复合材料，简称塑料王）。 注：五层结构叠加后，用铝合金边框紧固，加装接线盒，为防止热斑效应，盒内装有1 3个旁路二极管，两根4mm光伏专用电缆引出0.9m，接上MC4插头。如图五所示：图五：太阳能电池组件结构图注：无论单晶硅电池组件或多晶硅电池组件，结构均相同。15.太阳能电池组件主要性能参数（1）短路电流Isc：将太阳能电池组件正负极短路的电流，一般在5A9A。（2）开路电压Uoc：将太阳能电池组件正、负极分开，测量其两端的电压即为开路电压，一般在30V50V。（3）峰值电流Imp：又称工作电流，是太阳能电池组件输出最大功率（标称值）时的电流，一般比短路电流小0.3A0.7A。（4）峰值电压Ump：又称工作电压，是太阳能电池组件输出最大功率（标称值）时的电压，一般比开路电压小20%左右。（5）峰值功率Pmax：又称最大输出功率，是太阳能电池组件峰值电压与峰值电流的乘积，峰值功率单位是W，峰值功率的大小取决于太阳辐照度。电池组件的标称功率一般是按峰值功率标注，单位是WP。其出厂测试条件为：辐照度1KW/m，温度25，光谱AM1.5。（6）填充因子FF：由于太阳能电池组件的输出电压与电流的特性曲线是非线性的，在非线性曲线的某一点可以得到峰值电压Ump和峰值电流Imp，这一点就是峰值功率Pmax。 FF=(峰值电压峰值电流) (开路电压短路电流)= 峰值功率Pmax(开路电压短路电流)，FF是评价太阳能电池组件性能好坏的重要参数，其值越大，太阳能电池组件的伏安（U-I）特性曲线越接近矩形，如图六所示：图中右侧图的FF要优于左侧图。图六：电池组件伏-安特性曲线不同使填充因子FF区别较大示意图（7）转换效率：=电能光能=电池组件峰值功率Pmax（电池组件面积1000W/m），其值一般在14%17%之间。说明太阳能电池组件属于低密度能量器件，由此可知太阳能光伏发电场的占地面积是非常之大。例如：已知190W太阳能电池组件长1590mm，宽808mm，该组件的转换效率=190W（1.590.8081000W/）=14.79%。16.太阳能电池片和电池组件的电压晶体硅太阳能电池均做成片状，尺寸一般在125125mm或156156mm，厚度一般为170220nm，电池片无论面积大小，单片峰值电压都在0.45V0.5V之间，一般为0.48V，且阴天或下雨时基本保持不变。电池组件是由若干个电池片串联组成，例如某组件是由72个电池片组成，该组件的输出电压基本为34.56伏（720.48伏）。由此可以推断，如果将该组件电压提高一倍，可将每个电池片掰成两块，7220.48伏69.12伏。17.太阳能电池片和电池组件的电流相同辐照度下，太阳能电池片的电流与电池片面积成正比，在太阳辐照度为1000W/，每平方厘米电池片输出电流约为38mA，例如单晶硅电池片尺寸一般为125125mm，面积为156.25cm（12.5cm12.5cm），在太阳辐照度为1000W/ m时，电流约为5938mA（约5.94A）。电池组件是由若干个电池片串联组成，因此，电池组件的输出电流就是电池片的电流，如果想增加电流，可以将电池片并联或者将电池组件并联实现。18.太阳能电池片和电池组件的功率电池片的功率就是电池片的电压与电流之乘积，例如125125mm电池片，在太阳辐照度为1000W/时，电流约为5.94A，该电池片功率约为2.85W（0.48伏5.94A）。电池组件是由若干个电池片串联组成，例如某组件是由72个125125mm电池片组成，该组件的功率约为205W（722.85W），或采用组件输出电压与电流相乘得到，例如72个电池片组成，该组件的输出电压基本为34.56伏（720.48伏），由于是72个电池片串联，其输出电流就是单个电池片的电流，该组件的功率为205W（34.56V5.94A）。19.温度变化对太阳能电池组件的影响（1）短路电流温度系数Ti：一般在0.04%/0.08%/，说明温度每升高1，电池组件输出电流将提高0.04%0.08%。