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　　1.太陽(yáng)能電池方陣

　　

　　一個(gè)太陽(yáng)能電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，太陽(yáng)能電池單體是光電轉換的最小單元，尺寸一般為4cm2～100cm2不等。太陽(yáng)能電池單體的工作電壓約為0.48V，工作電流約為20～25mA/cm2，一般不能單獨作為光伏電源使用。于是將很多太陽(yáng)能電池（通常是36個(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)使用，形成太陽(yáng)能電池組件。就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出一定的功率。

　　

　　將太陽(yáng)能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽(yáng)能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨作為光伏電源使用的最小單元。太陽(yáng)能電池組件再經(jīng)過(guò)串并聯(lián)組合安裝在支架上，就構成了太陽(yáng)能電池方陣，可以滿(mǎn)足太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統負載所要求的輸出功率，如圖1所示。
 

　　
 

　　太陽(yáng)能電池方陣設計中主要關(guān)心的是太陽(yáng)能電池的外特性，首先，對于單片太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)PN結，除了當太陽(yáng)光照射在上面時(shí)，它能夠產(chǎn)生電能外，它還具有PN結的一切特性。在標準光照條件下，它的額定輸出電壓為0.48V。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統中使用的太陽(yáng)能電池組件都是由多片太陽(yáng)能電池組合連接構成的。它具有負的溫度系數，對于多片太陽(yáng)能電池組成的太陽(yáng)能電池組件，溫度每上升一度，電壓下降2mV。

　　

　　由于太陽(yáng)能是一種清潔的能源，它的應用正在世界范圍內快速地增長(cháng)?？墒悄壳敖ㄔO一個(gè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統的成本還是較高的，從我國現階段的太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本來(lái)看，其花費在太陽(yáng)能電池組件的費用大約為60～70％，因此，為了充分有效地利用太陽(yáng)能，如何選取太陽(yáng)能電池方陣的方位角與傾斜角是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。為了讓太陽(yáng)能電池組件在一年中接收到的太陽(yáng)輻射能盡可能的多，要為太陽(yáng)能電池組件選擇一個(gè)最佳的方位角與傾斜角。

　　

　　在光伏發(fā)電系統的設計中，太陽(yáng)能電池組件方陣的放置形式和放置角度對光伏系統接收到的太陽(yáng)輻射有很大的影響，從而影響到光伏發(fā)電系統的發(fā)電能力。太陽(yáng)能電池組件方陣的放置形式有固定安裝式和自動(dòng)跟蹤式兩種形式，其中自動(dòng)跟蹤裝置包括單軸跟蹤裝置和雙軸跟蹤裝置。

　　

　　2.太陽(yáng)能電池組件技術(shù)特性

　　

　　按國際電工委員會(huì )IEC：1215：1993標準要求進(jìn)行設計，加工生產(chǎn)過(guò)程嚴格按照標準生產(chǎn)，能夠確保太陽(yáng)能電池組件的質(zhì)量、電性能和壽命要求。

　　

　　1）太陽(yáng)能電池組件的絕緣強度大于100MΩ.

　　

　　2）產(chǎn)品使用壽命超過(guò)25年。

　　

　　3）工作溫度范圍：-40℃～+85℃。

　　

　　太陽(yáng)能電池組件的表面采用復合材料，由層壓機層壓而成。氣密性、耐候性好，抗腐蝕、機械強度好。采用雙柵線(xiàn)，使太陽(yáng)能電池組件的封裝的可靠性更高。太陽(yáng)電池在制造時(shí)，先進(jìn)行化學(xué)處理，表面做成了一個(gè)象金字塔一樣的絨面，能減少反射，更好地吸收光能。采用ABS塑料接線(xiàn)盒，耐老化防水防潮性能好。帶有旁路二極管能減少局部陰影而引起的損害。采用36片或72片單晶或多晶硅太陽(yáng)能電池進(jìn)行串聯(lián)以形成12V和24V各種類(lèi)型的組件。太陽(yáng)能電池組件有以下材料組成：

　　

　　1）電池片。采用高效率（14.5%以上）的單晶或多片晶硅太陽(yáng)能電池片封裝，以保證太陽(yáng)能電池板設計的輸出功率。

　　

　　2）玻璃。采用低鐵鋼化絨面玻璃(又稱(chēng)為白玻璃)，厚度3.2mm，在太陽(yáng)能電池光譜響應的波長(cháng)范圍內(320～1100nm)透光率達91%以上，對于大于1200nm的紅外光有較高的反射率。此玻璃同時(shí)能耐太陽(yáng)紫外光線(xiàn)的輻射，透光率不下降。

　　

　　3）EVA、TPT。采用加有抗紫外劑、抗氧化劑和固化劑的厚度為0.78mm的優(yōu)質(zhì)EVA膜層作為太陽(yáng)能電池的密封劑和與玻璃、TPT之間的連接劑，具有較高的透光率和抗老化能力。太陽(yáng)能電池的背面覆蓋物為白色氟塑料膜，對太陽(yáng)光起反射作用。太陽(yáng)能電池組件層之間采用雙層EVA材料以及TPT復合材料，組件氣密性好，抗潮，抗紫外線(xiàn)好，不容易老化。

