光伏电池板与系统.pptx
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1、第六章:第六章:光伏电池板与系统光伏电池板与系统2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学1 6.1简介简介 6.2电池板设计电池板设计 6.3互联效应互联效应 6.4温度效应温度效应 6.5其它问题其它问题 6.6电池板的寿命电池板的寿命2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学2 一一块块太太阳阳能能电电池池板板是是由由许许多多单单个个太太阳阳能能电电池池连连接接而而成成的的,这这样样能能增增加加功功率率输输出出。电电池池被被封封装装起起来来以以阻阻止止来来自自周周围围环环境境的的破破坏坏和和防防止止人人们们触触电电。然然而而,电电池池板板设设计计的的几几个个方方面面可可能能会会减减少
2、少功功率率输输出出或或者者降降低低使使用用寿寿命命。接接下下来来的的几几节节将将讨讨论论电电池池是是怎怎样样被被封封装装到到板板块块里里去去的的,以以及及讨讨论论由由于于电电池池相相互互连连接接和和封封装装而而引引起起的的问问题题。电电池池互互联联系系统统或或阵阵列列系系统统最主要的影响是:最主要的影响是:不匹配的电池之间的互联引起的损耗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温度 电池板的故障模式电池板的故障模式 6.1 简介简介 一一块块电电池池板板由由许许多多互互相相连连接接的的电电池池(通通常常为为36块块串串联联着着的的电电池池)组组成成。把把互互相相连连接接的的电电池
3、池封封装装起起来来的的主主要要原原因因是是为为了了保保护护它它们们和和它它们们连连接接线线不不受受其其周周围围环环境境的的破破坏坏。例例如如,由由于于太太阳阳能能电电池池非非常常的的薄薄,所所以以在在缺缺乏乏保保护护的的情情况况下下很很容容易易受受到到机机械械损损伤伤。此此外外,电电池池表表面面的的金金属属网网格格以以及及连连接接每每个个电电池池的的金金属属线线都都有有可可能能受受到到水水或或水水蒸蒸气气的的腐腐蚀蚀。而而通通过过封封装装便便能能阻阻止止这这些些破破坏坏。比比如如,非非晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池通通常常被被封封装装在在柔柔软软的的版版块块内内,而而在在偏偏远远地地区区使使用用
4、的的晶晶体体硅硅太太阳阳能能电电池池则则通通常常保保护护在在刚刚硬硬的的玻玻璃璃封封装装内内,一一般般规规定定的的硅硅太太阳阳能能电电池池板板的的使使用用寿寿命命为为20年年,可可见见组组件件封封装装的的可可靠靠性性有有多多高。高。2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学3 典型的晶体硅典型的晶体硅电池板,为偏远地电池板,为偏远地区供电。区供电。6.2.1 电池板的设计电池板的设计 电池板的结构电池板的结构 大大多多数数晶晶体体硅硅电电池池板板都都是是由由一一块块透透明明表表层层、一一块块密密封封板板、背背板板和和围围绕绕外外围围的的框框架架。通通常常,透透明明表表层层是是一一层层玻玻璃璃
5、,密密封封层层材材料料是是EVA(乙乙基基醋醋酸酸乙乙烯烯),而而背背板板则则是是一一种种Tedlar材材料料。如如下图所示。下图所示。2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学4低铁玻璃低铁玻璃 6.2.2 电池板的设计电池板的设计 封装的材料封装的材料2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学5 6.2.2 电池板的设计电池板的设计 封装的材料封装的材料前表面材料前表面材料 光光伏伏组组件件的的前前端端表表面面必必须须对对那那些些能能够够被被电电池池吸吸收收的的光光线线保保持持高高透透明明度度。对对于于硅硅太太阳阳能能电电池池,其其前前端端表表面面必必须须能能透透过过波波长长范范围围为
6、为350nm到到1200nm的的光光。此此外外,前前端端表表面面对对光光的的反反射射率率必必须须很很低低。尽尽管管理理论论上上这这些些反反射射可可以以通通过过在在表表面面铺铺上上减减反反射射膜膜来来降降低低,但但是是实实际际上上,对对于于大大多多数数光光伏伏组组件件所所处处的的环环境境来来说说,这这些些膜膜显显然然还还不不够够耐耐用用。取取而而代代之之的的,是是使使表表面面粗粗糙糙化化或或进进行行制制绒绒。然然而而,这这样样会会使使得得尘尘埃埃和和污污染染物物停停留留在在表表面面的的可可能能性性增增大大,也也没没那那么么容容易易被被风风和和雨雨水水冲冲走走。这这些些组组件件也也因因此此失失去去
