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太阳能电池方阵的设计叶明（ 1. 大连海事大学，物理系， 2011 应用物理学）摘要太阳能电池方阵是为了满足高电压、大功率的发电要求，由若干个太阳能电池组件通过串、并联连接，并通过一定的机械方式固定组合在一起的。除太阳能电池组件的串、并联组合外，太阳能电池方阵还需要防逆流二极管、旁路二极管、电缆等对电池组件进行电气连接，并配备专用的、带避雷器的直流接线箱。关键词热斑效应，二极管，太阳能电池1 太阳能组件的热斑效应在太阳能电池方阵中，如果发生有阴影（例如树叶、鸟类、鸟粪等）落在某单体电池或一组电池上，或当组件中的某单体电池被损坏时，但组件或方阵的其余部分仍处于太阳暴晒之下正常工作，这样为被遮挡的部分太阳能电池或组件就要对局部被遮挡或已损坏的太阳能电池或组件提供负载的所需的功率，使该部分太阳能电池如同一个工作在与反向偏置下的二极管，其电阻和压降很大，从而消耗功率导致发热。由于出现高温，称之为“热斑” 。在一定条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件将被当作负载消耗其他被光照的太阳能电池组件所产生的部分能量或所有能量，被遮挡的太阳能电池组件此时将会发热，这就是“热斑效应” ，多组并联的太阳能电池组件，假设其中一块被部分遮挡，也会形成热斑，如图 1,2 所示。热斑效应会严重影响地破坏太阳能电池组件，甚至可能会使焊点熔化、封装材料破坏、乃至整个组件失效。产生热斑效应的原因除了以上情况外，还有个别质量不好的电池片混入电池组件、电极焊片虚焊、电池片隐裂或破损、电池片性能变坏等因素，需要引起注意。2 太阳能电池的防逆流二极管和旁路二极管2.1 旁路二极管旁路二极管的作用是防止串联中的某个组件或组件中的某一部分被阴影遮挡或出现故障时引起“热斑效应” ，串联电路中，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管 Db，电池正常工作时正极电势高于负极电势，旁路二极管 Db 处于反向偏压下，电阻很大，视为截止状态，当某一电池或组件被遮蔽或损坏时，其相待于一个负载，根据基尔霍夫定律，电流正向电压降低，这时旁路二极管 Db 处于正向偏压下，电阻很小，视为导线，将被被遮蔽或损坏电池短路，以免串联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗，不影响其他正常组件的正常工作。在太阳能组件或方阵中，旁路二极管一般不与电池片单体并联，而是与几个电池单片串联的组件或方阵的并联支路并联，如图所示太阳能电池组件在有阴影的场合，有或没有旁路二极管的 I-V 特性曲线如图所示。太阳能电池组件在（ a）部分的有阴影的场合，没有旁路二极管时，阴影部分的电流降低，输出功率大大降低。在有旁路二极管时，太阳能电池组件在（ a）部分有阴影的场合，主要变现为电流直线下降。（ b）、（ c）部分为没有阴影的情况，太阳能电池输出功率降低仅仅等于阴影部分的面积。2.2 防逆流二极管防逆流二极管的作用之一是防止太阳能电池组件或方阵在不发电时，蓄电池的电流反过来向组件或方阵倒送，不仅消能量，而且会使组件或方阵发热甚至损坏；作用之二是在电池方阵中，防止方阵各之路之间的电流倒送。这是因串联各支路的输出电压不可能绝对相等或某一支路故障、阴影遮蔽等。并联电路中，在各支路中串联接入防逆流二极管 Ds 就可避免这一现象的发生。电池正常工作时，防逆流二极管 Ds 处于正向偏压下，电阻视为零，电路不受任何影响，当某一电池或组件被遮蔽或损坏时，电池片是一个 PN 结，其处于正向偏压下，电阻很小，而防逆流二极管 Ds 处于反向偏压下，电阻很大，处于截止状态，以免并联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所吸收，不影响其他支路的正常工作。另外，防逆流二极管在太阳能电池组件或方阵中不是没每个单体电池都串联，而是在并联的每一条支路中串联一个防逆流二极管，防逆流二极管虽然正向导通电阻很小，但是也有一定的功耗，所以在回路中不仅要保证回路中有最大电流，同时还要耐受住最大反向电压的冲击。在现实安装中还要考虑安装现场温度等因素影响。下图为有防逆流二极管与没有的 I-V 特性曲线，在（ a）组件上形成阴影，与（ b）（ c）组件串联相比，没有防逆流二极管时，由于（ a）组件串上的电压降低，（ b）（ c）组件串的工作电压加在了（ a）组件串上，在（ a）组件串上形成 I1 的反向电流，使总电流大大降低，而有防逆流二极管时，电流下降的只是（ a）部分降低的电流。3 太阳能电池方阵组合的组合计算太阳能电池方阵的基本电路由太阳能电池组件串，旁路二极管，防逆流二极管和带避雷器的直流接线箱等构成，常见电路形式有并联方阵电路，串联方阵电路和串、并联混合方阵电路，方阵的输出功率与组件串并联的数量有关，串联是为了获得所需要的工作电压，并联是为了获得所需要的工作电流。一般独立光伏系统电压往往被设计成与蓄电池的标称电压相对应或者是它的整数倍，而且与用电器的电压等级一致，如 220V、 110V、 48V 、 36V、 24V、 12V、等。交流光伏发电系统和并网光伏发电系统，方阵的电压等级往往为 110V 或 220V。对电压等级更高的光伏发电系统，则采用多个方阵进行串并联，组合成与电网等级相同的电压等级，如 600V 或 10KV 等，再通过逆变器后与电网连接。一般带蓄电池的光伏发电系统方阵的输出电压为蓄电池组标称电压的 1.43倍。对对于不带蓄电池的光伏发电系统，在计方阵的输出电压时一般将其额定电压提高 10，在选定组件的串联数。例如，一个组件的最大输出功率为 108W，最大工作电压为 36.2V，设选用逆变器为交流三相，额定电压 380V，逆变器采取三相桥式接法，则需直流输入电压（即太阳能电池方阵的输出电压）/ 0.817 380/ 0.817 465P abU U V再来考虑富余量，太阳能电池方阵的输出电压应增大到 465 1.1 512V ，则计算出组件的串联数为 512 / 36.2 14V V 块。再从系统输出功率来计算太阳能电池组件的总数。现假设负载要求功率是 30KW，组件总数为 30000 /108 277W W块，从而计算出模块并联数为 277 /14 19.8 ，可选取并联数为 20 块。结论该系统应选择上述功率组件 14 串联 20 并联，组件数为 14 20 280 块，系统输出最大功率为 108 280 30.2W KW 。参考文献［ 1］何道清，何涛，丁宏林．太阳能光伏发电系统原理与应用技术．北京化学工业出版社， 2012.4， 73 页［ 2］［日］太阳光发电协会．太阳能光伏发电系统的设计与施工．第四版．宁亚东译．北京科学出版社， 2013.1， 21 页［ 3］［英］ Dan Chiras， Robert Aram， Kurt Nelson．太阳能光伏发电系统．张春朋，姜启荣译．北京机械工业出版社， 2011.8，７４页