太阳电池及其应用技术讲座_四_太阳电池组件.pdf

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1、上一讲叙述的太阳电池，是将光能转换成电能的最小单元，称之为单体太阳电池。单体太阳电池一般不直接作为电源使用，主要有以下的原因：单体电池是由单晶硅和多晶硅材料制成，薄而脆，不能经受较大的撞击；太阳电池必须与大气隔绝使用，因为大气中的水分和腐蚀性气体会缓慢地腐蚀电极（尤其是上电极和硅扩散层表面的接触面），逐渐使电极脱落；单体硅太阳电池的工作电压是 0.4 0.5 V，远不能满足一般用电设备的电压要求。为满足太阳电池的实际使用要求，须将若干单体电池按电性能分类进行串并联，经过封装后组合成可以独立作为电源使用的最小单元，这个独立的最小单元称为太阳电池组件。1 对太阳电池组件的要求地面应用的太阳电池组件

2、的技术要求如下：有一定的标称工作电压和输出功率；组件的寿命长，而且所用材料、零部件及其结构的使用寿命一致，不会因部分损坏而造成整个组件失效；有良好的电绝缘性；有足够的机械强度，能经受运输、安装和使用过程中的振动、冲击和其它应力；组合引起的效率损失小；成本较低。目前应用最为广泛的光伏组件是晶体硅太阳电池组件，绝大部分太阳电池发电系统都选用这类组件。2 太阳电池组件的连接制作太阳电池组件时，要挑选电性能参数一致的单体太阳电池进行组合和封装，以保证太阳电池的组合损失最小。制作太阳电池组件要根据标称的工作电压确定单体太阳电池的串联数，根据标称的输出功率来确定太阳电池的并联数（图 1）。为节约封装材料，

3、要尽量合理地排列太1 1 0 太阳电池及其应用技术讲座（四）太 阳 电 池 组 件谢建，马勇刚，廖华，苏庆益，李景天，杨丽娟（云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明6 5 0 0 9 2）中图分类号：T K 5 1 1；T M 6 1 5文献标志码：B文章编号：1 6 1 7-5 2 9 2（2 0 0 7）0 4-0 1 1 0-0 4收稿日期：2 0 0 7-0 1-1 5。作者简介：谢建（1 9 5 5-），男，云南剑川人，教授，硕士研究生导师，从事可再生能源技术研究和教学工作。E-m a i l：x i e j i a n 9 1 2 6.c o m1 太阳电池连接方式示意图（a）串联

4、方式（b）并联方式（c）串、并联方式可再生能源R e n e w a b l e E n e r g yR e s o u r c e s第 2 5 卷 第 4 期2 0 0 7 年 8 月V o l.2 5N o.4A u g.2 0 0 7阳电池，使其总面积尽量的小。常见太阳电池组件输出峰值功率有 8，1 0，2 0，3 6，4 0，5 0，7 5，1 6 0W等。大功率的太阳电池发电系统须将多个组件连接成方阵。太阳电池单体、组件和方阵见图 2所示。3 太阳电池组件的封装空间应用的太阳电池在真空状态下使用，温差变化大，有电子和质子等高能粒子的辐照，紫外辐照也比地面强烈得多，太阳光谱和光强较

5、稳定。地面应用的太阳电池工作在大气中，湿度大，易受腐蚀，很可能受到风沙、冰雹等自然灾害的损伤，太阳光谱成分和辐照强变化大。由于使用环境和条件的差别，在空间应用的太阳能电池和在地面应用的太阳电池的封装有很大差异。这里仅介绍在地面应用的太阳电池组件的封装。太阳电池组件中，单体太阳电池之间的连接是用金属导电带串联或并联焊接的。目前常用的晶体硅太阳电池封装工艺如下。依次将钢化白玻璃E V A（乙烯醋酸乙烯共聚物）太阳电池片虹吸玻璃E V A P V F（聚氟乙烯）复合膜叠起，放入层压封装机内进行封装。晶体硅太阳电池所有的封装材料必须具有良好的耐候性，要求能在户外阳光下使用 2 0 a 以上。钢化白玻璃

6、是低铁玻璃，透光度一般为 9 0%。E V A膜中添加有抗紫外剂及交联剂，太阳电池层压封装时，经过 1 5 0 左右的热处理，交联剂使 E V A膜交联固化而形成具有一定弹性的保护层。为防止E V A膜内产生气泡，要在真空条件下进行热处理。太阳电池背面所用的 P V F 复合膜，一般是白色的，以利于电池片空隙处的光反射到前表面，有部分光会再反射回太阳电池，使太阳电池更好地吸收光照。P V F膜具有非常好的耐候性能。复合膜采用的中间层是聚酯膜，两边是 P V F 膜的结构，膜厚大约为 1 m m。最后在组件边上加密封条及经阳极氧化的铝合金外框，就形成了太阳电池组件（图3）。作为与建筑物一体化的太

