第六章光伏電池板與系統&6.2電池板設計&6.3互聯效應&6.4溫度效應&6.5其它問題&6.6電池板的壽命&6.1簡介2/4/20231UNSW新南威爾士大學&6.1簡介一塊太陽能電池板是由許多單個太陽能電池連接而成的，這樣能增加功率輸出。電池被封裝起來以阻止來自周圍環境的破壞和防止人們觸電。電池互聯系統最主要的影響是：不匹配的電池之間的互聯引起的損耗電池板的溫度電池板的故障模式2/4/20232UNSW新南威爾士大學&6.2.1電池板的設計-電池板的結構一塊電池板由許多互相連接的電池組成。由于太陽能電池非常的薄，所以在缺乏保護的情況下很容易受到機械損傷。電池表面的金屬網格以及連接每個電池的金屬線都有可能受到水或水蒸氣的腐蝕。一般規定的硅太陽能電池板的使用壽命為20年，可見組件封裝的可靠性有多高。典型的晶體硅電池板2/4/20233UNSW新南威爾士大學&6.2.2電池板的設計-封裝的材料電池板都是由透明表層、密封板、背板和圍繞外圍的框架。通常，透明表層是一層玻璃，密封層材料是EVA（乙烯醋酸乙烯），而背板則是一種PVF材料(聚氟乙烯)。2/4/20234UNSW新南威爾士大學&6.2.2電池板的設計-封裝的材料前表面材料光伏組件的前端表面必須對那些能夠被電池吸收的光線保持高透明度。對于硅太陽能電池，前端表面必須能透過波長范圍為350~1200nm的光。前端表面對光的反射率必須很低。盡管理論上這些反射可以通過在表面鋪上減反射膜來降低，但是這些膜還不夠耐用。使表面粗糙化或進行制絨。然而，這樣會使得塵埃和污染物停留在表面的可能性增大，也沒那么容易被風和雨水沖走。頂端表面材料還應該不能透水，應該有好的耐沖擊性，應該能在長時間的紫外線照射下保持穩定，應該有低的熱阻抗性。含鐵量低的玻璃是使用最廣泛的，因為它成本低、強度好、穩定、高度透明、不透水不透氣同時還有自我清潔功能。2/4/20235UNSW新南威爾士大學&6.2.2電池板的設計-封裝的材料密封層密封材料應該在高溫和強紫外線照射下保持穩定，有良好的光透性和低熱阻抗。EVA是最常使用的密封材料。EVA板塊被鑲嵌在太陽能電池-頂端表層-背層之間。之后把這種三明治結構加熱到150°C，EVA熔化后把組件的每一層都粘合在一起。背表面層

光伏組件的背表面層材料的最關鍵性質是必須擁有低熱阻抗性，同時必須能夠阻止水和水蒸氣的滲入。有些光伏組件被稱為雙面組件，被設計成電池的正面和背面都能夠接收光的照射。在雙面電池組件中的前表面和背表面都應該保持良好的光透性。2/4/20236UNSW新南威爾士大學&6.2.2電池板的設計-封裝的材料

框架

電池組件的最后一個結構組成部分是組件的邊界或框架。傳統的光伏組件通常由鋁制成，框架結構應該是平滑無凸起狀的，否則會導致水、灰塵或其它異物停留在上面。幾種類型的硅光伏組件2/4/20237UNSW新南威爾士大學&6.2.3電池板的設計-封裝密度在光伏組件中，太陽能電池的封裝密度指的是被電池覆蓋的區域面積與空白區域面積的比。封裝密度影響著電池的輸出功率以及電池溫度。而封裝密度的大小則取決于所使用電池的形狀。比如，單晶硅電池一般為圓形或半方形，而多晶硅電池則通常為正方形。圓形電池和方形電池的封裝密度當組件中電池排列較稀疏時，露出的空白背面同樣能夠少量增加電池的輸出。一些射入到電池與電池之間空白區域和射到電極上的光，被散射后又傳到電池表面。2/4/20238UNSW新南威爾士大學&6.3.1.互聯效應-組件電路的設計在25°C和AM1.5條件下，單個硅太陽能電池的輸出電壓只有0.6V。大多數光伏組件由36塊電池片組成，輸出的開路電壓將達到21V。在工作溫度下，最大功率點處的工作電壓大約為17V或18V。在典型的組件中，36塊電池串聯起來以使輸出的電壓足以為12V的電池充電2/4/20239UNSW新南威爾士大學&6.3.1互聯效應-組件電路的設計一塊單晶硅電池的電池電流：30~36mA/cm2。單晶硅電池的面積通常為100cm2，則總的輸出電流大約為3.5A。組件的輸出電流和電壓并不受溫度的影響，但卻容易受組件的傾斜角度的影響。光伏組件的IV曲線的形狀將和單個電池的形狀相同，電路的方程為：N表示串聯電池的個數，M為并聯電池的個數，IT為電路的總電流，VT電路的總電壓，Io是單個電池的飽和電流，IL是單個電池的短路電流，n是單個電池的理想填充因子。2/4/202310UNSW新南威爾士大學&6.3.1互聯效應-組件電路的設計N個電池串聯，M個電池并聯的電路I-V曲線2/4/202311UNSW新南威爾士大學&6.3.2互聯效應-錯配效應錯配損耗是由互相連接的電池或組件沒有相同的性能或者工作在不同的條件下造成的。錯配損耗是一個相當嚴重的問題，因為整個光伏組件的輸出是決定于那個表現最差的電池的輸出的。在一塊電池片被陰影遮住，由那些“好”電池所產生的電能將被表現差的電池所抵消，而不是用于驅動電路。產生的局部加熱也可能引起對組件無法挽回的損失。組件局部被陰影遮住是引起光伏組件錯配的主要原因2/4/202312UNSW新南威爾士大學&6.3.2互聯效應-錯配效應由錯配造成的影響和電能損失大小決定于：光伏組件的工作點電路的結構布局受影響電池的參數