　　

　　采用上述材料的太陽(yáng)能電池組件，可使太陽(yáng)能電池組件的效率略有提高，并因其具有較高的紅外反射率，還可降低組件的工作溫度，也有利于提高組件的效率。當然，采用的氟塑料膜要具有太陽(yáng)能電池封裝材料所要求的耐老化、耐腐蝕、不透氣等。對太陽(yáng)能電池組件的基本要求有：

　　

　　1）采用的鋁合金邊框應具有高強度，抗機械沖擊能力要強。

　　

　　2）標準測試條件：（AM1.5）輻照度為1000W/m2，電池溫度為25℃。

　　

　　3）絕緣電壓：≥600V。

　　

　　4）邊框接地電阻：≤10Ω。

　　

　　5）迎風(fēng)壓強：2400Pa。

　　

　　6）填充因子：73％。

　　

　　7）短路電流溫度系數：+0.4mA/℃。

　　

　　8）開(kāi)路電壓溫度系數：-60mV/℃。

　　

　　9）工作溫度：-40℃～+90℃。

　　

　　目前，太陽(yáng)能電池的封裝形式主要有2種，一種是用透明度較高的環(huán)氧樹(shù)脂封裝的“滴膠板”，另一種是用“低鐵”鋼化玻璃封裝的，稱(chēng)為“層壓板”，層壓組件生產(chǎn)成本高、工藝復雜、使用壽命長(cháng)，在正常使用中壽命達25年以上。滴膠板具有生產(chǎn)尺寸靈活、成本低、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)速度快等優(yōu)點(diǎn)，其最大缺點(diǎn)是太陽(yáng)能電池光效老化、衰減快、性能穩定性差、使用壽命短，滴膠封裝雖然外形美觀(guān)，但是太陽(yáng)能電池工作壽命僅1～2年。另外，采用一種硅凝膠封裝的太陽(yáng)能電池，其工作壽命可以達到10年。單晶硅太陽(yáng)能電池組件結構，如圖2所示，多晶硅電池組件結構圖，如圖3所示。
 

　　
 

　　3.太陽(yáng)能電池方陣的方位角及傾斜角

　　

　?。?）太陽(yáng)能電池方陣的方位角

　　

　　太陽(yáng)能電池方陣的方位角是方陣的垂直面與正南方向的夾角（向東偏設定為負角度，向西偏設定為正角度）。一般在北半球，方陣朝向正南（即方陣垂直面與正南的夾角為0°）時(shí)，太陽(yáng)能電池發(fā)電量是最大的。在偏離正南（北半球）30°度時(shí)，方陣的發(fā)電量將減少約10％～15％；在偏離正南（北半球）60°時(shí)，方陣的發(fā)電量將減少約20％～30％。但是，在晴朗的夏天，太陽(yáng)輻射能量的最大時(shí)刻是在中午稍后，因此方陣的方位稍微向西偏一些時(shí)，在午后時(shí)刻可獲得最大發(fā)電功率。

　　

　　在不同的季節，各個(gè)方位的日輻射量峰值產(chǎn)生時(shí)刻是不一樣的。太陽(yáng)能電池方陣的方位稍微向東或西一些都有獲得發(fā)電量最大的時(shí)候。太陽(yáng)能電池方陣設置場(chǎng)所受到許多條件的制約，如果要將方位角調整到在一天中負載的峰值時(shí)刻與發(fā)電峰值時(shí)刻一致時(shí)，可參考下述的公式：

　　

　　方位角=（一天中負載的峰值時(shí)刻（24小時(shí)制）-12）×15＋（經(jīng)度-116）

　　

　?。?）太陽(yáng)能電池方陣的傾斜角

　　

　　太陽(yáng)能電池方陣通常是面向赤道放置，相對地平面有一定傾角，即太陽(yáng)能電池方陣平面與水平地面的夾角。對于全年負載均勻的固定式太陽(yáng)能電池方陣，如果設計斜面的輻射量小，意味著(zhù)需要更多的太陽(yáng)能電池來(lái)保證向負載供電；如果各個(gè)月份太陽(yáng)能電池方陣面接收到的太陽(yáng)輻射量差別很大，意味著(zhù)需要大量的蓄電池來(lái)保證太陽(yáng)輻射量低的月份的用電供應。這些都會(huì )提高整個(gè)系統的成本。因此，確定太陽(yáng)能電池方陣的最優(yōu)傾角是光伏發(fā)電系統中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節。

　　