7、了了“自自我我清清洁洁”的的功功能能,减减小小反反射射的的优优势势也也迅迅速速被被表表面面不不断断增增加加的的污染物所引起的损失给抵消了。污染物所引起的损失给抵消了。2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学6 6.2.2 电池板的设计电池板的设计 封装的材料封装的材料 除除了了减减反反射射特特性性和和透透明明特特性性,顶顶端端表表面面材材料料还还应应该该不不能能透透水水,应应该该有有好好的的耐耐冲冲击击性性,应应该该能能在在长长时时间间的的紫紫外外线线照照射射下下保保持持稳稳定定,应应该该有有低低的的热热阻阻抗抗性性。水水或或水水蒸蒸气气在在渗渗入入金金属属电电极极和和连连接接线线后后会会
8、大大大大降降低低光光伏伏组组件件的的寿寿命命。大大多多数数的的组组件件的的前前端端表表面面是是用用来来增增加加机机械械强强度度和和刚刚度度的的。对对于于材材料料的的的的种种类类,可可以以有有几几种种选选择择,包包括括丙丙烯烯酸酸、聚聚合合物物和和玻玻璃璃。其其中中含含铁铁量量低低的的玻玻璃璃是是使使用用最最广广泛泛的的,因因为为它它成成本本低低、强强度度好好、稳稳定定、高高度度透透明明、不不透透水水不不透透气气同同时时还还有有自自我清洁功能。我清洁功能。密封层密封层 密密封封材材料料是是用用来来粘粘附附组组件件中中的的太太阳阳能能电电池池、前前表表面面和和背背面面的的。密密封封材材料料应应该该
9、在在高高温温和和强强紫紫外外线线照照射射下下保保持持稳稳定定。当当然然,材材料料还还应应该该有有良良好好的的光光透透性性和和低低热热阻阻抗抗。EVA是是最最常常使使用用的的密密封封材材料料。EVA板板块块被被镶镶嵌嵌在在太太阳阳能能电电池池-顶顶端端表表层层-背背层层之之间间。之之后后把把这这种种三三明明治治结结构构加加热热到到150C,EVA熔熔化化后把组件的每一层都粘合在一起。后把组件的每一层都粘合在一起。2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学7 6.2.2 电池板的设计电池板的设计 封装的材料封装的材料2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学8 6.2.2 电池板的设计电池板的
10、设计 封装的材料封装的材料背表面层背表面层 光光伏伏组组件件的的背背表表面面层层材材料料的的最最关关键键性性质质是是必必须须拥拥有有低低热热阻阻抗抗性性,同同时时必必须须能能够够阻阻止止水水和和水水蒸蒸气气的的渗渗入入。对对于于大大多多数数组组件件,薄薄的的聚聚合合物物层层特特别别是是Tedlar,是是背背表表面面层层的的首首选选材材料料。有有些些光光伏伏组组件件被被称称为为双双面面组组件件,被被设设计计成成电电池池的的正正面面和和背背面面都都能能够够接接收收光光的的照照射射。在在双双面面电电池池组组件件中中的的前表面和背表面都应该保持良好的光透性。前表面和背表面都应该保持良好的光透性。框架框
11、架 电电池池组组件件的的最最后后一一个个结结构构组组成成部部分分是是组组件件的的边边界界或或框框架架。传传统统的的光光伏伏组组件件通通常常由由铝铝制制成成,框框架架结结构构应应该该是是平平滑无凸起状的,否则会导致水、灰尘或其它异物停留在上面。滑无凸起状的,否则会导致水、灰尘或其它异物停留在上面。2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学9几种类型的硅光伏组件。几种类型的硅光伏组件。6.2.2 电池板的设计电池板的设计 封装的材料封装的材料 在在光光伏伏组组件件中中,太太阳阳能能电电池池的的封封装装密密度度指指的的是是被被电电池池覆覆盖盖的的区区域域面面积积与与空空白白区区域域面面积积的的比比
12、。封封装装密密度度影影响响着着电电池池的的输输出出功功率率以以及及电电池池温温度度。而而封封装装密密度度的的大大小小则则取取决决于于所所使使用用电电池池的的形形状状。比比如如,单单晶晶硅硅电电池池一一般般为为圆圆形形或或半半方方形形,而而多多晶晶硅硅电电池池则则通通常常为为正正方方形形。因因此此,如如果果单单晶晶硅硅电电池池不不是是切切割割成成方方形形的的话话,单单晶晶硅硅组组件件的的封封装装密密度度将将比比多多晶晶硅硅的的低低。有有关关封封装装强强度度的的几几种种选择,包括圆的和方的,在下图有介绍。选择,包括圆的和方的,在下图有介绍。2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学10圆形电池和
13、方形电池的封装密度。圆形电池和方形电池的封装密度。白色的背表面 6.2.3 电池板的设计电池板的设计封装密度封装密度2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学11 6.2.3 电池板的设计电池板的设计封装密度封装密度 当当组组件件中中电电池池排排列列较较稀稀疏疏时时,露露出出的的空空白白背背面面同同样样能能够够少少量量增增加加电电池池的的输输出出,因因为为“零零深深度度聚聚光光”效效应应的的影影响响,如如下下图图所所示示。一一些些射射入入到到电电池池与与电电池池之之间间的的空空白白区区域域和和射射到到电电极极上上的的光光,被散射后又传到电池表面。被散射后又传到电池表面。玻璃玻璃电极电极密封层
