太阳能光伏组件及阵列的计算与设计

确定组件中的电池数量，测量组件参数并计算太阳能组件和阵列的短路电流、开路电压和 V-I 特性

什么是太阳能光伏组件？

我们日常负载所需的功率范围为几瓦，有时甚至为千瓦。单个太阳能电池无法产生足够的功率来满足这样的负载需求，根据电池面积的不同，它几乎无法产生 0.1 到 3 瓦的功率。对于并网和工业发电厂，我们需要兆瓦甚至千兆瓦范围内的功率。

因此，单个光伏电池无法满足如此高的需求。因此，为了满足这些高要求，太阳能电池被布置和电连接。太阳能电池的这种连接和排列方式称为光伏模块。这些光伏组件可以满足比单个电池更大的需求。

当太阳辐射落在单个太阳能电池上时，会在它的两个端子阳极和阴极上产生电位（即阳极是正极端子，阴极是负极端子）。为了增加所需功率的潜力，N 个电池串联。一个电池的负极连接到另一个电池的正极，如下图所示。

当我们串联N个太阳能电池时，我们得到两个端子，这两个端子上的电压是串联电池电压的总和。例如，如果单个电池的电压为 0.3 V，并且 10 个这样的电池串联，则整个串上的总电压将为 0.3 V × 10 =3 V。

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如果串联 40 个 0.6 V 的电池，则总电压将为 0.6 V × 40 =24 V。需要注意的是，当电池串联时，电压会增加，而电流保持不变。

类似地，当电池并联时，单个电池的电流会被添加。一个电池的阳极端子连接到下一个电池的阳极端子，同样，阴极端子连接到下一个电池的阴极端子，如图2所示。

与串联不同，串并联的总电压保持不变。例如，如果一个电池具有 2 A 的电流产生能力，并且 5 个这样的太阳能电池并联连接。则电池的总电流产生能力为 2 A × 5 =10 A。

光伏组件参数由制造商在标准测试条件（STC）下提及，即温度为25°C，辐射为1000 W/m ² .在大多数时间和地点，STC 规定的条件不会发生。这是因为太阳辐射总是小于 1000 W/m ² 并且电池工作温度高于 25 °C，这种不确定性会导致光伏组件的输出功率降低。

正如我们之前讨论的，光伏组件是由若干个太阳能电池组成的，因此其影响发电的参数和因素与太阳能电池的参数和影响因素相似。我们已经在上一篇文章中介绍过了。因此，我们将不再在这里介绍那部分。

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确定模块中的单元格数

光伏组件的基本要求之一是在日常太阳辐射下提供足够的电压给不同电压等级的电池充电。这意味着在低太阳辐射和高温下，模块电压应该更高以对电池充电。

光伏组件设计用于提供 12 V 电池级别的倍数电压，即 12 V、24 V、36 V、48 V 等。要通过 PV 模块为 12 V 电池充电，我们需要一个 VM 为 15 V 的模块，而对于 24 V 电池，我们需要一个 VM 为 30 V 的模块，依此类推。光伏系统中使用的其他设备与电池电压水平兼容。

为了提供所需的电压水平，我们需要串联电池。根据光伏电池中使用的不同技术，需要串联的电池数量会有所不同。串联电池的数量取决于最大功率点的电压，即单个电池的 VM，以及由于电池温度升高到 STC 以上而发生的电压降。

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示例：

让我们通过一个例子来理解这一点，一个光伏组件是用太阳能电池设计的，为12V的电池充电。电池的开路电压VOC为0.89 V，最大功率点VM电压为0.79 V。

电池工作温度为 60 °C，温度每升高 1 摄氏度，电压就会降低 2 mV。需要串联多少个电池才能给电池充电？

第 1 步： 求最大功率点 VM 处的电压 =0.79 V .

