太阳能电池组件及方阵的研究和设计

　　要: 太阳能方阵及组件的设计是光伏系统的重要部分，决定了光伏系统的效率和性能。通过分析太阳能单体、太阳能组件和太阳能方阵的性能和特点，给出太阳能组件及方阵的设计的一般原则。

　　本文源自王娜; 樊晓宇; 左绪忠; 刘春见， 科技风 发表时间：2021-04-08《科技风》是经科技部和国家新闻出版总署批准的大型综合类科技期刊。国内统一刊号CN13-1322/N，国际刊号ISSN1671-7341，邮发代号：18-38(全国邮局均可订阅)。《科技风》(半月刊)创刊于1988年，是经科技部和国家新闻出版总署批准的大型综合类科技期刊。成立至今，经过几十年发展，现设有北京、石家庄两个运营中心，业务范围涵盖期刊出版、网络传播、公关咨询、讲座培训、出版服务等多个领域，聚合了大批相关领域的专家学者及一线专业工作人员，特别是在教育科技、科学学科和汽车科技领域有着广泛影响。

　　关键词: 太阳能电池; 光伏组件; 光伏方阵

　　目前，我国资源枯竭现象明显。东北集中了我国 1 /4 的资源型城市，1998 年出现“东北现象”、2000 年出现“萎缩矿区”、2005 年出现“森林基地缩减至 98%”等资源枯竭现象。国内生态环境日趋恶化。长期的传统能源消耗，人造气体增加。以地球为研究对象，太阳光辐射为吸热，地球辐射为放热、吸收和放热，因为大气层的存在而保持一定的温度。现在随着人造气体的增加，地球的能量不能正常逃逸，地球就像被困在厚厚的玻璃里，这样地球温度上升，这就是全球温室效应。最近几年，空气污染较为突出，雾霾天气频繁出现，严重影响人们的出行和生活。因为长时间雾霾、地下水层污染和食品添加剂的长期使用，最近几年，肝癌、胃癌和肺癌等癌症将会越来越普遍。

　　与清洁能源使用相比，传统能源开采过程会对地表造成严重的破坏，以露天煤矿为例，需要剥离岩土层才能露出煤炭，长年累月的挖掘，山丘被夷为平地，平地被铲成洼地。岩土层没被剥离后的矿区会寸土不生，严重破坏了生态平衡。我国地域辽阔，大大小小的露天煤矿多达 5300 个。尽管如此，我国露天煤矿占总煤量的 15%，85%的储量在多百米甚至千米之下，需要井下作业。开采结束后，原来的煤层填充空间如果置之不理就会发生岩层垮塌和地面下沉现象。

　　为此，国家首先在东北进行经济转型试点。2001 年阜新被设为首个资源枯竭城市，2007 年东北进入全面“生态文明”建设，即以较低的资源代价和环境代价换取较高的经济发展速度。2010 年，国务院常务会议审议并原则通过加快新兴产业的决定，其中就包括光伏产业。目前，我国传统能源消费比例明显下降，以煤炭为例，已经从 70 年代的 90%以上下降至 60%以下，未来还会继续下降。

　　1 太阳能电池组件的设计

　　太阳能电池简单地说就是一个 pn 节。以同质硅为例，如图 1 所示，低浓度离子注入硼形成 p 型半导体，然后表面高浓度注入磷形成 n 型，这样表层 n 型区与底层 p 型区之间就形成 pn 结。从半导体物理的角度，pn 结分为三个区，p 型区( 中性区，带负电的杂质离子，空穴，均匀分布，显电中性) ， n 型区( 中性区，带正电的杂质离子、电子，均匀分布，显电中性) ，中间耗尽层( p 侧留下不可移动的带负电的杂质离子，n 侧留下不可移动的带正电的杂质离子，内建电场) 。太阳光照射表面，三个区均可以产生电子-空穴对，在内建电场的作用下，p 侧聚集空穴对应电源的正极，n 侧聚集电子对应电源的负极，如果有外电路，电流就会从 p 侧流向 n 侧。

　　太阳能 电 池 最 小 的 单 元 称 为 单 体，典型工作电压值 0. 48V，工作电流 25mA/cm2 ，无法满足负载的需求，如图 2 所示。根据负载的要求对太阳能电池单体进行串联可以输出较大的电压，将单体进行并联可以输出较大的电流。这也是生活中常见的太阳能电池板，一般包括以下几部分: 铝质边框、玻璃表层、太阳能电池、底层材料及层之间的 EVA 黏胶。单体串并联封装成品称为组件，组件在经过串并联在活动或者固定支架上称为太阳能电池方阵，如图 2 所示。常见的将单体进行均匀分割 2 份或者 4 等份进行重新矩阵排布。根据电学知识，单体被分成 2 片，工作电压不变，工作电流会减半，即工作电流与面积呈正比，功率不变。比如，单体分成 2 片，用 36 片( 4×9) 串联排布就可以输出 17V 的电压为 12V 的蓄电池充电。在铝框封装时，电池片间距约 2mm 左右，左右边距约 15mm，上下边距约 40mm。比如要设计一块 90W 的太阳能电池组件为 12V 蓄电池充电，现在工厂有单片最大工作电压 0. 5V，最大工作电流 8A，问该组件的设计规格? 根据已知条件，单片输出功率为 4W，这需要单片的数量应该是 90/4 约 23片单体，再看电压的要求 12V 的蓄电池要求太阳能电池组件的最大峰值电压为 20V 左右，所以将单体 2 等份，这样等份的话电压不变，则串联就可以输出 46×0.5 约 23V 的电压值给 12V 的蓄电池充电。输出功率 4×26 约 104W 满足负载功率的要求，可以采用 2×23 排布方式进行组件设计。

