第六章光伏電池板與系統(tǒng)

2023/2/6應用光伏學1第六章：

光伏電池板與系統(tǒng)§6.1簡介§6.2電池板設計§6.3互聯(lián)效應§6.4溫度效應§6.5其它問題§6.6電池板的壽命2023/2/6應用光伏學2一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(huán)境的破壞和防止人們觸電。然而，電池板設計的幾個方面可能會減少功率輸出或者降低使用壽命。接下來的幾節(jié)將討論電池是怎樣被封裝到板塊里去的，以及討論由于電池相互連接和封裝而引起的問題。電池互聯(lián)系統(tǒng)或陣列系統(tǒng)最主要的影響是：不匹配的電池之間的互聯(lián)引起的損耗電池板的溫度電池板的故障模式§6.1

簡介2023/2/6應用光伏學3

一塊電池板由許多互相連接的電池（通常為36塊串聯(lián)著的電池）組成。把互相連接的電池封裝起來的主要原因是為了保護它們和它們連接線不受其周圍環(huán)境的破壞。例如，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。此外，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。而通過封裝便能阻止這些破壞。比如，非晶硅太陽能電池通常被封裝在柔軟的板塊內，而晶體硅太陽能電池則通常保護在剛性的玻璃封裝內，一般規(guī)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，為偏遠地區(qū)供電?！?.2.1

電池板的設計

電池板的結構2023/2/6應用光伏學4

大多數(shù)晶體硅電池板都是由一塊透明表層、一塊密封板、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（乙基醋酸乙烯），而背板則是一種Tedlar材料。如下圖所示。低鐵玻璃§6.2.2

電池板的設計

封裝的材料2023/2/6應用光伏學5§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，其前端表面必須能透過波長范圍為350nm到1200nm的光。此外，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，但是實際上，對于大多數(shù)光伏組件所處的環(huán)境來說，這些膜顯然還不夠耐用。取而代之的，是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。這些組件也因此失去了“自我清潔”的功能，減小反射的優(yōu)勢也迅速被表面不斷增加的污染物所引起的損失給抵消了。2023/2/6應用光伏學6§6.2.2

電池板的設計

封裝的材料

除了減反射特性和透明特性，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(wěn)定，應該有低的熱阻抗性。

水或水蒸氣在滲入金屬電極和連接線后會大大降低光伏組件的壽命。大多數(shù)的組件的前端表面是用來增加機械強度和剛度的。對于材料的種類，可以有幾種選擇，包括丙烯酸、聚合物和玻璃。其中含鐵量低的玻璃是使用最廣泛的，因為它成本低、強度好、穩(wěn)定、高度透明、不透水不透氣同時還有自我清潔功能。2023/2/6應用光伏學7

密封層

密封材料是用來粘附組件中的太陽能電池、前表面和背面的。密封材料應該在高溫和強紫外線照射下保持穩(wěn)定。當然，材料還應該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℃，EVA熔化后把組件的每一層都粘合在一起?！?.2.2

電池板的設計

封裝的材料2023/2/6應用光伏學8§6.2.2

電池板的設計

封裝的材料背表面層

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。對于大多數(shù)組件，薄的聚合物層特別是Tedlar，是背表面層的首選材料。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。2023/2/6應用光伏學9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(tǒng)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?！?.2.2

電池板的設計

封裝的材料2023/2/6應用光伏學10

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(qū)域面積與空白區(qū)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。因此，如果單晶硅電池不是切割成方形的話，單晶硅組件的封裝密度將比多晶硅的低。有關封裝密度的幾種選擇，包括圓的和方的，在下圖有介紹。圓形電池和方形電池的封裝密度。白色的背表面§6.2.3

電池板的設計

封裝密度2023/2/6應用光伏學11§6.2.3

電池板的設計

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，因為“零深度聚光”效應的影響，如下圖所示。一些射入到電池與電池之間的空白區(qū)域和射到電極上的光，被散射后又傳到電池表面。玻璃電極密封層（EVA）2023/2/6應用光伏學12

一塊硅光伏電池板通常是由多塊太陽能電池互相串聯(lián)而成的，以提高輸出電壓和輸出電流。光伏組件的輸出電壓通常被設計成與12伏蓄電池相匹配的形式。而在25℃和AM1.5條件下，單個硅太陽能電池的輸出電壓只有0.6V?？紤]到由于溫度造成的電池板電壓損失和蓄電池所需要的充電電壓可能達到15V或者更多，大多數(shù)光伏組件由36塊電池片組成。這樣，在標準測試條件下，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。剩余的電壓包括由光伏系統(tǒng)中的其它因素造成的電壓損失，例如電池在遠離最大功率輸出點處工作和光強變弱?！?.3.1.