如果没有指定VM，则将VM作为VOC的80%到85%。

第 2 步： 找出电压损失 在工作温度下，即在 60 °C。

温度高于 STC =工作温度 - STC 温度。

STC 以上温度上升 =60 °C – 25 °C =35 °C

因此，温度高于STC会导致电压损失：

电压损失 =35 °C × 0.002 V =0.07 V

第三步 ：确定工作条件下的电压。

工作条件下的电压 =STC 下的电压 (VM) – 由于温度升高到 STC 以上而导致的电压损失。

因此，工作条件下的电压 =0.79 V – 0.07 V =0.72 V

第四步： 确定所需的光伏组件电压 给电池充电。

要为 12 V 电池充电，我们需要将模块电压保持在 15 V 左右。

第 5 步： 确定单元格数 串联起来。

串联电池片数=光伏组件电压/工况电压。

串联电池数 =15 V / 0.72 V =20.83 或大约 21 个电池

因此，我们需要 21 节串联电池来为 12V 电池充电 .重要的是要注意，对于不同的太阳能电池技术，我们将需要不同数量的串联电池以获得相同的输出电压。由N个电连接的电池组成的PV模块的实际照片如下图3所示。

测量模块参数

用于VOC、ISC、VM、IM等模块参数的测量 我们需要电压表 和电流表 或万用表 , 变阻器 ，以及连接线。

开路电压 (VOC) 测量：

测量VOC时，模块两端应空接。 通过多聚体求光伏组件的开路电压 ，请按照以下简单步骤操作。

• 将万用表旋钮设置为直流电压测量，并相应选择电压测量范围，即6 V、12 V、24 V等。
• 确保一个探头连接到万用表的COM端口，另一个连接到电压测量端口。
• 选择模式和量程后，将万用表的探头连接到光伏组件的两个端子上，观察显示屏上的读数。
• 确保正极探针（电压测量端口）连接到正极端子，负极探针（COM端口）连接到负极端子。如果探头连接反之，则会给出负读数。
• 万用表显示屏上的读数为光伏组件的开路电压VOC。

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短路电流（ISC）测量：

测量ISC时，模块两端应空载。

通过多聚体找出光伏组件的短路电流 ，请按照以下简单步骤操作。

• 将万用表旋钮设置为电流测量并相应地选择电流测量的范围，即通常在 0.1 到 10 A 之间。
• 确保一个探头连接到万用表的COM端口，另一个连接到当前测量端口。
• 选择模式和量程后，将万用表的探头连接到光伏组件的两个端子上，观察显示屏上的读数。
• 确保正极探头接正极（电流测量口），负极探头（COM口）接负极。如果探头连接反之，则会给出负读数。
• 万用表显示读数为光伏组件短路电流ISC。

测量 I-V 曲线：

为了测量I-V曲线，太阳能光伏组件必须与可变电阻串联，如下图所示。

组件负极接电流表正极，电压表直接跨光伏组件如图4所示。

如果在不知不觉中完成了连接，反之亦然，则获得的读数将带有负号，重新连接仪表以获得正确的值。完成后，适当调整一侧的可变电阻（变阻器），使电压最大，电流最小。

记下变阻器这个位置的电流和电压值。现在慢慢地将变阻器滑到另一侧，并记下每次滑动调整的读数，直到变阻器完全短路。使用下面的公式计算每个电压和电流值的功率。

P =V × I

因此，使用这些测量值可以获得光伏组件的所有其他参数。

更高功率的模块

市场上最常见的电池之一是“晶体硅电池”技术。这些电池的可用面积为 12.5 × 12.5 cm ² 和 15 × 15 厘米 ² .市场上很难找到超出该区域的电池，大多数大型太阳能电站都使用该区域的组件。

但是这个模块可以提供多少更高的瓦数，每个模块如何获得更高的功率？典型设计的光伏模块具有 15 V 的 VM，可为 12 V 的电池充电。要获得此电压，需要串联 32 至 36 个电池，具体取决于它们的工作温度和单个电池的峰值电压 VM。

细胞产生的电流取决于面积、落在其上的光量、落在其上的光的角度和电流密度。晶体硅电池的电流密度 JSC 范围为 30 mA/cm ² 至 35 mA/cm ² .

我们取30 mA/cm的电流密度 ² 对于我们的例子。则为 12.5 × 12.5 cm ² 面积的短路电流 可以计算为;

ISC =JSC × 面积 =30 mA/cm ² × 12.5 × 12.5 厘米 ² =4.68 元

同理，对于 15 × 15 cm ² 短路电流计算为;

ISC =JSC × 面积 =30 mA/cm ² × 15 × 15 厘米 ² =6.75 元

对于大多数制造商来说，IM 大约是 ISC 的 90% 到 95%。对于我们的示例，我们将 IM 视为 ISC 的 95%。

IM =0.95 × ISC

那么IM为12.5×12.5 cm的面积 ² 可以计算为;

IM =0.95 × 4.68 A =4.446 A

同理，对于 15 × 15 cm ² IM计算为;

IM =0.95 × 6.75 A =6.412 A

现在我们可以确定这两个电池的最大峰值功率；

PM =VM × IM

PM =15 V × 4.446 A =66.69 W（面积为 12.5 × 12.5 cm ² )

PM =15 V × 6.412 A =96.18 W（面积为 15 × 15 cm ² )

因此，通过利用面积为 12.5 × 12.5 和 15 × 15 cm ² 的最佳可用单元技术 我们分别得到 66.69 W 和 96.18 W 的功率输出（考虑 IM 为 ISC 的 95 %，电流密度为 30 mA/cm ² )。

为了增加模块的电压和电流，必须分别串联和并联更多的电池，这将增加模块的整体功率超过我们计算的.