（2）开路电压温度系数Tu：一般在-0.3%/-0.5%/，是负温度系数，说明温度每升高1，电池组件输出电压将下降0.3%0.5%。由此可知，输出电压与温度成反比，太阳光线好，温度低，发电量相对高一些。（3）功率温度系数Tp：一般在-0.4%/-0.6%/，是负温度系数。说明温度每升高1，电池组件输出功率将下降0.4%0.6%。注：由上述Ti和Tu可知，电流随温度升高是按万分之数量级上升，电压随温度升高是按千分之数量级下降，其下降速率比电流上升速率要快得多，功率是电压与电流的乘积，因此功率是随温度升高而呈下降趋势，电池组件的功率是负温度系数。由此可知，太阳光线好，温度低，发电量相对高一些，反之太阳光线好，温度高，发电量反而降低。20.太阳能电池组件的热斑效应太阳能电池组件组成方阵安装在室外，当组件某一个或几个电池片被鸟粪、树叶、阴影覆盖时，被覆盖的电池片不仅不能发电，还会被当作负载消耗通过该电池片的电流能量，电池片发热久而久之出现斑点并变色，这就是热斑效应。还有劣质电池片混入电池组件、电极焊片虚焊、电池片性能变坏等，均能引起热斑效应。热斑效应能严重破坏电池组件使之焊点熔化、封装材料破坏、甚至使整个电池组件失效。21.旁路二极管的作用为了防止热斑效应，可在电池组件接线盒内安装13个（一般安装3个）二极管，如图七所示：假设组件B有两片电池片被鸟粪遮挡，组件B的旁路二极管D1将组件A流过来的电流I旁路后，电流I再经过组件B中间两组和左侧两组电池片流向下一个组件，被旁路的两组电池片串联输出电压是二极管D1的管压降，电压的损失即损失了太阳能输出功率，应当及时清除鸟粪。图七：旁路二极管的作用22.光伏组件的串联无论单晶硅组件或多晶硅组件或薄膜组件都可统称为光伏组件。单晶硅组件输出工作电压通常都在35V左右，多晶硅组件输出工作电压通常都在30V左右，如果要获得几百伏的输出电压，可采用将多个电池组件串联。例如将16个单晶硅组件串联后可得到560V电压（1635V），再如将20个多晶硅组件串联后可得到600V电压（2030V）。23.光伏组件的并联单晶硅组件输出工作电流通常都在5A左右，多晶硅组件输出工作电流通常都在7A左右，如果要获得几百A的输出电流，可采用将多个电池组件并联。例如将100个单晶硅组件并联后可得到500A电流（1005A），再如将70个多晶硅组件并联后可得到490A电流（707A）。24.光伏组件的串并联如果要获得几百伏的输出电压和几百Ah的输出电流，可采用将多个电池组件串联后再并联。例如将16个单晶硅组件串联后可得到560V电压，然后再将串联后的组件串并联，如并联100串，就可以获得500A的输出电流和560V的输出电压。25.光伏组件的串并联组成的光伏方阵太阳能电池组件方阵（又称光伏方阵），是一个（套）太阳能电池组件支架（又称光伏支架）及其在支架上安装的所有太阳能电池组件（又称光伏组件）构成一个光伏方阵，简称“方阵”。如图八照片所示：从照片中可以看出前排是由若干方阵（8个）组成。图八：光伏方阵图示26.光伏组件的各种串联及并联方式由于光伏组件在方阵串联方式繁多，下面仅举几个典型例子，如图九所示：组件的串联数量主要是根据逆变器直流侧的最大功率跟踪范围（MPPT）确定，将在本手册有关内容中讲述。在图九中两组并联16个单晶硅组件竖向两排布置图是先将16个组件串联然后再采用二合一MC4插头将两组串联组件进行并联。图中四组11个单晶硅组件横向四排布置也可以采用二合一MC4插头连续并联形成四并后输出，由此可知，光伏组件的串并联可以根据实际情况任意组合。图九：光伏组件典型串联图示27.光伏组件串并联后的电流输出单晶硅组件输出电流一般为5A，多晶硅组件输出电流一般为7A，采用二合一MC4插头可以将串联后的组件进行并联，由于光伏专用电缆（PV电缆）截面一般是4mm，受电缆载流量的限制，二合一MC4插头一般只并联一次，大部分还是采用电气专用设备“汇流箱”将多个光伏组件串进行并联，并联后形成更大的输出电流再采用电力电缆将电流送出。