互聯(lián)效應

組件電路的設計2023/2/6應用光伏學13§6.3.1.

互聯(lián)效應

組件電路的設計典型的組件由36塊電池串聯(lián)而成在典型的組件中，36塊電池串聯(lián)起來以使輸出的電壓足以為12V的蓄電池充電。2023/2/6應用光伏學14§6.3.1.

互聯(lián)效應

組件電路的設計

雖然光伏組件的電壓大小決定于電池的數(shù)量，但是組件的輸出電流卻決定于單個太陽能電池的尺寸大小和它們的轉換效率。在AM1.5和最優(yōu)傾斜角度下，商用電池的電流密度大約在30mA/cm2到36mA/cm2之間。單晶硅電池的面積通常為100cm2，則總的輸出電流大約為3.5A。多晶硅電池組件的電池片面積更大但電流密度較低，因此輸出自這些組件的短路電流通常為4A左右。但是，多晶硅電池的面積可以有多種變化，因此電流也可以有多種選擇。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。2023/2/6應用光伏學15如果組件中的所有太陽能電池都有相同的電特性，并處在相同的光照和溫度下，則所有的電池都將輸出相等的電流和電壓。在這種情況下，光伏組件的IV曲線的形狀將和單個電池的形狀相同，只是電壓和電流都增大了。則此電路的方程為：式中，N表示串聯(lián)電池的個數(shù)，M為并聯(lián)電池的個數(shù)，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，而q、k和T則為常數(shù)。§6.3.1.

互聯(lián)效應

組件電路的設計2023/2/6應用光伏學16§6.3.1.

互聯(lián)效應

組件電路的設計N個電池串聯(lián)，M個電池并聯(lián)的電路IV曲線。由一系列相同的電池連接而成的總電路的IV曲線如下圖所示。2023/2/6應用光伏學17

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。在工作條件相同的情況下，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(xiàn)最差的電池的輸出的。例如，在一塊電池片被陰影遮住而其它電池則沒有的情況下，由那些“好”電池所產生的電能將被表現(xiàn)差的電池所抵消，而不是用于驅動電路。這反過來還可能會導致局部電能的嚴重損失而發(fā)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?！?.3.2

互聯(lián)效應

錯配效應2023/2/6應用光伏學18§6.3.2

互聯(lián)效應

錯配效應當組件中的一個太陽能電池的參數(shù)與其它的明顯不同時，錯配現(xiàn)象就會發(fā)生。由錯配造成的影響和電能損失大小決定于：光伏組件的工作地點電路的結構布局受影響電池的參數(shù)一個電池與其余電池在IV曲線上的任何一處的差異都將引起錯配損耗。下圖將展示電池的非理想IV曲線和工作環(huán)境。盡管錯配現(xiàn)象可能由電池參數(shù)的任何一部分所引起，但是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。錯配的影響大小同時取決于電路的結構和錯配的類型。2023/2/6應用光伏學19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。.反向電壓很高時，pn結可能被擊穿并聯(lián)電阻引起的下降電池消耗能量非理想太陽能電池電池產生能量電池消耗能量串聯(lián)電阻引起的額外下降理想太陽能電池§6.3.2

互聯(lián)效應

錯配效應2023/2/6應用光伏學20

因為大多數(shù)光伏組件都是串聯(lián)形式的，所以串聯(lián)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，它很容易被組件的陰影部分所引起。同時，這種錯配類型也是最嚴重的。對于兩個互相串聯(lián)的電池來說，流過兩者的電流大小是一樣的。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(xiàn)錯配就意味著總的電流大小必須等于那個最小的值?！?.3.3