14、密封层(EVA)一一块块硅硅光光伏伏电电池池板板是是通通常常是是由由多多块块太太阳阳能能电电池池互互相相串串联联而而成成,以以提提高高输输出出电电压压和和输输出出电电流流。光光伏伏组组件件的的输输出出电电压压通通常常被被设设计计成成与与12伏伏蓄蓄电电池池相相融融的的形形式式。而而在在25C和和AM1.5条条件件下下,单单个个硅硅太太阳阳能能电电池池的的输输出出电电压压只只有有0.6V。考考虑虑到到由由于于温温度度造造成成的的电电池池板板电电压压损损失失和和蓄蓄电电池池所所需需要要的的充充电电电电压压可可能能达达到到15V或或者者更更多多,大大多多数数光光伏伏组组件件由由36块块电电池池片片组
15、组成成。这这样样,在在标标准准测测试试条条件件下下,输输出出的的开开路路电电压压将将达达到到21V,在在工工作作温温度度下下,最最大大功功率率点点处处的的工工作作电电压压大大约约为为17V或或18V。剩剩余余的的电电压压包包括括由由光光伏伏系系统统中中的的其其它它因因素素造造成成的的电电压压损损失失,例例如如电电池池在在远远离离最最大大功功率率输出点处工作和光强变弱。输出点处工作和光强变弱。2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学12 6.3.1.互联效应互联效应 组件电路的设计组件电路的设计2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学13 6.3.1.互联效应互联效应 组件电路的设计组件
16、电路的设计典型的组件由典型的组件由36块电池串联而成块电池串联而成在典型的组件中,在典型的组件中,36块电池串联起来以使输块电池串联起来以使输出的电压足以为出的电压足以为12V的电池充电。的电池充电。2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学14 6.3.1.互联效应互联效应 组件电路的设计组件电路的设计 虽虽然然光光伏伏组组件件的的电电压压大大小小决决定定于于电电池池的的数数量量,但但是是组组件件的的输输出出电电流流却却决决定定于于单单个个太太阳阳能能电电池池的的尺尺寸寸大大小小和和它它们们的的转转换换效效率率。在在AM1.5和和最最优优倾倾斜斜角角度度下下,商商用用电电池池的的电电流流密
17、密度度大大约约在在30mA/cm2到到36mA/cm2之之间间。单单晶晶硅硅电电池池的的面面积积通通常常为为100cm2,则则总总的的输输出出电电流流大大约约为为3.5A。多多晶晶硅硅电电池池组组件件的的电电池池片片面面积积更更大大但但电电流流密密度度较较低低,因因此此输输出出自自这这些些组组件件的的短短路路电电流流通通常常为为4A左左右右。但但是是,多多晶晶硅硅电电池池的的面面积积可可以以有有多多种种变变化化,因因此此电电流流也也可可以以有有多多种种选选择择。组组件件的的输输出出电电流流和和电电压压并并不不受受温温度的影响,但却容易受组件的倾斜角度的影响。度的影响,但却容易受组件的倾斜角度的
18、影响。如如果果组组件件中中的的所所有有太太阳阳能能电电池池都都有有相相同同的的电电特特性性,并并处处在在相相同同的的光光照照和和温温度度下下,则则所所有有的的电电池池都都将将输输出出相相等等的的电电流流和和电电压压。在在这这种种情情况况下下,光光伏伏组组件件的的IV曲曲线线的的形形状状将将和和单单个个电电池池的的形形状状相相同同,只只是是电电压压和和电电流流都都增增大大了了。则则此此电电路路的的方方程程为:为:2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学15 式式中中,N表表示示串串联联电电池池的的个个数数,M为为并并联联电电池池的的个个数数,IT为为电电路路的的总总电电流流,VT电电路路的的
19、总总电电压压,Io是是单单个个电电池池的的饱饱和和电电流流,IL是是单单个个电电池池的的短短路路电电流流,n是是单单个个电电池池的的理理想想填填充充因因子子,而而q、k和和T则为常数。则为常数。6.3.1.互联效应互联效应 组件电路的设计组件电路的设计2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学16 6.3.1.互联效应互联效应 组件电路的设计组件电路的设计N个电池串联,个电池串联,M个电池并联的电路个电池并联的电路IV曲线。曲线。由一系列相同的电池连接而成的总电路的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。曲线如下图所示。错错配配损损耗耗是是由由互互相相连连接接的的电电池池或或