例如：16个输出电压35V输出电流5A的单晶硅组件串联形成560V/5A组件串，再用汇流箱将其16并形成560V/80A的高电压大电流输出，如图十所示：图十：光伏组件串联后采用汇流箱并联示意图28.光伏汇流箱的构成 光伏汇流箱主要有熔断器、断路器、浪涌保护器、铜母排、外壳组成，见图十一所示：图十一：汇流箱实物图示汇流箱元器件参数一般要求：熔断器-1.56倍的组件短路电流Isc。（北京鉴衡认证中心，光伏方阵汇流箱技术规范）断路器-1.1倍光伏组件串工作电流并联总和。浪涌保护器-最大泄放电流Imax15KA。（北京鉴衡认证中心，光伏方阵汇流箱技术规范）；电压保护等级见下表：汇流箱额定直流电压Un（V）有效电压保护水平Up/f（kV）Un601.160Un2501.5250Un4002.5400Un6903.0690Un10004.0铜母排-载流量1.5倍光伏组件串工作电流并联总和，绝缘套管防护。汇流箱箱体外壳-厚度1.5mm冷轧钢板；防护等级室外不低于IP54，室内不低于IP20。注：箱体外壳应喷塑，箱体尺寸应便于内部接线。29.直流开关柜的作用与构成直流开关柜又称二级汇流柜，它是将多个汇流箱的电流再汇流成更大的电流，送给逆变器将直流电转换成交流电，与汇流箱的不同只是电流增大，电压与汇流箱相同。见图十二所示：30. 离网太阳能光伏发电系统（1）无蓄电池的直流光伏发电系统太阳能电池与直流用电负荷直接连接，有阳光就发电供给负荷，无阳光就停止工作，只能白天应用。如：太阳能玩具。（2）有蓄电池的直流光伏发电系统太阳能电池与控制器连接，控制器分别与蓄电池、直流用电负荷连接，有阳光时，太阳能电池向用电负荷供电，同时还为蓄电池充电，以备夜间向用电负荷供电。如：戈壁滩无线通信发射装置。路灯也属此种类型，但是路灯系统白天全部向蓄电池充电，仅夜间照明用电。（3）交、直流混合光伏发电系统与前两种相比，发电系统多了一个逆变器，可以把直流电转换成50HZ交流电，供家庭冰箱、彩电用电，同时还可以给直流用电负荷供电，如：给电动汽车、电动自行车充电。（4）市电互补型光伏发电系统与前三种相比，增加了一个供电部门提供的380/220V的外加电源，优点是多个连续阴雨天，蓄电池已经严重亏电时，可从电力部门取得电源继续为用电负荷供电，同时又可为蓄电池充电。31.并网太阳能光伏发电系统（1）无逆流并网光伏发电系统太阳能光伏发电系统只为交流用电负荷供电，不向公共电网供电，但是，当太阳能光伏发电系统供电不足时，公共电网可向交流用电负荷供电。（2）有逆流并网光伏发电系统太阳能光伏发电系统发出的电能充足时，可将剩余电能馈入公共电网（卖电），当太阳能光伏发电系统发出的电能不足时，由电网向用电负荷供电（买电），由于光伏发电系统向电网供电与电网向用电负荷供电方向相反，故称为有逆流光伏发电系统。（3）有蓄能装置的切换型并网光伏发电系统是一种具有自动运行双向切换功能的光伏并网发电系统，一是当阴雨天或光伏发电系统故障时，切换器能自动从光伏发电系统切换到公共电网，二是当公共电网突然停电时，切换器能自动从公共电网切换到光伏发电系统，三是当公共电网与光伏发电系统同时停止工作时，接通蓄电池经过逆变器可向应急负荷供电。（4）大型并网光伏发电系统该系统一般为MW（兆瓦）级光伏发电并入公共电网的系统（卖电），均由大型逆变器（约500KW为一个单元）经升压变压器升至10KV及以上，直接与电力部门电网电压相连，也是光伏发电系统的发展方向，在我国西北、青藏高原地区已积极推广。类似这样的系统有的采取完全上网方式，无交流负荷用电部分。大型并网系统一般有两种建设模式:一是“上网电价”模式，政府以高于火力发电的电价收购光伏发电量；二是在投资建设中政府给予适当补贴；欧洲国家大部分是采用“上网电价”模式。（5）10MW并网光伏发电系统上图接线方式不是唯一的，也可以用环网柜将升压变压器连接，然后再采用2条电缆连接到10KV或35KV母线上。光伏发电单元-由若干方阵、汇流箱、逆变器升压变和配电装置构成的输出为交流电的模块。32.太阳能电池方阵太阳能电池方阵也称光伏阵列（PV），由于单个太阳能电池组件一般最大不超过300W,不能满足高电压、大功率的发电要求，必须由若干个太阳能电池组件经过串联、并联组成所需要的发电电压和功率。