互聯(lián)效應

串聯(lián)電池的錯配2023/2/6應用光伏學21§6.3.3

互聯(lián)效應

串聯(lián)電池的錯配串聯(lián)電池的開路電壓錯配串聯(lián)電池的開路電壓錯配是一種比較不嚴重的錯配類型。正如下面動畫所展示的那樣，在短路電流處，光伏組件輸出的總電流是不受影響的。而在最大功率點處，總的功率卻減小了，因為“問題”電池產生的能量較少。因為兩個電池是串聯(lián)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。在動畫中，電池２輸出的電壓比電池１低。2023/2/6應用光伏學22串聯(lián)電池的短路電流錯配串聯(lián)電池的短路電流錯配取決于組件所處的工作點，以及電池錯配的程度。短路電流錯配對光伏組件有重大影響。如下面動畫所示，在開路電壓處，短路電流的下降對電池影響相對較小。即開路電壓只產生了微小的變化，因為開路電壓與短路電流成對數(shù)關系。然而，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，這種情況在低電壓處比較容易發(fā)生，好電池產生的額外電流并不是被每一個電池所抵消，而是被問題電池所抵消了（通常在短路電流處也會發(fā)生）?！?.3.3

互聯(lián)效應

串聯(lián)電池的錯配2023/2/6應用光伏學232023/2/6應用光伏學24 總的來說，在有電流錯配的串聯(lián)電路中，嚴重的功率損失一般發(fā)生在問題電池產生的電流小于好電池在最大功率點時的電流的時候，或者當電池工作在短路電流或低電壓處時，問題電池的高功率耗散會對組件造成無法挽回的傷害。這些影響在下面的兩個動畫都有描述。兩個串聯(lián)電池的電流錯配有時會相當嚴重且非常普遍。串聯(lián)的電流受到問題電池的電流限制。動畫中，電池２的輸出電壓比電池１的高?！?.3.3

互聯(lián)效應

串聯(lián)電池的錯配2023/2/6應用光伏學25兩線交點的電流表示串聯(lián)電路的短路電流，這是計算串聯(lián)電池的錯配短路電流的一個簡單方法。串聯(lián)電路的短路電流§6.3.3

互聯(lián)效應

串聯(lián)電池的錯配對于I軸反轉的電池IV曲線2023/2/6應用光伏學26“熱點加熱”現(xiàn)象發(fā)生在幾個串聯(lián)電池中，其中一個電池出現(xiàn)了問題時，如下圖所示。如果組件的首尾都連接起來了，來自那些未被陰影遮擋的電池的電能將被問題電池所抵消。９個電池未被遮擋10個串聯(lián)電池一個電池被遮擋電路中，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?！?.3.4

互聯(lián)效應

熱點加熱2023/2/6應用光伏學27§6.3.4

互聯(lián)效應

熱點加熱如果串聯(lián)電路的工作電流大小接近于“問題”電池的短路電流，電路總電流將受到問題電池的限制。則好電池產生的額外電流（比問題電池高出的那部分電流）將變成好電池的前置偏壓。如果串聯(lián)電池被短路，則所有好電池的前置偏壓都將變成問題電池的反向電壓。當數(shù)量很多的串聯(lián)電池一起把前置偏壓變成問題電池的反向電壓時，在問題電池處將會有大的能量耗散，這就是熱點加熱現(xiàn)象?；旧纤泻秒姵氐目偟陌l(fā)電能力都被問題電池給抵消了。巨大的能量消耗在一片小小的區(qū)域，局部過熱就會發(fā)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。2023/2/6應用光伏學28問題電池的熱耗散導致組件的破碎。§6.3.4

互聯(lián)效應

熱點加熱2023/2/6應用光伏學29

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(lián)且方向相反，如下面動畫所示。在正常工作狀態(tài)，每個太陽能電池的電壓都是正向偏置的，所以旁路二極管的電壓為反向偏置，相當于開路。然而，如果串聯(lián)電池中有一個電池因此發(fā)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壓降，由此限制了電流大小并阻止了熱點加熱。§6.3.5

