太陽能電池組件及方陣的研究和設計

　　要: 太陽能方陣及組件的設計是光伏系統的重要部分，決定了光伏系統的效率和性能。通過分析太陽能單體、太陽能組件和太陽能方陣的性能和特點，給出太陽能組件及方陣的設計的一般原則。

　　本文源自王娜; 樊曉宇; 左緒忠; 劉春見， 科技風 發表時間：2021-04-08《科技風》是經科技部和國家新聞出版總署批準的大型綜合類科技期刊。國內統一刊號CN13-1322/N，國際刊號ISSN1671-7341，郵發代號：18-38(全國郵局均可訂閱)。《科技風》(半月刊)創刊于1988年，是經科技部和國家新聞出版總署批準的大型綜合類科技期刊。成立至今，經過幾十年發展，現設有北京、石家莊兩個運營中心，業務范圍涵蓋期刊出版、網絡傳播、公關咨詢、講座培訓、出版服務等多個領域，聚合了大批相關領域的專家學者及一線專業工作人員，特別是在教育科技、科學學科和汽車科技領域有著廣泛影響。

　　關鍵詞: 太陽能電池; 光伏組件; 光伏方陣

　　目前，我國資源枯竭現象明顯。東北集中了我國 1 /4 的資源型城市，1998 年出現“東北現象”、2000 年出現“萎縮礦區”、2005 年出現“森林基地縮減至 98%”等資源枯竭現象。國內生態環境日趨惡化。長期的傳統能源消耗，人造氣體增加。以地球為研究對象，太陽光輻射為吸熱，地球輻射為放熱、吸收和放熱，因為大氣層的存在而保持一定的溫度。現在隨著人造氣體的增加，地球的能量不能正常逃逸，地球就像被困在厚厚的玻璃里，這樣地球溫度上升，這就是全球溫室效應。最近幾年，空氣污染較為突出，霧霾天氣頻繁出現，嚴重影響人們的出行和生活。因為長時間霧霾、地下水層污染和食品添加劑的長期使用，最近幾年，肝癌、胃癌和肺癌等癌癥將會越來越普遍。

　　與清潔能源使用相比，傳統能源開采過程會對地表造成嚴重的破壞，以露天煤礦為例，需要剝離巖土層才能露出煤炭，長年累月的挖掘，山丘被夷為平地，平地被鏟成洼地。巖土層沒被剝離后的礦區會寸土不生，嚴重破壞了生態平衡。我國地域遼闊，大大小小的露天煤礦多達 5300 個。盡管如此，我國露天煤礦占總煤量的 15%，85%的儲量在多百米甚至千米之下，需要井下作業。開采結束后，原來的煤層填充空間如果置之不理就會發生巖層垮塌和地面下沉現象。

　　為此，國家首先在東北進行經濟轉型試點。2001 年阜新被設為首個資源枯竭城市，2007 年東北進入全面“生態文明”建設，即以較低的資源代價和環境代價換取較高的經濟發展速度。2010 年，國務院常務會議審議并原則通過加快新興產業的決定，其中就包括光伏產業。目前，我國傳統能源消費比例明顯下降，以煤炭為例，已經從 70 年代的 90%以上下降至 60%以下，未來還會繼續下降。

　　1 太陽能電池組件的設計

　　太陽能電池簡單地說就是一個 pn 節。以同質硅為例，如圖 1 所示，低濃度離子注入硼形成 p 型半導體，然后表面高濃度注入磷形成 n 型，這樣表層 n 型區與底層 p 型區之間就形成 pn 結。從半導體物理的角度，pn 結分為三個區，p 型區( 中性區，帶負電的雜質離子，空穴，均勻分布，顯電中性) ， n 型區( 中性區，帶正電的雜質離子、電子，均勻分布，顯電中性) ，中間耗盡層( p 側留下不可移動的帶負電的雜質離子，n 側留下不可移動的帶正電的雜質離子，內建電場) 。太陽光照射表面，三個區均可以產生電子-空穴對，在內建電場的作用下，p 側聚集空穴對應電源的正極，n 側聚集電子對應電源的負極，如果有外電路，電流就會從 p 側流向 n 側。

　　太陽能 電 池 最 小 的 單 元 稱 為 單 體，典型工作電壓值 0. 48V，工作電流 25mA/cm2 ，無法滿足負載的需求，如圖 2 所示。根據負載的要求對太陽能電池單體進行串聯可以輸出較大的電壓，將單體進行并聯可以輸出較大的電流。這也是生活中常見的太陽能電池板，一般包括以下幾部分: 鋁質邊框、玻璃表層、太陽能電池、底層材料及層之間的 EVA 黏膠。單體串并聯封裝成品稱為組件，組件在經過串并聯在活動或者固定支架上稱為太陽能電池方陣，如圖 2 所示。常見的將單體進行均勻分割 2 份或者 4 等份進行重新矩陣排布。根據電學知識，單體被分成 2 片，工作電壓不變，工作電流會減半，即工作電流與面積呈正比，功率不變。比如，單體分成 2 片，用 36 片( 4×9) 串聯排布就可以輸出 17V 的電壓為 12V 的蓄電池充電。在鋁框封裝時，電池片間距約 2mm 左右，左右邊距約 15mm，上下邊距約 40mm。比如要設計一塊 90W 的太陽能電池組件為 12V 蓄電池充電，現在工廠有單片最大工作電壓 0. 5V，最大工作電流 8A，問該組件的設計規格? 根據已知條件，單片輸出功率為 4W，這需要單片的數量應該是 90/4 約 23片單體，再看電壓的要求 12V 的蓄電池要求太陽能電池組件的最大峰值電壓為 20V 左右，所以將單體 2 等份，這樣等份的話電壓不變，則串聯就可以輸出 46×0.5 約 23V 的電壓值給 12V 的蓄電池充電。輸出功率 4×26 約 104W 滿足負載功率的要求，可以采用 2×23 排布方式進行組件設計。