7、阳电池组件，新的封装方法是将太阳电池封在两层钢化玻璃之间，以增加强度和透光性。4 太阳电池组件的电性能测试和环境试验太阳电池组件的电性能测试和环境试验方法和要求，参见国家标准 地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型，该标准等同国际标准I E C1 2 1 5。（1）太阳电池组件的电性能测试太阳电池组件的电性能测试项目包括开路电压、短路电流、伏安特性曲线、填充因数和最大输出功率等。地面用太阳电池组件的标准测试条件：太阳光谱 A M 1.5；太阳辐照度 1 0 0 0 W/m2；温度 2 5。组件的测试是在专用的测试仪上进行的。单晶硅太阳电池组件电性能随温度和入射光强度的变化如图 4、图 5 所示。谢

8、建，等太阳电池组件1 1 1 图 2 太阳电池的单体、组件和方阵示意图2.52.01.51.00.5电流/A5.01 0.01 5.02 0.0电压/VT=4 5 r=2 5 图 4 单晶硅太阳电池组件电性能随温度的变化图 3 晶体硅太阳电池组件1-边框；2-边框封装胶；3-上玻璃盖板；4-黏结剂；5-下底板；6-硅太阳电池；7-互连条；8-引线护套；9-电极引线（a）单体（b）组件（c）方阵?图 6 旁路二极管在太阳电池组件中的作用原理示意图没有专用的测试仪器时，可使用万用表对太阳电池组件进行粗测，即在户外较好的阳光下，用电压挡直接接正负极测其开路电压，用电流档测其短路电流。如果有条件，可先

9、选用一个合格的组件或单体太阳电池作为参考的标样；依据已知的短路电流与太阳辐照度的对应关系，根据所测得的短路电流，推算当时的太阳辐照度；再用一个可变电阻或合适的电阻串接在组件上，使电压接近工作电压，此时的电流即可反映组件的性能，此时电压和电流的乘积接近该组件的功率。这个方法在多变的户外阳光条件下是很有用的。除上述测量项目外，还有耐高压的电绝缘性能。测量电气绝缘性的简易方法：用 5 0 0V或1 0 0 0 V的摇表来测量。摇表的一端接电极上，另一端接在组件的金属框架上，摇表显示的电阻值应不小于 5 0 M 而接近无穷大。（2）太阳电池组件的环境试验在地面使用的太阳电池组件长期暴露在阳光下，直接经

10、受当地自然环境的影响。这种影响因素有环境、气象和机械的。气象因素有光照，气温，雨，雪，霜，冰和风等。环境因素有空气中的水气、腐蚀性气体，沙尘、鸟粪等。机械因素有组件在使用、安装、运输和存放过程中，可能受到的摩擦、振动和冲击等各种机械力的作用以及冰雹的打击。对组件的环境考核和寿命试验使用 2种方法。一是实地试验法，二是环境模拟试验法。实地试验法即把组件长期暴露在自然环境中，定期观察和测量电性能参数，检查元件、材料的老化和电性能的衰降情况。这种方法试验费用少、易实行、电性能测试仪器比较简单，但试验周期太长，近期内不能得出或不能明显地显示试验结果。所得到的试验结果仅能反映某一地区环境条件下的结果，不

11、能代表其他环境条件下的运行情况。环境模拟试验法是用人工方法创造自然环境中的各种典型条件，对组件进行试验和性能检查。为了缩短试验周期和加速得到试验结果，可将试验条件按实际条件加倍，即把实际条件乘上一个“加速因子”。环境模拟试验法试验环境因素全面，试验周期短。大部分太阳电池要在户外长期使用，对其耐候性能的要求很高，国家标准规定，太阳电池组件要进行室外曝露试验，热斑耐久试验，紫外试验，热循环试验，湿冷试验，湿热试验，引线端强度试验，扭曲试验，机械载荷试验和冰雹试验等。5 太阳电池组件的热斑效应在太阳电池方阵中，如有阴影（例如，树叶、鸟类、鸟粪等）落在某单体电池或一组电池上，或者组件中的某单体电池损坏

12、时，方阵其余的部分仍处于阳光曝晒之下，这样局部被遮挡或损坏的太阳电池（或组件）就相当于一个负载，要由未被遮挡的那部分太阳电池（或组件）来提供所需的功率，使该部分太阳电池如同一个工作于反向偏置下的二极管，其电阻和压降很大，从而消耗功率而导致发热，即称之为“热斑”。对于高电压大功率方阵，阴影电池上的电压降所产生的热效应甚至能造成封装材料损伤、焊点脱焊、电池破裂或在电池上产生“热斑”，从而引起组件和方阵失效。电池局部被遮光或弄脏、电池出现裂纹或不匹配、电池内部连接失效均会引起热斑效应。为了减少输出功率的损失和防止方阵失效，通常给电池外接旁路二极管。图 6 是旁路二极管在 3 并 2 串电池组合中的作