例如：组件厂家生产的190W单晶硅电池组件，工作电压36.92V，工作电流5.15A，如果发电电压需要620V，功率60KW，请问电池方阵是如何组成的？解：620V/36.92V=16.79317串 60000W/190W=315.79316块 316块/17串=18.5919支路答：电池方阵是由17串组成一个支路，19个支路组成整个方阵，总功率=17串*19个支路=323块组件*190W=61370W=61.37KW注意：190W的电池组件很难整数倍组成60KW的发电方阵，经过计算取其整数，尽量在60KW附近波动，如本例题组成的方阵功率为61.37KW，方阵组成见下图。注：已知电池组件输出电流为5.15A，即每个支路也是5.15A，19个支路就是97.85A，约为98A。33.太阳能电池组件的热斑效应太阳能电池组件组成方阵安装在室外，当某一个组件被鸟粪、树叶、阴影覆盖时，被覆盖部分不仅不能发电，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，引起局部发热，这就是热斑效应。还有劣质电池片混入电池组件、电极焊片虚焊、电池片性能变坏等，均能引起热斑效应。热斑效应能严重破坏电池组件使之焊点熔化、封装材料破坏、甚至使整个电池组件失效。34.旁路二极管的作用当多个太阳能电池组件串联组成一个支路时，需要在每个电池组件正负极输出端反方向并联1个二极管，当该支路某个电池组件由于某种原因被阴影覆盖或故障停止发电，该支路其他组件发出的电流会经过故障组件并联的二极管流过，不影响其他正常组件的发电，同时也保护被旁路的组件避免受到较高的正向偏压或由于热斑效应发热而损坏，旁路二极管一般都直接安装在每个电池组件的接线盒内。35.防反充二极管的作用电池组件组成组件串，多个组件串并联后，如果各组件串之间的电压有差异，电压高的组件串电流就有可能向电压低的组件串流动。如：阴影遮挡某一组件串，该组件串电压低于没有遮挡的其它组件串，其它组件串的电流就有可能流向该组件串。为此，就要在组件串增加防反充二极管，防反充二极管的管压降又要消耗一定的功率，这是一对矛盾，使用时应权衡利弊。36.孤岛效应及产生的后果太阳能发电系统与电网并联运行，电网故障停电后，太阳能发电系统的电压、频率不会快速改变，将继续独立给负载供电，此现象即为孤岛效应。发生孤岛效应将造成如下后果： 检修人员误认为市电已停，若进行检修将危及人身安全。 没有市电参考，太阳能发电系统的电压、频率将发生漂移，谐波增大，对频率要求严格的设备易发生损坏。 市电恢复后，有可能相位不同，产生较大电流。 可能欠压运行，影响负载正常使用。37.太阳能发电的系统效率最理想的太阳能发电就是太阳辐照度被完全转化成电能，但是由于种种原因，如：设计、灰尘、组件及发电转换设备质量和性能、组件衰减等，将使系统效率大大降低，如下图：1：组件匹配损失（设计选取的角度，施工等原因） 约4%2：组件表面灰尘损失 约5%3：偏离最大功率点MPPT损失 约3%4：电池组件方阵侧直流电线路损失 约3%5：逆变器效率损失 约3%6：并网侧交流电升压（隔离）变压器和线路的损失 约4%7：电池组件每年衰减损失 约1%总=（1-1）*（1-2）*（1-3）*（1-4）*（1-5）*（1-6）*（1-7）=79%以上可见，太阳能发电系统将有20%的各种损失，且随着发电使用年限的增加，系统效率还会继续下降。38.影响太阳能发电量的环境因素除了以上系统效率外，影响太阳能发电的环境因素还有：太阳辐照度的强弱，阴雨天，雾天，空气中的浮尘，温度(温度越低发电量越高)。 太阳能发电尽管系统效率和环境因素影响很大，但是这并不影响太阳能发电的推广应用，因为太阳能发电是一种静止的装置，维护量非常小，基本上不需要太多的值班人员（一个10MW的发电系统仅用3人轮流值班），必要时可定期雇佣民工清洗电池组件的灰尘，因此太阳能发电的运行成本（不是建设成本）要远远低于常规发电系统。39.