一個電池與其余電池在IV曲線的上任何一處的差異都將引起錯配損耗。嚴重的錯配通常都是由短路電流或開路電壓的差異所引起的。2/4/202313UNSW新南威爾士大學&6.3.2互聯效應-錯配效應.理想太陽能電池和非理想太陽能電池的比較。最大的錯配差異是當電壓被反向偏壓的時候造成的。2/4/202314UNSW新南威爾士大學&6.3.3互聯效應-串聯電池的錯配串聯錯配是人們最常遇到的錯配類型。在兩種最簡單的錯配類型中（短路電流的錯配和開路電壓錯配），短路電流的錯配比較常見，也是最嚴重的，它很容易被組件的陰影部分所引起。對于兩個互相串聯的電池來說，產生的總電壓等于每個電池的電壓的總和。因為電流大小需要一致，所以在電流中出現錯配就意味著總的電流必須大小等于那個最小的值。2/4/202315UNSW新南威爾士大學&6.3.3互聯效應-串聯電池的錯配串聯電池的開路電壓錯配串聯電池的開路電壓錯配是一種比較不嚴重的錯配類型，因為兩個電池是串聯起來的，所以流經兩個電池的電流是一樣的，而總的電壓則等于每個電池的電壓之和。串聯電池的短路電流錯配短路電流錯配對光伏組件有重大影響。由于穿過電池的電流是一樣的，所以兩者結合的總電流不能超過有問題電池的電流。2/4/202316UNSW新南威爾士大學&6.3.4互聯效應-熱點加熱“熱點加熱”現象發生在幾個串聯電池中出現了一個問題電池時。

巨大的能量消耗在一片小小的區域，局部過熱就會發生，或者叫“熱點”，它反過來也會導致破壞性影響，例如電池或玻璃破碎、焊線熔化或電池的退化。一個被陰影遮住的電池減少了電路電流，使得好電池提高電壓，并常常導致“問題”電池的電壓反置。2/4/202317UNSW新南威爾士大學&6.3.4互聯效應-熱點加熱問題電池的熱耗散導致組件的破碎。2/4/202318UNSW新南威爾士大學&6.3.5互聯效應-旁路二極管通過使用旁路二極管可以避免熱點加熱效應對組件造成的破壞。二極管與電池并聯且方向相反。在正常工作狀態，每個太陽能電池的電壓都是正向偏置的，旁路二極管的電壓為反向偏置，相當于開路。如果串聯電池中有一個電池因此發生錯配而導致電壓被反向偏置，則旁路二極管就會立即導通，因此使得來自好電池的電流能流向外部電路而不是變成每個電池前置偏壓。穿過問題電池的最大反向電壓將等于單個旁路二極管的管壓降，由此限制了電流大小并阻止了熱點加熱。旁路二極管的工作狀態和它對I-V曲線的影響2/4/202319UNSW新南威爾士大學&6.3.5互聯效應-旁路二極管接有二極管的電池的I-V曲線。二極管能阻止熱點加熱。如果沒有旁路二極管，錯配效應的破壞將更嚴重。2/4/202320UNSW新南威爾士大學&6.3.5互聯效應-旁路二極管連接電池組的旁路二極管。穿過好電池的電壓大小決定于問題電池的問題嚴重程度。右圖中，0.5V只是任意取的數值。2/4/202321UNSW新南威爾士大學&6.3.6互聯效應-并聯電池的錯配通常在大的光伏陣列中組件才以并聯形式連接，錯配通常發生在組件與組件之間，而不是電池與電池之間。電池之間并聯。穿過每個電池的電壓總是相等的，電路的總電流等于每個電池之和。錯配對電流的影響不大，總的電流總是比單個電池電流高，降低了好電池的開路電壓。2/4/202322UNSW新南威爾士大學&6.3.7互聯效應-光伏陣列中的錯配效應大型光伏陣列中的潛在錯配效應。盡管所有的組件都是一樣的，且陣列中沒有電池被陰影遮住，但仍然可能出現熱點加熱現象。2/4/202323UNSW新南威爾士大學并聯組件中的旁路二極管。&6.3.7互聯效應-光伏陣列中的錯配效應2/4/202324UNSW新南威爾士大學&6.3.7互聯效應-光伏陣列中的錯配效應阻塞二極管在并聯組件中的作用問題電池組的阻塞二極管阻止了電流從旁邊的電池組流向問題電池組。2/4/202325UNSW新南威爾士大學&6.4.1溫度效應-光伏組件的溫度溫度的增加對電池的主要影響是減小電池的輸出電壓，從而降低輸出功率。6個電池組成的組件的熱成像圖片組件向外散發熱量可以分為三個過程：傳導、對流和輻射。2/4/202326UNSW新南威爾士大學&6.4.2溫度效應-光伏組件的熱生成影響組件的熱生成的幾個因素包括：組件表面的反射組件所處的工作點組件中沒有被電池片占據的空白部分對陽光的吸收組件或電池對低能光（紅外光）的吸收太陽能電池的封裝密度表面反射被組件表面反射出去的光對電能的產生沒有貢獻。這些光也被看作是能量損失的因素，因此要盡量減少。2/4/202327UNSW新南威爾士大學&6.4.2溫度效應-光伏組件的熱生成