　　2 太阳能电池方阵的设计

　　太阳能电池方阵一般有三种排布方式: 串联组合、并联组合和串并联混合。串联时，每个组件需要并联旁路二极管。二极管的 p 侧连太阳能电池的负极，n 侧连正极，当太阳能电池正常工作时，二极管不导通，但是当组件出现故障时，二极管与其他太阳能电池之间串联变成 P 侧连正极，n 侧连负极刚好导通，这样回路中的电流经二极管绕过坏掉的不工作的太阳能组件继续，整个方阵正常供电，所以该位置的二极管称为旁路二极管。串联防反充二极管，即正极连 pn 结 p 侧负极连 pn 结 n 侧，电池板正常 pn 结导通，如果反向施压则 pn 结反偏，电路不通起到防反充作用。电池组件如果局部被树叶或者鸟类粪便覆盖，就像反偏的二极管，p 侧连电源的负极而 n 侧连电源的正极，相当于一个很大的电阻进而压降也很大，最终导致发热严重时会破坏组件( 玻璃受热膨胀等) ，因此方阵位于相对空旷的地方，定时清洁太阳能电池板，避免热斑现象的产生。

　　一个组件最大输出功率 108W，最大工作电压是 36.2V，如果负载要求功率是 30kW，所需直流电压是 512V，组件应该怎么设计。首先根据负载功率要求算出组件的块数， 30kW /108W 得 277 块 电 池 组 件，又根据负载电压要求 512V/36.2V 约为 14 块串联，这样就可以算出并联个数约 20 块。大致计算之后可以得到该组合为 14 串 20 并的方阵，总块数为 280 块，最大输出功率为 280×108W 约为 30.2kW。又如某一发电系统采用直流供电，负载工作电压为 48V，用电量为 150Ah，该地区最低辐照水平在 12 月份，其倾斜面峰值日照时数为 3.5h，如果用功率为 125W( 工作电压 34.2V，工作电流 3.65A) 的电池组件，如何设计? ( 假设组件损耗系数是 0. 9，蓄电池充电效率为 0.9) 首先根据电压可以算出串联数即 48 /( 0.9×0.9×34.2) 约等于 2 块，然后根据用电量算出并联块数 150 /( 3.5×3.65×0.9×0.9) 约为 15 块。则改系统为 2 串 15 并的系统，最大输出功率为 3.75kW。

　　3 太阳能电池组件和方阵研究现状

　　光伏组件的性能直接决定了光伏发电系统的发电能力。调查显示，30%的光伏发电站在运营 3 年后都会不同程度出现功率大幅衰减现象，绝大部分是因为光伏板隐裂问题。什么是光伏板隐裂现象呢? 隐裂是太阳能光伏单片组合在封装过程中或者封装后收到较大的机械应力或者过热，就会出现肉眼无法辨别的细裂纹，就会导致电池片不工作。因此隐裂的原因有: 生产线工艺参数不严谨。光伏组件生产要经过近 10 项工序，每道工序都有他们的参数要求，如果参数控制不严谨就会导致隐裂; 生产设备本身会对电池片产生直接的力的作用，机械臂精度不够也会造成隐裂现象; 目前没有完整的自动化生产线，部分工序需要人工操作，比如 EVA 胶的涂抹，手指按压不当也会造成隐裂; 封装好的组件在运输过程中如果遭到野蛮搬运或者安装不规范也会对组件造成伤害进而形成隐裂。另外，光伏阵列所在的区域的气候环境的剧烈变化也会对组件造成伤害，形成隐裂。隐裂为什么会让光伏组件发电性能急剧下降呢? 隐裂的太阳能电池片可能在 2—3 年之后就不能正常工作了，那么此时的太阳能片就相当于一个反偏的二极管，阻值较大，消耗的功率大就会发热形成热板，比正常电池片温度高 10 ～ 20 摄氏度，严重时会让电池组件破裂，整个组件不能正常工作。

　　4 结语

　　组件的性能直接决定了光伏发电系统的效率，而负载的需求决定了组件的配置和安装。组件主要有单片的串并联而成，最终铝框封装。单片在分割过程中遵循最大工作电压不变，最大工作电流与面积呈正比的原则。组件通过串联、并联或者串并联的方式输出负载需求的电压、电流和功率，称之为方阵。方阵利用旁路二极管和防反充二极管尽可能保护发电方阵的稳定性。