太陽能電池方陣選型要點及安裝維護

本文簡介了太陽能電池單體、組件、方陣的結構及特性，論述了太陽能電池組件技術特性、太陽能電池方陣方位角與傾斜角的定義、計算公式及設計中應考慮的事項。

1.太陽能電池方陣

一個太陽能電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，太陽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。於是將很多太陽能電池（通常是36個）並聯或串聯起來使用，形成太陽能電池組件。就能產生一定的電壓和電流，輸出一定的功率。

將太陽能電池單體進行串並聯封裝後，就成為太陽能電池組件，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。太陽能電池組件再經過串並聯組合安裝在支架上，就構成了太陽能電池方陣，可以滿足太陽能光伏發電系統負載所要求的輸出功率，如圖1所示。

太陽能電池方陣設計中主要關心的是太陽能電池的外特性，首先，對於單片太陽能電池來說，它是一個PN結，除了當太陽光照射在上面時，它能夠產生電能外，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。在太陽能光伏發電系統中使用的太陽能電池組件都是由多片太陽能電池組合連接構成的。它具有負的溫度係數，對於多片太陽能電池組成的太陽能電池組件，溫度每上升一度，電壓下降2mV。

由於太陽能是一種清潔的能源，它的應用正在世界範圍內快速地增長。可是目前建設一個太陽能光伏發電系統的成本還是較高的，從我國現階段的太陽能光伏發電成本來看，其花費在太陽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能，如何選取太陽能電池方陣的方位角與傾斜角是一個十分重要的問題。為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能儘可能的多，要為太陽能電池組件選擇一個最佳的方位角與傾斜角。

在光伏發電系統的設計中，太陽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輻射有很大的影響，從而影響到光伏發電系統的發電能力。太陽能電池組件方陣的放置形式有固定安裝式和自動跟蹤式兩種形式，其中自動跟蹤裝置包括單軸跟蹤裝置和雙軸跟蹤裝置。

2.太陽能電池組件技術特性

按國際電工委員會IEC：1215：1993標準要求進行設計，加工生產過程嚴格按照標準生產，能夠確保太陽能電池組件的質量、電性能和壽命要求。

1）太陽能電池組件的絕緣強度大於100MΩ.

2）產品使用壽命超過25年。

3）工作溫度範圍：-40℃～+85℃。

太陽能電池組件的表面採用複合材料，由層壓機層壓而成。氣密性、耐候性好，抗腐蝕、機械強度好。採用雙柵線，使太陽能電池組件的封裝的可靠性更高。太陽電池在製造時，先進行化學處理，表面做成了一個象金字塔一樣的絨面，能減少反射，更好地吸收光能。採用ABS塑料接線盒，耐老化防水防潮性能好。帶有旁路二極體能減少局部陰影而引起的損害。採用36片或72片單晶或多晶硅太陽能電池進行串聯以形成12V和24V各種類型的組件。太陽能電池組件有以下材料組成：

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

2）玻璃。採用低鐵鋼化絨面玻璃(又稱為白玻璃)，厚度3.2mm，在太陽能電池光譜響應的波長範圍內(320～1100nm)透光率達91%以上，對於大於1200nm的紅外光有較高的反射率。此玻璃同時能耐太陽紫外光線的輻射，透光率不下降。

3）EVA、TPT。採用加有抗紫外劑、抗氧化劑和固化劑的厚度為0.78mm的優質EVA膜層作為太陽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。太陽能電池的背面覆蓋物為白色氟塑料膜，對太陽光起反射作用。太陽能電池組件層之間採用雙層EVA材料以及TPT複合材料，組件氣密性好，抗潮，抗紫外線好，不容易老化。

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

1）採用的鋁合金邊框應具有高強度，抗機械衝擊能力要強。

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）迎風壓強：2400Pa。

6）填充因子：73％。

7）短路電流溫度係數：+0.4mA/℃。

8）開路電壓溫度係數：-60mV/℃。

9）工作溫度：-40℃～+90℃。

目前，太陽能電池的封裝形式主要有2種，一種是用透明度較高的環氧樹脂封裝的「滴膠板」，另一種是用「低鐵」鋼化玻璃封裝的，稱為「層壓板」，層壓組件生產成本高、工藝複雜、使用壽命長，在正常使用中壽命達25年以上。滴膠板具有生產尺寸靈活、成本低、生產周期短、生產速度快等優點，其最大缺點是太陽能電池光效老化、衰減快、性能穩定性差、使用壽命短，滴膠封裝雖然外形美觀，但是太陽能電池工作壽命僅1～2年。另外，採用一種硅凝膠封裝的太陽能電池，其工作壽命可以達到10年。單晶硅太陽能電池組件結構，如圖2所示，多晶硅電池組件結構圖，如圖3所示。