互聯(lián)效應

旁路二極管2023/2/6應用光伏學30§6.3.5

互聯(lián)效應

旁路二極管旁路二極管的工作狀態(tài)和它對IV曲線的影響都在下面的動畫中展示。2023/2/6應用光伏學31

要測算出旁路二極管對IV曲線的影響，首先找出單個太陽能電池（帶有旁路二極管）的IV曲線，然后與其它電池的IV曲線相結合。旁路二極管只在電池出現(xiàn)電壓反向時才對電池產生影響。如果反向電壓高于電池的膝點電壓（kneevoltage），則二極管將導通并讓電流流過。下圖是結合之后的IV曲線。連接旁路二極管的電池沒接旁路二極管的電池接有二極管的電池的IV曲線。二極管能阻止熱點加熱。為了便于觀測，圖中使用了10個電池，其中9個好電池，一個問題電池。典型的光伏組件由36個電池組成，如果沒有旁路二極管，錯配效應的破壞將更嚴重，但連接二極管后的影響卻比10個電池的更小。§6.3.5

互聯(lián)效應

旁路二極管2023/2/6應用光伏學32§6.3.5

互聯(lián)效應

旁路二極管然而，實際上若每個電池都連接一個二極管，成本會很高，所以一般改為一個二極管連接幾個電池。穿過“問題”電池的電壓大小等于其它串聯(lián)電池（即與問題電池共享一個二極管的電池）的前置偏壓加上二極管的電壓，如下圖所示。那些好電池的電壓大小決定于問題電池的問題嚴重程度。例如，如果一個電池完全被陰影遮住了，那些沒有陰影的電池會因短路電流而導致正向電壓偏置，而電壓值大約為0.6V。如果問題電池只是部分被陰影遮住，則好電池中的一部分電流將穿過電路，而剩下的則被用來對每個電池產生前置偏壓。問題電池導致的最大功率耗散幾乎等于那一組電池所產生的所有能量。在沒有引起破壞的情況下，一個二極管能連接電池的數(shù)量最多為15個（對于硅電池）。因此，對于通常的36個電池的光伏組件，需要2個二極管來保證組件不會輕易被“熱點”破壞。2023/2/6應用光伏學33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。圖中0.5V只是任意取的數(shù)值?！?.3.5

互聯(lián)效應

旁路二極管2023/2/6應用光伏學34

在小的電池組件中，電池都是以串聯(lián)形式相接，所以不用考慮并聯(lián)錯配問題。通常在大的光伏陣列中組件才以并聯(lián)形式連接，所以錯配通常發(fā)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(lián)。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。在動畫中，電池2的輸出電流小于電池1。錯配對電流影響不大，總的電流總是比單個電池電流高。兩個并聯(lián)電池的電壓錯配。電池2的電壓的增加事實上降低了好電池的開路電壓?！?.3.6

互聯(lián)效應

并聯(lián)電池的錯配2023/2/6應用光伏學35有個簡單的方法可以計算錯配并聯(lián)電池的開路電壓。即在坐標圖中以電壓軸反轉畫出一個電池的IV曲線，則兩線的交點就是并聯(lián)電路的開路電壓?！?.3.6

互聯(lián)效應

并聯(lián)電池的錯配對于V軸反轉的電池IV曲線2023/2/6應用光伏學36

在大型光伏陣列中，單個光伏組件既以串聯(lián)形式又以并聯(lián)形式與其它組件連接。一系列串聯(lián)的電池或組件叫“一串”。串聯(lián)與并聯(lián)相結合可能會導致光伏陣列中出現(xiàn)幾個問題。一個潛在的問題來自于“一串”電池中的一個發(fā)生了開路。則來自這串電池的電流要小于組件中其余的電池串。這種情況與串聯(lián)電路中有一個電池被陰影遮擋的情況相似，即輸出自整個電池組的能量將會下降。如下圖所示?！?.3.7

互聯(lián)效應

光伏陣列中的錯配效應2023/2/6應用光伏學37§6.3.7

互聯(lián)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(xiàn)熱點加熱現(xiàn)象。開路來自并聯(lián)電路的電流減小了1/4左邊的陣列在電路結構上相當于右邊的電路，即右邊的每個電池的電壓等于左邊每個電池的2倍，電流為4倍。2023/2/6應用光伏學38

