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光伏阵列组件排列分析研究

`清洁能源网   2012 年 06 月 26 日 15:05   来源:清洁能源网

  导语:伏发电是解决能源危机和环境危机的必由之路,光伏发电是人类未来重要的供电方式。在过去的10年里,光伏发电产业的规模得到迅猛发展,太阳电池组件的全球产能达到40GWp,2011年全球光伏发电系统的安装容量达到27GWp,在2011年,中国光伏电站的建设也有飞跃式的发展,累计安装容量超过2GWp。

  光伏发电是解决能源危机和环境危机的必由之路,光伏发电是人类未来重要的供电方式。在过去的10年里,光伏发电产业的规模得到迅猛发展,太阳电池组件的全球产能达到40GWp,2011年全球光伏发电系统的安装容量达到27GWp,在2011年,中国光伏电站的建设也有飞跃式的发展,累计安装容量超过2GWp。

  光伏发电系统的主要部件包括太阳电池组件、支架、汇流箱、逆变器、交直流配电系统、监测、计量和数据采集设备、电缆和电网接入系统以及其它硬件设备。在设备制造方面,除了组件和逆变器,其他设备都是传统的电气设备,技术相当成熟,近几年来,随着技术的发展和标准的完善,产业化生产的组件和逆变器的质量有很大的提高和保障,效率是目前需要亟待突破的方向;在大型光伏电站的设计应用方面,国内尚处于起步阶段,对于很多设计的细节没有深入研究,尤其是光伏区里组件的布置,本文对组件的基本布置原则进行简要的研究分析。

  1.太阳电池组件的结构

  单个硅太阳电池通常不能直接供电,主要是由于太阳电池片即薄又脆,机械强度差,容易破裂;大气中的水分和腐蚀性气体会逐渐氧化和锈蚀电极,无法承受露天工作的严酷条件;同时单片太阳电池的工作电压一般约为0.6V,功率很小,约为2.5Wp至4.2Wp(取决于电池的面积和效率),难以满足一般用电设备的实际需要。所以必须为太阳提供机械、电气及化学等方面的保护,封装成太阳电池组件,才能直接用于建设光伏电站。

  晶硅太阳电池的封装材料包括钢化玻璃、EVA、焊带、背板、铝边框、硅胶(胶带)和接线盒,组件的制作过程是首先用焊带将电池片串联,然后用钢化玻璃、EVA、电池串和背板按顺序叠放到一起,经过层压工序,然后安装铝边框,最后焊接接线盒,就完成了组件的封装,组件的结构如图1所示。

图1 组件的结构示意图

  晶硅组件里的电池片是串联关系,当串联支路中的一个太阳电池被遮挡时,将被当作负载消耗其他的太阳电池所产生的能量,被遮蔽的太阳电池此时会发热,称为热斑效应,热斑效应会严重影响组件的输出功率,同时会破坏太阳电池的性能。有光照的太阳电池所产生的部分能量,都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏,可以在太阳电池并联一个旁路二极管,当电池正常工作时,旁路二极管承受方向电压,处于反向截止状态,当电池被遮挡时,旁路二极管会导通,起到分流的作用,可以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件全部消耗,同时起到保护电池的作用,原则上每个电池片应并联一个旁路二极管,以便更好保护并减少在非正常状态下无效电池片数目,但因为旁路二极管价格成本的影响和暗电流损耗以及工作状态下压降的存在,目前由60片电池片封装成的多晶硅组件是每二十个电池可并联一个旁路二极管。组件的电路结构如图2所示。

图2 晶硅组件电路结构图

  2.光伏阵列的倾角和间距

  固定安装的太阳电池组件,为增加全年接收到的太阳辐照量,应尽可能朝向赤道方向安装,即朝向正南,同时组件应该选择最优的倾角。组件最优安装倾角是由场址纬度和太阳辐照量的月际分布决定,可依据场址水平面太阳辐射数据为基础,利用《光伏并网电站太阳能资源评估规范》(征求意见稿)中倾斜面太阳能总辐射量计算方法,计算得到最优倾角,也可利用光伏电站设计专用软件计算得到最优倾角。

