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第2章 太阳能光伏发电系统
图2-7 太阳电池温度对光伏组件特性曲线的影响
光伏组件的开路电压对太阳电池温度很敏感，在考虑光伏组件的串联数量时，在高温天气，必须保证光伏组件或者方阵有足够高的电压来推动电流流动，否则电气设备就会停运；在低温天气，则必须保证光伏组件或者方阵的输出电压低于配套设备（如逆变器）所允许的最大直流输入电压，否则就会损坏配套设备。
测试太阳电池的温度比较困难。对于常规的玻璃封装的光伏组件，长时间工作的电池温度To可以通过测试环境温度Te并通过下面的经验公式估算出来：
To?Te?30?H/1000 (2-1) 式中，H为光伏组件接收到的太阳辐照度（W/m2）。
3.阴影遮挡的影响
光伏组件会由于阴影遮挡（如树叶、鸟粪、高楼、树木等）造成不均匀辐照，进而影响整个组件的输出功率。如果组件被遮挡的是并联的电池片，问题还比较简单，只是该部分贡献的电流将减小。如果被遮挡的是串联的电池片，问题则严重得多，一方面会使整个组件的输出电流减小为该遮挡部分的电流；另一方面被遮挡部分的电池片将作为耗能器件，以发热方式将其它未遮挡部分产生的多余的能量消耗掉。长时间的阴影遮挡会造成组件局部高温，产生热斑，形成所谓的“热斑效应”。产生热斑效应的原因除了以上情况外，还有个别的坏电池片混入、焊片虚焊等。在高电压大电流的回路中，热斑效应能够造成电池片碎裂，焊带脱落，封装材料烧坏，甚至引起火灾。
图2-8表示了在36片电池片串联的光伏组件中，其中一个电池片被不同比例遮挡时对整个组件性能的影响。可见回路的输出功率与遮挡面积不是线性关系，一个组件即便只有一片电池被遮挡，整个组件的输出功率也将大幅度地降低。
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（a）无旁路二极管保护 （b）每18片并联一个旁路二极管 图2-8 一片电池片被不同比例遮挡时对整个组件性能的影响 4.负载阻抗的影响
图2-9展现了纯电阻负载时光伏组件的工作曲线。当负载电阻Rm与光伏组件的输出特性匹配得较好时，光伏组件可以在最大功率点（MPP）附近运行，此时组件工作效率最高。当负载电阻增大到RH时，组件运行在高于最大功率电压的水平上，这时输出电压增加少许，但电流下降明显，使得组件的输出功率下降，效率降低。当负载电阻减小到RL时，组件运行在低于最大功率电压的水平，这时输出电流有所上升，但电压却下降了不少，同样是组件的输出功率减小，效率降低。
图2-9 不同负载对光伏组件工作点的影响
当是一个感性负载时，如电机的启动直接由光伏组件或方阵提供电力时，由于负载工作点不断变化，负载阻抗与组件或方阵的匹配就更为重要，通常需要选用专门的功率跟踪控制器。
5.入射光谱的影响
在单色光照射下，光伏组件的输出功率与入射光的波长或频率相关。在非单色的太阳光照射下，即便辐照度相同，也因为不同季节、不同时间、不同环境的
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光谱变化范围较大，光伏组件或方阵产生的电量也有所不同。通常薄膜太阳电池受光谱的影响要比晶体硅太阳电池更大一些。图2-10表示了几种太阳电池的光谱响应曲线。
图2-10 几种太阳电池的光谱响应曲线 6.太阳电池材料的影响
目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为16%～20%，最高的达到25%，用它制成的光伏组件转换效率为14%～18%,最高的达到20%左右。单晶硅太阳电池的性能稳定，衰减率较低，使用寿命一般可达25年以上。
多晶硅太阳电池的平均转换效率要比单晶硅约低1%，但是由于单晶硅电池片只能做成4个角是圆弧的准正方形，当组成光伏组件时就有一部分面积填不满，而多晶硅电池片可以是正方形，不存在这个问题，因此同样尺寸规格的光伏组件，其效率几乎是一样的。多晶硅太阳电池的制造成本要比单晶硅低，所以便宜一些，使用寿命也稍微短一些，但其性价比优于单晶硅太阳电池。单晶硅和多晶硅光伏组件适宜在太阳辐照度较高、直接辐射份额较大的地区使用。
薄膜太阳电池的光电转换效率目前较低，用它制成的光伏组件转换效率为6%～12%,相同输出功率所需的光伏组件面积，要比晶体硅光伏组件约增加一倍，而且一般稳定性较差，衰减率较高。薄膜光伏组件的优势在于它的材料和制造成本较低，输出电压和功率的温度系数较低，输出特性受环境温度的影响较小，而且如果其中部分被阴影遮挡，也不会像晶体硅光伏组件那样产生热斑效应。薄膜光伏组件适宜在太阳辐照度较低、散射分量较大、环境温度较高的地区使用。 2.2.4 光伏组件串
在光伏发电系统中，将若干光伏组件串联后，形成具有一定直流输出电压的电路单元，称为光伏组件串，可简称为组串。每个光伏组件串在组合时应满足下
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列要求：
1.光伏组件串在当地极端最低气温下的最大开路电压，不应大于光伏组件或系统的最大耐受电压。
2.光伏组件串的工作电压变化范围，应在逆变器的最大功率点跟踪（MPPT）电压范围内。
3.光伏组件串在当地极端最低气温下的最大开路电压，不应大于逆变器允许的最大直流输入电压。
4.同一光伏组件串中光伏组件的电性能参数宜一致，其中最大功率Pm、最大功率电流Im的离散性应小于±3%。
通常，根据光伏组件串组合要求第1条和第3条的规定，由下式来确定光伏组件串中光伏组件的最大串联数量：
N?Udcmax （2-2）
Uoc?[1?(Te?25)??V]式中，N为光伏组件的串联数量（向下取整数），Udcmax为逆变器允许的最大直
流输入电压及光伏组件或系统的最大耐受电压。
然后，根据光伏组件串配置要求的第2条规定，由下式来复核光伏组件串在最高环境温度下的工作电压，是否落在逆变器的最大功率点跟踪电压范围内：
N?Uo?N?Um?[1?(To?25)??V]（2-3）
例如，光伏组件串采用Pm=250Wp、Im=8.35A、Um=30.0V、Isc=8.57A、
Uoc=38.6V、?V= -0.35%/℃的光伏组件，配置的逆变器最大直流输入功率为
500kWp，允许最大直流输入电压为1,000V，最大功率点跟踪电压范围为450～900V，光伏组件和系统的最大耐受电压也为1,000V，当地冬季极端最低气温为-40℃，夏季极端最高气温为40℃，光伏组件上的最高太阳辐照度有1000Wm2。这样，根据式（2-2）可得N=1000/38.6×[1+(-40-25)×(-0.0035)]=21.1，实际可取20块（或21块）光伏组件组成一个光伏组件串，再根据式（2-3）和（2-1）可得NUo=20×30×{1+[(40+30×1000/1000)-25]×(-0.0035)}=505，即该光伏组件串在最高气温条件下的工作电压为505V，落在逆变器最大功率点跟踪电压
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