　　目前有觀(guān)點(diǎn)認為太陽(yáng)能電池方陣傾角等于當地緯度為最佳，這樣做的結果，夏天太陽(yáng)能電池組件發(fā)電量往往過(guò)盈而造成浪費，冬天時(shí)發(fā)電量又往往不足而使蓄電池處于欠充電狀態(tài)，所以這不是最佳的選擇。也有的觀(guān)點(diǎn)認為所取太陽(yáng)能電池方陣傾角應使全年輻射量最弱的月份能得到最大的太陽(yáng)輻射量為好，推薦太陽(yáng)能電池方陣傾角在當地緯度的基礎上再增加15度到20度。國外有的設計手冊也提出，設計月份應以輻射量最小的12月(在北半球)或6月(在南半球)作為依據。其實(shí)，這種觀(guān)點(diǎn)也有其局限性，這樣往往會(huì )使夏季獲得的輻射量過(guò)少，從而導致太陽(yáng)能電池方陣全年得到的太陽(yáng)輻射量偏小。同時(shí)，最佳傾角的概念，在不同的應用中是不一樣的，在離網(wǎng)光伏發(fā)電系統中，由于受到蓄電池荷電狀態(tài)等因素的限制，要綜合考慮太陽(yáng)能電池方陣平面上太陽(yáng)輻射量的連續性、均勻性和極大性，而對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統通?？偸且笤谌曛械玫阶畲蟮奶?yáng)輻射量。

　　

　　設計中希望得到太陽(yáng)能電池方陣在一年平均發(fā)電量最大時(shí)的最佳傾斜角度，而一年中的最佳傾斜角與當地的地理緯度有關(guān)，當緯度較高時(shí)，相應的傾斜角也大。但是，和方位角一樣，在設計中也要考慮到屋頂的傾斜角及積雪滑落的傾斜角（斜率大于50％～60％）等方面的限制條件。對于積雪滑落的傾斜角，即使在積雪期發(fā)電量少而年總發(fā)電量也存在增加的情況，對于正南（方位角為0°度），傾斜角從水平（傾斜角為0°度）開(kāi)始逐漸向最佳的傾斜角過(guò)渡時(shí)，其日輻射量不斷增加直到最大值，然后再增加傾斜角其日輻射量不斷減少。特別是在傾斜角大于50°～60°以后，日輻射量急劇下降，直至到最后的垂直放置時(shí)，發(fā)電量下降到最小。對于方位角不為0°度的情況，斜面日輻射量的值普遍偏低，最大日輻射量的值是在與水平面接近的傾斜角度附近。對于太陽(yáng)能電池方陣傾角的選擇應結合以下要求進(jìn)行綜合考慮：

　　

　　1）連續性。一年中太陽(yáng)輻射總量大體上是連續變化的，多數是單調升降，個(gè)別也有少量起伏，但一般不會(huì )大起大落。

　　

　　2）均勻性。選擇傾角，最好使方陣表面上全年接收到的日平均輻射量比較均勻，以免夏天接收輻射量過(guò)大，造成浪費；而冬天接受到的輻射量太小，造成蓄電池過(guò)放以至損壞，降低系統壽命，影響系統供電穩定性。

　　

　　3）極大性。選擇傾角時(shí)，不但要使太陽(yáng)能電池方陣表面上輻射量最弱的月份獲得最大的輻射量，同時(shí)還要兼顧全年日平均輻射量不能太小。

　　

　　同時(shí)，對特定的情況要作具體分析。如有些特殊的負載（灌溉用水泵、制冷機等，）夏天消耗功率多，太陽(yáng)能電池方陣傾角的取值應使太陽(yáng)能電池方陣夏日接收輻射量相對冬天要多才合適?？捎靡环N較近似的方法來(lái)確定太陽(yáng)能電池方陣傾角。一般在我國南方地區，太陽(yáng)能電池方陣傾角可取比當地緯度增加10°～15°；在北方地區傾角可比當地緯度增加5°～10°，緯度較大時(shí)，增加的角度可小一些。在青藏高原，傾角不宜過(guò)大，可大致等于當地緯度。同時(shí)，為了太陽(yáng)能電池方陣支架的設計和安裝方便，方陣傾角常取成整數。

　　

　　以上所述為方位角、傾斜角與發(fā)電量之間的關(guān)系，對于具體設計，某一個(gè)太陽(yáng)能電池方陣的方位角和傾斜角還應綜合地進(jìn)一步同實(shí)際情況結合起來(lái)考慮。對于固定式光伏系統，一旦安裝完成，太陽(yáng)能電池方陣傾角和太陽(yáng)能電池方陣的方位角就無(wú)法改變。而安裝了跟蹤裝置的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統，太陽(yáng)能電池方陣可以隨著(zhù)太陽(yáng)的運行而跟蹤移動(dòng)，使太陽(yáng)能電池一直朝向太陽(yáng)，增加了太陽(yáng)能電池方陣接受的太陽(yáng)輻射量。但在目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統中使用跟蹤裝置的相對較少，因為跟蹤裝置比較復雜，初始成本和維護成本較高，安裝跟蹤裝置獲得額外的太陽(yáng)能輻射產(chǎn)生的效益無(wú)法抵消安裝該系統所需要的成本。