13、用原理示意图。假如电池 A1被阴影遮住或开路，则 A2，A3的电流仍然能通过旁路二极管 D1流至外电路，这样避免了对 A1加反向偏压，从而制止了热斑可再生能源2 0 0 7，2 5（4）1 1 2 图 5 单晶硅太阳电池组件电性能随入射光强度的变化2.52.01.51.00.5电流/A5.01 0.01 5.02 0.0电压/VTc=2 5 6 0 0 W/m28 0 0 W/m21 0 0 0 W/m2!辽宁省农村能源工作者首创的、在我国北方大面积推广的“四位一体”模式，是在同一块土地上，实现产气、积肥同步，种植、养殖并举，能量多级利用的新能源使用方式。据调查，在辽宁省建设的“四位一体”平均

14、每栋每年产沼气 3 0 0m3，提供沼肥 1 6m3，年出栏生猪 5 1 5头，冬季生产蔬菜 15 0 0k g。从事“四位一体”生产的农户，每户年均纯收入 50 0 0元左右，效益好的可达到万元以上。正如许多农民所形容的那样：“种 1 0亩田，不如建 1处 四位一体 生态小家园”。据了解，辽宁省目前已经有 3 8.3万户农家受益于这种新的能源模式。“四位一体”只是辽宁省农村新能源建设的一个缩影。近年来，全省大力推动农村新能源建设，已经有上百万的农家使用可再生清洁能源烧水、做饭、照明，告别了烟熏火燎的环境。此项目每年将开发节约能源2 7 8.2万 t标准煤，保护山林植被 8 1.2万 h m2

15、。同时，新能源的使用还给农户们带来巨大的经济效益。过去，辽宁省农村能源主要依靠薪柴，每年消耗薪柴数千万立方米。落后而浪费大的用能方式，成为保护生态、可持续发展的拦路虎。该省落实科学发展观，把适应北方气候，能够在农村发展推广的可再生清洁能源作为建设社会主义新农村的重要举措来抓，积极探索新能源综合利用新路子。从大产业、大生态的角度，拉长功能链，利用沼液、沼渣发展种养业，形成了“猪-沼-菜-果”、“鱼-沼-菜-果”等循环生态农业经营模式，收到了节约能源、保护生态、种养增收的“一石数鸟”效应。辽宁省正在进行建设规划，到 2 0 1 0年全省农村户用沼气工程达到 6 0万户；生物质气化集中供气工程达到

16、5 5 0处，供气户数 2 0万户；农村新建、改建的中、小学校舍和民宅均采用太阳能房等节能建筑结构；新建改建的规模化畜禽养殖场应配套大中型沼气工程等环保设施；全省农村基本普及节能炕灶，实现沼气、电炊、太阳能、液化气等多能互补的新局面。（摘自 东北日报）新 能 源 为 新 农 村 建 设 助 力1 1 3 效应。如果电池 A1正常工作，则只要二极管 D1在-0.5V下漏电量足够小，就并不影响电池组的输出。6 太阳电池及组件的选用选用晶体硅太阳电池组件时，要检查组件有无下列缺陷：开裂、弯曲、不规整或损伤的外表面；有裂纹或破碎的单体电池；互联线或接头有毛病；电池互相接触或与边框相接触；密封材料失效；

17、在组件的边框和电池之间形成连续通道的气泡或脱层；引线端失效，带电部件外露；接线盒安装不牢固。合格的太阳电池组件背面要有厂家给出的产品性能数据和检测标志。厂家一般提供标准尺寸的太阳电池组件，标准组件的经济较好,非标组件的价格相对较高。对特殊要求的超轻型组件，底板可用铝板，表面可用透明的 P V F膜，有的也采用环氧树脂板和塑料板等。非玻璃封装的组件的寿命可能降为 8 a 或更短，这是值得注意的。7 非晶硅太阳电池组件非晶硅太阳电池是直接沉积在导电玻璃衬底上的，对于集成型非晶硅太阳电池，只要在背面加封装保护和阳极氧化的铝合金边框即成为组件（图 7）。组件的峰值输出功率为 9 1 3 W。根据用户的

18、要求，也可以切割和封装组件。对非晶硅太阳电池组件的质量要求与晶体硅太阳电池组件类似：非晶硅太阳电池组件的衬底玻璃和背面封装材料完好；非晶硅层材料色泽均匀；激光切割线完整；组件边缘的封装能适应室外气候条件，特别是能避免雨雪水渗透到电池内部；边框规则完好；组件的电性能达到标称值。非晶硅太阳电池厂家也可向用户提供未经封装的玻璃电池板，用户能根据要求切成各种尺寸规格的电池板。由于电池制造工艺的要求，非晶硅太阳电池用的玻璃板选用的非钢化玻璃，切割较方便。但对其组件的运输、安装和使用时要特别注意，不能使其受到冲击和重压。非晶硅太阳电池目前主要使用在计算器等电子产品上，在户外阳光下作为电源使用时，要了解其可能光致衰退的情况及性能。有的厂家已在出厂的标示性能中扣除了光致衰退部分的影响，在设计时要考虑此因素。非晶硅太阳电池的价格比晶体硅太阳电池便宜，可根据用户的经济能力及用途来选择。（连载待续）玻璃底电极非晶硅透明电极图 7 集成型非晶硅太阳电池的结构示意图谢建，等太阳电池组件