光伏組件對光的吸收光伏組件中沒有被電池片占據的部分同樣也會加熱組件。吸收和反射的光的比例決定于組件背面的材料和顏色。紅外光的吸收能量低于電池材料禁帶寬度的光將不能產生電能，相反會變成熱量使電池溫度上升。而電池背面的鋁線也趨向于吸收紅外光。太陽能電池的封裝因素太陽能電池經過特殊設計使得它能更有效率地吸收太陽光輻射。電池本身通常能比組件封裝材料和電池背表面層產生更多的熱量。因此，電池封裝材料的增加也將增加電池單位面積產生的熱量.2/4/202328UNSW新南威爾士大學&6.4.3溫度效應-光伏組件的熱損失光伏組件的工作溫度是組件所產生的熱量與向外界傳輸的熱量之間的動態平衡。向外界傳輸熱量的過程有三個：傳導、對流和輻射。2/4/202329UNSW新南威爾士大學&6.4.4溫度效應-電池的額定工作溫度組件與外部環境的溫度差隨著太陽光照強度的增加而變大低封裝密度和低熱阻抗的背表面能夠使組件溫度降低5°C。熱傳導和熱對流都很容易受到光伏組件安裝條件的影響。當組件背面不能與外界環境傳輸熱量時（比如，電池組件直接安放在地面上，中間不留有空隙），其熱阻抗可能為無限大。類似的，在這種安裝條件下，組件表面的熱對流也將受到限制。因此，當光伏組件安裝在屋頂時，組件溫度通常能提高10°C。2/4/202330UNSW新南威爾士大學&6.4.5溫度效應-熱膨脹與熱壓力熱膨脹效應是在設計組件時需要考慮的另外一個重要溫度效應溫度上升時，使用“應力環”能調節電池之間的膨脹通常，電池之間的連接線是成圓形的（如圖），以盡量減小周期應力。連接線一般為雙層以防止被這種應力破壞。除了這種互聯壓力外，幾乎所有的組件交界面都會受到與溫度有關的周期應力的影響，且可能最終導致組件脫落。2/4/202331UNSW新南威爾士大學&6.5.6其它需要考慮的因素

電力保護和機械保護電絕緣封裝系統必須能夠承受得了系統的電勢差。金屬框架也應該接地因為組件的內部和終端的電勢都大大高出大地電勢。任何漏到大地上的電流都應盡量減小。

機械保護太陽能組件必須有足夠的硬度和剛度以承受正常安裝時的應力。如果電池表面的封裝材料為玻璃，則玻璃必須通過鋼化，因為組件中心部位的溫度要比周圍框架區域的溫度高。在光伏陣列中，組件必須能夠承受其本身一定程度的彎曲，以及能夠承受風流動產生的震動和雪、冰等施加的壓力。2/4/202332UNSW新南威爾士大學&6.6.1光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機制光伏組件的工作壽命主要決定于組件材料的穩定性和抵抗被腐蝕的能力，電池設計壽命能達到20年。盡管如此，還是有幾種損壞和退化機制可能會降低功率輸出或降低使用壽命。幾乎所有的機制都與水侵蝕和溫度應力有關。圖中顯示了水蒸氣的侵蝕導致了電池減反射膜退化2/4/202333UNSW新南威爾士大學&6.6.1光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機制光伏陣列中，組件表面的泥土可能引起錯配損耗，或者更大幅度的統一的功率輸出損耗。電池的退化引起電池組件的整體退化的因素：電極接觸面積的減小和腐蝕（通常由水蒸氣引起）導致RS增加穿過pn結的金屬漂移使Rsh