如果旁路二極管的額定電流與整個并聯(lián)電路的輸出電流大小不匹配的話，則并聯(lián)電路的錯配效應同樣會導致嚴重的問題。比如，由串聯(lián)組件組成的并聯(lián)電路中，每個串聯(lián)組件的旁路二極管也以并聯(lián)形式連接，如下圖所示。串聯(lián)組件中的一個錯配將會導致電流從二極管流過，從而加熱二極管。然而，加熱二極管會減少飽和電流和有效電阻，以至于組件中的另一串電池也受影響。電流可能將流過組件中的每一個二極管，但也一定會流過與二極管相連的那一串電池。則這些旁路二極管變得更熱，將大大降低它們的電阻并提高電流。如果二極管的額定電流小于電池組件的并聯(lián)電流，二極管將會被燒壞，光伏組件也將會損壞?！?.3.7

互聯(lián)效應

光伏陣列中的錯配效應2023/2/6應用光伏學39旁路二極管的一側的電阻可能更低低電阻導致大電流被遮擋的組件并聯(lián)組件中的旁路二極管?！?.3.7

互聯(lián)效應

光伏陣列中的錯配效應2023/2/6應用光伏學40

除了使用旁路二極管來阻止錯配損失外，通常還會使用阻塞二極管來減小錯配損失。阻塞二極管，如下圖所示，通常被用來阻止晚上蓄電池的電流流到光伏陣列上。在互相并聯(lián)的組件中，每個組件都串聯(lián)一個阻塞二極管。這不僅能降低驅動阻塞二極管的電流，還能阻止電流從一個好的電池板流到有問題的電池板，也因此減小了并聯(lián)組件的錯配損失。§6.3.7

互聯(lián)效應

光伏陣列中的錯配效應2023/2/6應用光伏學41§6.3.7

互聯(lián)效應

光伏陣列中的錯配效應阻塞二極管在并聯(lián)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。阻塞二極管旁路二極管2023/2/6應用光伏學42

太陽能電池封裝進光伏組件里所產生的一個多余的邊際效應是，封裝改變了組件內熱量的進出狀況，因此增加了組件的溫度。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。此外，溫度的增加也會導致光伏組件中出現(xiàn)幾個電池惡化，因為上升的溫度也會增加與熱擴散有關的壓力，或者增加惡化率，即每上升10℃惡化量就增加2個。六電池組件的熱成像圖片?！?.4.1

溫度效應

光伏組件的溫度2023/2/6應用光伏學43§6.4.1

溫度效應

光伏組件的溫度組件的工作溫度決定于組件產生的熱量、向外傳輸?shù)臒崃亢椭車h(huán)境的溫度之間的平衡。而組件產生的熱量決定于組件所在的工作點、組件的光學特性和電池的封裝密度。組件向外散發(fā)熱量可以分為三個過程：傳導、對流和輻射。這些散發(fā)過程決定于組件材料的熱阻抗、組件的發(fā)光特性和組件所處的環(huán)境條件（特別是風速）。2023/2/6應用光伏學44曬在陽光之下的光伏電池既產生熱又產生電。對于工作在最大功率點處的商業(yè)光伏組件來說，只有10%到15%的太陽光被轉換成電，而剩下的大部分都變成了熱。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?！?.4.2

溫度效應

光伏組件的熱生成2023/2/6應用光伏學45§6.4.2

溫度效應

光伏組件的熱生成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。當然，反射光也不會使組件加熱。對于典型玻璃表面封裝光伏組件來說，反射光中包含了大約4%的入射能量。組件的工作點和效率電池的工作點和效率決定了電池吸收的光子中能轉換成電能的數(shù)量。如果電池工作在短路電流或開路電壓處，則產生的電能為零。2023/2/6應用光伏學46§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。入射到太陽能板的太陽光產生電的同時也產生熱。2023/2/6應用光伏學47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。如果電池的背面沒有被鋁完全覆蓋，則部分紅外光將穿過電池并射出組件。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?！?.4.2

溫度效應

光伏組件的熱生成2023/2/6應用光伏學48

光伏組件的工作溫度是組件所產生的熱量與向外界傳輸?shù)臒崃恐g的動態(tài)平衡。向外界傳輸熱量的過程有三個：傳導、對流和輻射。組件表面的空氣流動引起熱對流組件向外輻射電磁波熱傳導發(fā)生在熱量從一塊材料傳到另一塊材料太陽光加熱組件§6.4.3