3.太陽能電池方陣的方位角及傾斜角

（1）太陽能電池方陣的方位角

太陽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，太陽能電池發電量是最大的。在偏離正南（北半球）30°度時，方陣的發電量將減少約10％～15％；在偏離正南（北半球）60°時，方陣的發電量將減少約20％～30％。但是，在晴朗的夏天，太陽輻射能量的最大時刻是在中午稍後，因此方陣的方位稍微向西偏一些時，在午後時刻可獲得最大發電功率。

在不同的季節，各個方位的日輻射量峰值產生時刻是不一樣的。太陽能電池方陣的方位稍微向東或西一些都有獲得發電量最大的時候。太陽能電池方陣設置場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刻與發電峰值時刻一致時，可參考下述的公式：

方位角=（一天中負載的峰值時刻（24小時制）-12）×15＋（經度-116）

（2）太陽能電池方陣的傾斜角

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

目前有觀點認為太陽能電池方陣傾角等於當地緯度為最佳，這樣做的結果，夏天太陽能電池組件發電量往往過盈而造成浪費，冬天時發電量又往往不足而使蓄電池處於欠充電狀態，所以這不是最佳的選擇。也有的觀點認為所取太陽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輻射量為好，推薦太陽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，這種觀點也有其局限性，這樣往往會使夏季獲得的輻射量過少，從而導致太陽能電池方陣全年得到的太陽輻射量偏小。同時，最佳傾角的概念，在不同的應用中是不一樣的，在離網光伏發電系統中，由於受到蓄電池荷電狀態等因素的限制，要綜合考慮太陽能電池方陣平面上太陽輻射量的連續性、均勻性和極大性，而對於併網光伏發電系統通常總是要求在全年中得到最大的太陽輻射量。

設計中希望得到太陽能電池方陣在一年平均發電量最大時的最佳傾斜角度，而一年中的最佳傾斜角與當地的地理緯度有關，當緯度較高時，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（斜率大於50％～60％）等方面的限制條件。對於積雪滑落的傾斜角，即使在積雪期發電量少而年總發電量也存在增加的情況，對於正南（方位角為0°度），傾斜角從水平（傾斜角為0°度）開始逐漸向最佳的傾斜角過渡時，其日輻射量不斷增加直到最大值，然後再增加傾斜角其日輻射量不斷減少。特別是在傾斜角大於50°～60°以後，日輻射量急劇下降，直至到最後的垂直放置時，發電量下降到最小。對於方位角不為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。對於太陽能電池方陣傾角的選擇應結合以下要求進行綜合考慮：

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

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大，造成浪費；而冬天接受到的輻射量太小，造成蓄電池過放以至損壞，降低系統壽命，影響系統供電穩定性。

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

同時，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，太陽能電池方陣傾角的取值應使太陽能電池方陣夏日接收輻射量相對冬天要多才合適。可用一種較近似的方法來確定太陽能電池方陣傾角。一般在我國南方地區，太陽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，增加的角度可小一些。在青藏高原，傾角不宜過大，可大致等於當地緯度。同時，為了太陽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、傾斜角與發電量之間的關係，對於具體設計，某一個太陽能電池方陣的方位角和傾斜角還應綜合地進一步同實際情況結合起來考慮。對於固定式光伏系統，一旦安裝完成，太陽能電池方陣傾角和太陽能電池方陣的方位角就無法改變。而安裝了跟蹤裝置的太陽能光伏發電系統，太陽能電池方陣可以隨著太陽的運行而跟蹤移動，使太陽能電池一直朝向太陽，增加了太陽能電池方陣接受的太陽輻射量。但在目前太陽能光伏發電系統中使用跟蹤裝置的相對較少，因為跟蹤裝置比較複雜，初始成本和維護成本較高，安裝跟蹤裝置獲得額外的太陽能輻射產生的效益無法抵消安裝該系統所需要的成本。

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