20、组组件件没没有有相相同同的的性性能能或或者者工工作作在在不不同同的的条条件件下下造造成成的的。在在工工作作条条件件相相同同的的情情况况下下,错错配配损损耗耗是是一一个个相相当当严严重重的的问问题题,因因为为整整个个光光伏伏组组件件的的输输出出是是决决定定于于那那个个表表现现最最差差的的电电池池的的输输出出的的。例例如如,在在一一块块电电池池片片被被阴阴影影遮遮住住而而其其它它电电池池则则没没有有的的情情况况下下,由由那那些些“好好”电电池池所所产产生生的的电电能能将将被被表表现现差差的的电电池池所所抵抵消消,而而不不是是用用于于驱驱动动电电路路。这这反反过过来来还还可可能能会会导导致致局局部部
21、电电能能的的严严重重损损失失,而而由由此此产产生生的的局局部部加加热热也可能引起对组件无法挽回的损失。也可能引起对组件无法挽回的损失。2024/9/6 周五17 组组件件局局部部被被阴阴影影遮遮住住是是引引起起光伏组件错配的主要原因。光伏组件错配的主要原因。6.3.2 互联效应互联效应 错配效应错配效应2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学18 6.3.2 互联效应互联效应 错配效应错配效应 当当组组件件中中的的一一个个太太阳阳能能电电池池的的参参数数与与其其它它的的明明显显不不同同时时,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:错配现象就会发生。由错配造成的影响和电能损失
22、大小决定于:光伏组件的工作点光伏组件的工作点 电路的结构布局电路的结构布局 受影响电池的参数受影响电池的参数 一一个个电电池池与与其其余余电电池池在在IV曲曲线线的的上上任任何何一一处处的的差差异异都都将将引引起起错错配配损损耗耗。下下图图将将展展示示电电池池的的非非理理想想IV曲曲线线和和工工作作环环境境。尽尽管管错错配配现现象象可可能能由由电电池池参参数数的的任任何何一一部部分分所所引引起起,但但是是严严重重的的错错配配通通常常都都是是由由短短路路电电流流或或开开路路电电压压的的差差异异所所引引起起的的。错错配配的的影影响响大大小小同同时时取取决决于于电电路路的的结结构构和和错错配配的的类
23、类型型,在在下下面面的的几几节节中我们将有更详细的讨论。中我们将有更详细的讨论。2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学19理想太阳能电池和非理想太阳能电池的比较。最大的错配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。差异是当电压被反向偏压的时候造成的。.反向电压很高时,反向电压很高时,pn结可能被击穿结可能被击穿并联电阻引并联电阻引起的下降起的下降电池消耗能量电池消耗能量非理想太阳能电池非理想太阳能电池电池产生能量电池产生能量电池消耗能量电池消耗能量串联电阻引起串联电阻引起的额外下降的额外下降理想太阳能电池理想太阳能电池 6.3.2 互联效应互联
24、效应 错配效应错配效应 因因为为大大多多数数光光伏伏组组件件都都是是串串联联形形式式的的,所所以以串串联联错错配配是是人人们们最最常常遇遇到到的的错错配配类类型型。在在两两种种最最简简单单的的错错配配类类型型中中(短短路路电电流流的的错错配配和和开开路路电电压压错错配配),短短路路电电流流的的错错配配比比较较常常见见,它它很很容容易易被被组组件件的的阴阴影影部部分分所所引引起起。同同时时,这这种种错错配配类类型型也也是是最最严严重的。重的。2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学20 对对于于两两个个互互相相串串联联的的电电池池来来说说,流流过过两两者者的的电电流流大大小小是是一一样样的的
25、。产产生生的的总总电电压压等等于于每每个个电电池池的的电电压压的的总总和和。因因为为电电流流大大小小需需要要一一致致,所所以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。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。6.3.3 互联效应互联效应串联电池的错配串联电池的错配2024/9/6 周五UNSW新南威尔士大学21 6.3.3 互联效应互联效应串联电池的错配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 串联电池的开路电压错配是一种比较不严重的错配类型。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
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