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光伏組件的熱損失2023/2/6應用光伏學49§6.4.3

溫度效應

光伏組件的熱損失熱傳導熱傳導導致熱損失是由于光伏組件與其它相互接觸的材料（包括周圍空氣）存在熱梯度。光伏組件向外傳導熱的能力可以通過電池封裝材料的熱阻抗和材料結構來描述。熱量的傳導形式與電路中電流的傳導形式很相似。對于熱傳導，材料之間的溫度差異驅使熱量從高溫流向低溫區(qū)域，類似的，因為電路兩區(qū)域存在電勢差才導致電子的流動。因此，溫度與熱量的關系可以通過下面的方程給出，這有點類似于流經一電阻的電流與電壓的關系。2023/2/6應用光伏學50假設材料的構成是均勻一致的，且狀態(tài)穩(wěn)定，則熱傳導與溫度之間的方程為：ΔT=ΦPheat

。式中，Pheat指的是光伏組件產生的熱量，Φ為發(fā)射區(qū)表面的熱阻抗，單位為℃W-1，ΔT兩種材料之間的溫度差。組件的熱阻抗決定于材料的厚度和它的熱阻率。熱阻抗類似于電阻，它的方程為：Φ=L/kA其中A為傳熱表面的面積，L為熱量在材料中傳導的長度，k是單位為Wm-1℃-1的熱導率。要測算復雜結構的熱電阻，可以把各個部分的阻抗以串聯(lián)或并聯(lián)形式相加。例如，因為組件的前表面和背表面都向外界傳輸熱量，則這兩塊區(qū)域的總阻抗等于它們的各自阻抗并聯(lián)相加。此外，電池封裝材料與組件玻璃的熱阻抗則以串聯(lián)形式相加。

§6.4.3

溫度效應

光伏組件的熱損失2023/2/6應用光伏學51§6.4.3

溫度效應

光伏組件的熱損失對流熱對流就是從組件表面流過的物質把組件表面的熱量帶走。對于光伏組件，熱對流是由組件表面吹過的風引起的。這個過程所傳輸?shù)臒崃靠梢杂上旅娣匠瘫硎荆篜heat=hAΔTA表示兩種材料接觸的面積，h為熱對流率，單位為Wm-2℃-1，ΔT兩種材料之間的溫度差。與熱傳導過程不同，直接計算h的過程非常復雜，通常是通過實驗測算出來。2023/2/6應用光伏學52

輻射

組件向外部環(huán)境傳輸熱量的最后一種方式是向外輻射電磁波。像黑體輻射一節(jié)所討論的那樣，任何物體都會向外輻射電磁波，輻射的波由溫度決定。黑體輻射的功率強度由下面方程給出：

P=σT4

式中P為光伏組件產生的熱能，σ斯特潘-波爾茲曼常數(shù)，T為電池組件的溫度，單位為K。然而，光伏組件并不是一個理想的黑體，所以要計算非理想黑體輻射的話，需要引入一個叫發(fā)射率ε的參數(shù)。作為完美發(fā)射體的黑體，它的發(fā)射率能達到1。§6.4.3

溫度效應

光伏組件的熱損失2023/2/6應用光伏學53§6.4.3

溫度效應

光伏組件的熱損失一個物體的發(fā)射率一般可以通過它的吸收特性測量出來，因為這兩種特性非常相似。例如金屬，吸收率很低，同樣發(fā)射率也很低，通常只有0.03.引入發(fā)射率之后的方程變?yōu)椋?/p>

P=εσT4

組件熱量的凈損失等于組件向外輻射的熱量與外部環(huán)境向組件輻射的熱量的差，即P=εσ（T4sc-T4amb）其中Tsc為電池的溫度，Tamb為電池外部環(huán)境的溫度，其它的則為常量。2023/2/6應用光伏學54