　　2 太陽能電池方陣的設計

　　太陽能電池方陣一般有三種排布方式: 串聯組合、并聯組合和串并聯混合。串聯時，每個組件需要并聯旁路二極管。二極管的 p 側連太陽能電池的負極，n 側連正極，當太陽能電池正常工作時，二極管不導通，但是當組件出現故障時，二極管與其他太陽能電池之間串聯變成 P 側連正極，n 側連負極剛好導通，這樣回路中的電流經二極管繞過壞掉的不工作的太陽能組件繼續，整個方陣正常供電，所以該位置的二極管稱為旁路二極管。串聯防反充二極管，即正極連 pn 結 p 側負極連 pn 結 n 側，電池板正常 pn 結導通，如果反向施壓則 pn 結反偏，電路不通起到防反充作用。電池組件如果局部被樹葉或者鳥類糞便覆蓋，就像反偏的二極管，p 側連電源的負極而 n 側連電源的正極，相當于一個很大的電阻進而壓降也很大，最終導致發熱嚴重時會破壞組件( 玻璃受熱膨脹等) ，因此方陣位于相對空曠的地方，定時清潔太陽能電池板，避免熱斑現象的產生。

　　一個組件最大輸出功率 108W，最大工作電壓是 36.2V，如果負載要求功率是 30kW，所需直流電壓是 512V，組件應該怎么設計。首先根據負載功率要求算出組件的塊數， 30kW /108W 得 277 塊 電 池 組 件，又根據負載電壓要求 512V/36.2V 約為 14 塊串聯，這樣就可以算出并聯個數約 20 塊。大致計算之后可以得到該組合為 14 串 20 并的方陣，總塊數為 280 塊，最大輸出功率為 280×108W 約為 30.2kW。又如某一發電系統采用直流供電，負載工作電壓為 48V，用電量為 150Ah，該地區最低輻照水平在 12 月份，其傾斜面峰值日照時數為 3.5h，如果用功率為 125W( 工作電壓 34.2V，工作電流 3.65A) 的電池組件，如何設計? ( 假設組件損耗系數是 0. 9，蓄電池充電效率為 0.9) 首先根據電壓可以算出串聯數即 48 /( 0.9×0.9×34.2) 約等于 2 塊，然后根據用電量算出并聯塊數 150 /( 3.5×3.65×0.9×0.9) 約為 15 塊。則改系統為 2 串 15 并的系統，最大輸出功率為 3.75kW。

　　3 太陽能電池組件和方陣研究現狀

　　光伏組件的性能直接決定了光伏發電系統的發電能力。調查顯示，30%的光伏發電站在運營 3 年后都會不同程度出現功率大幅衰減現象，絕大部分是因為光伏板隱裂問題。什么是光伏板隱裂現象呢? 隱裂是太陽能光伏單片組合在封裝過程中或者封裝后收到較大的機械應力或者過熱，就會出現肉眼無法辨別的細裂紋，就會導致電池片不工作。因此隱裂的原因有: 生產線工藝參數不嚴謹。光伏組件生產要經過近 10 項工序，每道工序都有他們的參數要求，如果參數控制不嚴謹就會導致隱裂; 生產設備本身會對電池片產生直接的力的作用，機械臂精度不夠也會造成隱裂現象; 目前沒有完整的自動化生產線，部分工序需要人工操作，比如 EVA 膠的涂抹，手指按壓不當也會造成隱裂; 封裝好的組件在運輸過程中如果遭到野蠻搬運或者安裝不規范也會對組件造成傷害進而形成隱裂。另外，光伏陣列所在的區域的氣候環境的劇烈變化也會對組件造成傷害，形成隱裂。隱裂為什么會讓光伏組件發電性能急劇下降呢? 隱裂的太陽能電池片可能在 2—3 年之后就不能正常工作了，那么此時的太陽能片就相當于一個反偏的二極管，阻值較大，消耗的功率大就會發熱形成熱板，比正常電池片溫度高 10 ～ 20 攝氏度，嚴重時會讓電池組件破裂，整個組件不能正常工作。

　　4 結語

　　組件的性能直接決定了光伏發電系統的效率，而負載的需求決定了組件的配置和安裝。組件主要有單片的串并聯而成，最終鋁框封裝。單片在分割過程中遵循最大工作電壓不變，最大工作電流與面積呈正比的原則。組件通過串聯、并聯或者串并聯的方式輸出負載需求的電壓、電流和功率，稱之為方陣。方陣利用旁路二極管和防反充二極管盡可能保護發電方陣的穩定性。