示例：

现在为了更好地理解，让我们设计一个光伏组件，它可以在 STC 下提供 45 V 的最大功率 VM 的电压，在 60 °C 的工作温度下提供 33.5 V 的电压。我们将使用开路电压 VOC 为 0.64 V 的电池，温度每升高 1°C，VM 就会降低 0.004 V。

第 1 步： 求最大功率点VM处的电压。

如果没有指定VM则取VM为VOC的80%~85%

假设VM =0.85 × VOC =0.85 × 0.64 V =0.544 V

第 2 步： 找出工作温度下的电压损失，即在 60 ^o C.

温度高于 STC =工作温度 - STC 温度。

STC 以上温度上升 =60 °C – 25 °C =35 °C

因此，STC 以上温度升高导致的电压损失 =35 °C × 0.004 V =0.14 V

第 3 步： 确定工作条件下的电压

工作条件下的电压 =STC 下的电压 (VM) – 由于温度升高到 STC 以上而导致的电压损失。

因此，工作条件下的电压 =0.544 V – 0.14 V =0.404 V

第四步： 确定所需的光伏组件电压

我们需要模块电压在33.5 V左右。

第 5 步： 确定要串联的电芯数

串联电池片数=光伏组件电压/工况电压。

串联电池数 =33.5 V / 0.404 V =82.92 或约 83 个电池。

现在让我们计算这 83 个电池在 STC 下可以产生多少功率，VM =45 V，让我们从上一个示例中为两个电池取相同的电流值.

IM =4.446 A（面积为 12.5 × 12.5 cm ² )

IM =6.412 A（面积为 15 × 15 cm ² )

现在我们可以确定这两个电池在 45 V 电压下的最大峰值功率；

PM =VM × IM

PM =45 V × 4.446 A =200.07 W（对于 12.5 × 12.5 cm 的面积 ² )

PM =45 V × 6.412 A =288.54 W（面积为 15 × 15 cm ² )

因此，根据大功率的要求，将这种面积较大的电池串并联组成光伏组件。此外，这些光伏组件可以串联和并联组成一个光伏阵列，以兆瓦为单位发电。

阻断和旁路二极管

旁路二极管

光伏组件中所有串联的电池都是相同的，当光照在它们上时它们都会产生电流。但是，如果其中一个太阳能电池被某些物体遮蔽，则照射在其上的光会被中断，并且由于这种照射在电池上的光的中断，它会产生较低的电流或几乎没有电流。

此单元格现在将充当单元格系列字符串中的电流阻力。它将充当负载，其他电池产生的功率将消散在阴影电池中，导致电池温度升高并形成热点。这甚至可能导致组件玻璃破裂、火灾和系统事故。

旁路二极管用于在我们设计的系统中避免此类灾难。如图5所示，旁路二极管以相反极性与太阳能电池并联。

在正常无阴影条件下，旁路二极管反向偏置，充当开路。但是，如果串联的电池串发生阴影，则被阴影的电池将反向偏置，这将作为旁路二极管的正向偏置，因为它与太阳能电池的极性相反。

现在这个阴影单元的旁路二极管将通过它而不是阴影单元传递电流。因此，二极管绕过电池避免了过热造成的损坏，因此得名旁路二极管。理想情况下，一个组件中每个太阳能电池应该有一个二极管，但实际上为了使组件具有成本效益，一个旁路二极管连接一个旁路二极管用于串联组合 10-15 个电池。

阻塞二极管

在离网系统中，模块用于为负载供电并为电池充电。在没有阳光的夜晚，组件不产生能量，充电电池开始为负载和光伏组件供电。 PV 模块的电源是断电的。为了避免损耗，放置了一个二极管来阻止电流从电池流向光伏模块。因此，正是由于这个二极管，通过阻止电流从电池流向模块来避免功率损失。

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