在1kW/m2的光照下，光伏組件的典型溫度大約為25℃。然而，在實際的光伏發(fā)電站中，電池通常在溫度更高且光強更低的環(huán)境工作。為了估算出太陽能電池的功率輸出，關鍵的一步是要測算出光伏組件可能的工作溫度。電池額定工作溫度（NOCT）被定義為在下列條件下，開路時電池的溫度：

電池表面的輻照度=800W/m2

空氣溫度=20℃

風速=1m/s

襯底=背面向外敞開§6.4.4

溫度效應

電池的額定工作溫度2023/2/6應用光伏學55§6.4.4

溫度效應

電池的額定工作溫度關于組件與空氣之間太陽輻射和溫度的差異的方程，顯示了在風速一定的情況下，熱對流和熱傳導損失的大小都與太陽輻照度成線性關系（這里我們假設溫度對熱阻抗和熱傳導率影響不大）。下圖將分別展示最佳條件、最壞條件和平均條件下的NOCT。最佳情況包括了組件背部安裝鋁散熱片以降低溫度，因為散熱片能減小熱阻抗同時增大表面的對流面積。2023/2/6應用光伏學56組件與外部環(huán)境的溫度差隨著太陽光照強度的增加而變大。最好的組件、最差的組件以及典型的組件的額定工作溫度NOCT分別為33℃、58℃和48℃。計算電池溫度的近似方程為：式中，S為光強，單位mW/cm2。風速較高時，組件溫度將會下降，反之，當風速為零時溫度將更高。§6.4.4

溫度效應

電池的額定工作溫度2023/2/6應用光伏學57組件設計對NOCT的影響組件設計，包括組件材料和封裝密度，是影響NOCT的主要因素。例如，低封裝密度和低熱阻抗的背表面能夠使組件溫度降低5℃。安裝條件的影響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(huán)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℃。§6.4.4

溫度效應

電池的額定工作溫度2023/2/6應用光伏學58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(huán)”能調節(jié)電池之間的膨脹。§6.4.5

溫度效應

熱膨脹與熱壓力2023/2/6應用光伏學59§6.4.5

溫度效應

熱膨脹與熱壓力電池與電池的間隙將擴大一定距離δ：

δ=(αGC-αCD)ΔT式中αG

αC分別是玻璃和電池的膨脹系數(shù)，D為電池的寬度，C為電池中心點的距離，如上圖所示。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(lián)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。2023/2/6應用光伏學60§6.5.1

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(tǒng)必須能夠承受系統(tǒng)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(qū)域的溫度高。這將在周圍產生張力，并有可能導致玻璃破裂。在光伏陣列中，組件必須能夠承受其本身一定程度的彎曲，以及能夠承受風力所產生的震動和雪、冰等施加的壓力。2023/2/6應用光伏學61§6.5.1

其它需要考慮的因素

電力保護和機械保護組件框架可能發(fā)生的扭曲。由澳大利亞標準AS4509-1999設定的標準包括：靜負荷—3.9Kpa，力從前表面指向背面（相當于風速為 200km/hr的風）動負荷—2.5kpa，從前表面指向背面，超過2500- 10000次（相當于160km/hr的風）冰雹沖擊損壞—直徑2.5cm速度23.2m/s的冰雹沖擊

（80km/hr）2023/2/6應用光伏學62散裝硅光伏組件退化或損壞機制因為沒有轉動部件（其它發(fā)電系統(tǒng)主要考慮的可靠性問題），所以光伏組件的工作壽命主要取決于組件材料的穩(wěn)定性和抵抗腐蝕的能力。電池制造者們能保證其壽命能達到20年，這便足以說明現(xiàn)在硅光伏組件的質量了。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。幾乎所有的損壞和退化機制都與水侵蝕和溫度應力有關。已退化或損壞的光伏組件樣品。圖中顯示了水蒸氣的侵蝕導致了電池減反射膜退化。§6.6.1

光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機制2023/2/6應用光伏學63§6.6.1

光伏組件的壽命

晶體硅光伏組件的退化機制可逆轉的輸出功率減退光伏組件的輸出功率減退也可能是由可逆轉的因素導致的。比如，部分表面被從地上長出的樹給遮住了，或者表面粘有泥土（光伏組件通常會因表面的泥土而損失大約10%的輸出功率）。一個組件可能已經退化了，或者組件之間的互聯(lián)可能改變