最大功率点跟踪MPPT含义（Maximum Power Point Tracket）图中曲线为太阳能电池组件在一定的太阳辐照度和温度下的伏安特性曲线（U-I曲线），在曲线上取三点A、B、C形成三个矩形OCAF、ODMG、OEBH，其面积最大的为ODMG，由于矩形面积是电压和电流的乘积，可见U-I曲线上的M点既是该曲线的最大功率点P=U*I= ODMG。40. MPPT范围电池组件受温度影响电压变化幅值相对较大，伏安特性曲线（U-I曲线）沿电压坐标伸缩，如图虚线所示，温度升高电压减少，温度降低电压增加。为此，逆变器的直流输入电压就要有一个范围，在这个范围内，逆变器内部软件运算都可以跟踪在这个范围内，故称MPPT输入电压范围。这个范围决定了电池组件的串联数量，如：某高原型逆变器的MPPT输入电压范围在310480V,采用组件厂家生产的190W电池组件，组件工作电压36.92V，组件串联11串，逆变器输入电压基本工作在MPPT的中间，即使温度变化也不会超出MPPT范围。41.MPPT跟踪MPPT跟踪有几种方法，如图介绍扰动观察法。周期性地增减逆变器的负载大小，以改变太阳能电池方阵的电压及输出功率。如图M1、M2点，首先从M1点（或M2点）向M点移动，并观察比较负载变动前后的输出电压及输出功率的情况，如果输出功率比负载变动前大，说明输出功率还可以再大一些，然后将M1点（或M2点）继续朝M点变动，如果输出功率比负载变动前小，说明出现超调，既越过了M点，此时在下一个周期应改变负载变动的方向，如此反复进行扰动、观察和比较，使得太阳能电池方阵始终工作在最大功率点M。目前MPPT的跟踪速度可达0.5S。42.太阳能发电功率与负载配置速查表发电功 率额定负 载输出电压输出电 流照明彩电电脑冰箱洗衣机空调厨房电器500W500W220V2.3A*800W800W220V3.6A*1000W1000W220V4.5A*1500W1500W220V6.8A*2000W2000W220V9.1A*3000W3000W220V13.6A*5000W5000W220V22.7A*说明：1、表中“*”负载可以持续用电 2、表中“”负载可以交替用电 3、表中“”负载不可用电 4、家用电器用电功率一般情况：柜式空调220V/2KW；挂式空调220V/1KW；彩电220V/300W；计算机220V/300W；冰箱220V/300W；洗衣机220V/300W；电饭锅220V/1KW；洗澡热水器220V/2KW。43.太阳能电池方阵占地面积配置经验数据在我国大部分地区如长江以北、山海关以南及西藏地区太阳能电池方阵与地面的安装角度一般都在2535范围内，190W组件竖向双排布置，每千瓦占地约1215平米。如：1MW的电池方阵占地约15000平米，约合23亩地。如果再考虑方阵之间检修通道及方阵周边道路，逆变器室及高低压配电室等所占面积（相当于住宅小区容积率的概念），1MW的太阳能电站约占地30亩，10MW的太阳能电站约占地300亩，比快速计算出的230亩相当于容积率0.77。如果电站建设在海南岛，太阳能电池方阵与地面的安装角度一般都在1015范围内，组件厂家生产的190W组件竖向双排布置，每千瓦占地约710平米，1MW的电池方阵占地约10000平米，约合15亩地。44.地平面上与带角度电池方阵上太阳辐照量经验速算在设计光伏发电系统时，都要参考电站所在地气象部门给出的太阳辐照量，气象部门给出的太阳辐照量是太阳照射在地平面上的数据，与带有倾角的电池方阵上的太阳辐照量有一定差异，两者之间为了快速换算，根据经验可在1.11.2之间选取系数，再乘以气象部门给出的太阳辐照量，就可粗略地快速计算出带有倾角的太阳辐照量。如：北京地区年水平面辐照量为1547 KWh/ m，电池组件倾斜面上的辐照量约为1547*1.18=1826 KWh / m；再如：日喀则地区年水平面辐照量为7659.6MJ / m，电池组件倾斜面上的辐照量约为（7659.6/3.6）*1.15=2446.8 KWh /m。式中3.6MJ=1 KWh。