  对于大型光伏电站,需要前后排布太阳电池组件方阵,光伏方阵距离的一般确定原则是冬至当天早9:00至下午3:00 太阳电池方阵不应被遮挡,如图3所示。

 

图3光伏阵列间距计算示意图

  光伏阵列间距的计算公式是D = cosβ×L,L = H/tana,a = arcsin (sinf sind+cosf cosd cosw)

  太阳高度角的公式:sina = sinf sind+cosf cosd cosw

  太阳方位角的公式:sinβ = cosd sinw/cosa

  其中:f为当地纬度;d为太阳赤纬,w为时角,上午9:00的时角为45度。

  对于太阳辐照资源非常丰富的地区,例如青海和西藏,光伏阵列的间距可以适当加大,另外对于光辐照资源一般的地区,尤其是屋顶项目,考虑到土地或屋顶利用率,可以适当减小光伏阵列的间距。

  3.组件排布方式的影响

  对于大型光伏电站,光伏阵列南北间距不是无限大,当太阳高度角很小的时候,即早上和傍晚时候,阵列会不可避免的相互遮挡,必定会影响阵列的发电量。

  组件的排布方式不同,遮挡对光伏阵列的发电影响也会不同,固定安装的组件的排布方式有两张,即纵向排布和横向排布两种方式,如图4和图5所示。

图4 组件纵向排布示意图

图5 组件横向排布示意图

  下面对不同排布方式的组件进行阴影遮挡试验,研究阴影遮挡对发电量影响的差异。目前主流晶硅组件是由60片(或者72片)电池片串联组成,每20片(或者24片)电池片并联一个旁路二极管,总共3个电池串。当组件纵向排布时,阴影同时遮挡3个电池串,如图4所示,当组件横向排布时,开始时阴影只遮挡单个电池串,如图5所示。

  首先我们从理论上对这两种遮蔽情形进行分析,当组件横向排布时,一开始阴影只遮挡1个电池串,当遮挡面积大到一定程度,这些被遮挡的电池会成为负载产生压降,当压降大于未遮挡电池的输出电压时,这时被遮挡电池串对应的旁路二极管会承受正压而导通,这时被遮挡电池串产生的功率全部被遮挡电池消耗,同时二极管正向导通,可以避免被遮挡电池消耗未被遮挡电池串产生的功率,另外2个电池串可以正常输出功率。当组件纵向排布时,阴影会同时遮挡3个电池串,3个二极管若全部正向导通,则组件没有功率输出,3个二极管若没有全部正向导通,则组件产生的功率会全部被遮挡电池消耗,组件也没有功率输出。图6是标准测试条件(即温度25℃,光谱分布AM1.5,辐照强度是1000W/m2,)下组件未被遮挡时的输出功率,图7和图8是标准测试条件下组件横向遮挡和纵向遮挡时组件的输出功率,遮挡方式如图4和图5所示。从图中可以看到,组件横向遮挡电池片时,组件的输出功率约为正常输出功率的2/3,说明二极管导通,起到保护作用,组件纵向遮挡电池片时,组件几乎没有功率输出,测试结果与理论一致,由此可以在光伏电站中组件采用横向排布,可以减少阴影遮挡造成的发电量损失。

图6 未遮挡组件的功率曲线

图7 组件纵向遮挡时的功率曲线

图8 组件横向遮挡时的功率曲线

  4.结论

  在大型光伏电站中,光伏阵列的间距会决定阴影遮挡对发电量的影响,在进行设计时,应参考设计准则,并针对场址的光资源的具体情况确定合理的间距;组件的排布方式对阴影遮挡时组件的发电量产生影响,根据理论分析和实际的测试结果,光伏电站中组件采用横向排布可以减少阴影遮挡时发电量损失。

> 关键词:光伏  阵列组件    




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