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1、毕业设计(论文)光伏阵列及汇流箱设计二一三年五月二十四日摘要当今世界，随着生物能源的频频告急和环境的日益恶化，发展新的可持续的绿色的能源已经成为大势。而在众多新能源之中，太阳能因为储量巨大、安全、清洁以及较少受地理和气候因素限制而倍受青睐。由于单体光伏电池的输出电压、电流和功率都很小，不能满足作为电源应用的要求，为了提高输出功率，需要多个单体电池合理的串、并联后封装成电池组件。太阳能本身是一种低密度的平面能源，需要用大面积的太阳能电池来采集。所以在需要更大功率的场合，需要将多个组件组成方阵，以提供数值更大的输出电流、电压。为了节约电缆，简化系统结构，提高可靠性和可维护性等原因，实际安装中需要把
2、多个方阵的输出电缆先进行并联后（一级汇流）通过汇流箱再输入到逆变器（二级汇流），而不是直接把所有方阵电缆直接接入逆变器。本文第一章介绍了太阳能产业的意义和目的，国内外光伏产业的现状和未来我国发展光伏产业的前景。在第二第三章介绍光伏发电的基本原理，以及高度角、方位角等安装参数的计算。并着重探讨了光伏汇流箱的作用原理和基于ATmega16单片机的光伏汇流箱相关硬件软件设计。关键词：太阳能 光伏发电 汇流箱 原理；Design of the PV array and the solar photovoltaic junction boxAbstractTodays world, with frequ
3、ent emergency bioenergy and environmental deterioration, the development of new sustainable green energy has become a trend. And among the many new energy, solar energy because of huge reserves, safe, clean, and less affected by geographical and climatic factors limit the favorites. As single photov
4、oltaic cell output voltage, current and power are very small, can not meet the requirements of the application as a power supply, in order to improve the output power, to a plurality of series of cells reasonable, in parallel battery components packaged. Solar plane itself is a low-density energy, a
5、nd require large-area solar cells to collect. Therefore, where more power is required, several components need to be square in order to provide greater output current value and voltage. In order to save the cable, simplifying the system structure, improve reliability and maintainability and other re
6、asons, the actual installation requires a plurality of the first phalanx of the output cables be connected in parallel (a bus) through the combiner box and then input to the inverter (two convergence level), rather than all the cable directly to the matrix inverter.The first chapter describes the me
7、aning and purpose of the solar energy industry, domestic photovoltaic industry status and future prospects of the development of photovoltaic industry. In the second chapter describes the basic principles of photovoltaic power generation, and the elevation angle, azimuth and other installation param
8、eters calculations. And focuses on the role of PV combiner box principle and ATmega16 microcontroller based PV combiner box related hardware and software design.Keywords: Solar Photovoltaic power generation the solar photovoltaic junction box Principle ；目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1课题研究的意义和目的11.2国外现状21.3
9、国内现状31.4太阳能的发展前景51.5论文的主要工作6第2章太阳能光伏及汇流箱总体研究72.1太阳能光伏发电的特点72.2太阳能光伏电池的基本特性82.3光伏汇流箱的基本特点11第3章光伏阵列及汇流箱设计143.1.光伏阵列的基本组成和排列143.2.太阳能电池组件选择143.3.光伏阵列方位角、倾斜角、周围阴影的计算153.4.保护用熔断器的选择设计173.5.设计光伏汇流箱183.6.实例29总结31参考文献：32致谢34第1章 绪论1.1 课题研究的意义和目的随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化，使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生能源以代替。风能、水能、太阳能等就
10、是未来人类探寻和研究发展的主要方向。而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势，必将成为未来的最主要能源之一。目前太阳能发电有两种形式，一是热发电，二是光发电，也称光伏（PV）发电。太阳能光伏产业是指利用光伏效应使太阳能转化为电能的产业。因为光伏发电具有规模大小随意、能独立发电、建设速度快、维护简单等优势，所以自20世纪70年代以来，世界各国包括中国的光伏产业发展非常迅猛。目前太阳能光伏产业主要是指晶体硅太阳能电池产业。光伏阵列是太阳能光伏发电的关键组成，多块太阳能电池串并联成阵列方式的合理与否，决定了阵列的发电效率和收益。所以，在组成光伏阵列之前有必要对其进行设计和各关键变量的计算，以获得精确的
11、数据，方便之后的安装、发电及维护。多块太阳能电池板不可能直接接入电路，需要在光伏汇流箱内进行一次汇流，才能用于直接使用或者输入到逆变器中进行二次汇流。所以，汇流箱的设计是关系到光伏输出效率的关键之一。图 1.1 光伏电池板1.2 国外现状在传统能源的消耗和全球环境日益恶化的压力下，可再生的绿色能源日益受到关注。美、德、日等国家相继行动起来，提出了关于光伏发电的“光伏屋顶计划”和“新阳光计划”等，在政府的相关政策、法规和行动计划的推动下，光伏产业以及其迅猛的姿态高速成长。1973年，美国制定了政府级阳光发电计划；1980年又将光伏发电正式的列入公共电力规划，累计投资高达约8亿美元；在1994年度
12、的国家财政预算中，光伏产业的预算约达7800万美元，比1993年增加了约23.4；1997年欧美相继宣布实施“百万屋顶光伏计划”，美国计划到2010年安装共10003000MW的太阳能电池。日本1997年用于补贴“屋顶光伏计划”的经费高达9200万美啊元，目标是安装7600MW的太阳能电池。印度计划19982002年太阳电池总产量为150MW，其中2002年为50MW。在过去15年中，全球光伏产业以 25%的年均增长率高速成长。2003年以来欧洲光伏市场的迅速启动，使得 2004、2005年的市场一度出现供不应求的局面。随后各大厂商纷纷加大产能，尽管原材料并不充裕，到2006年，世界光伏电池产
13、量仍然达到2501 MW，比2005年增加了42.2%。20002006年全球光伏系统安装量年均复合增长率高达 49.1%。2006 年全年新增光伏系统安装容量达到1870.4MW，比 2005年增长35%。多年以来德国一直是全球最大的光伏市场，在德国光伏屋顶计划的示范作用下，西班牙、意大利、葡萄牙、挪威等国纷纷效仿，这些国家的市场已经兴起，其中西班牙的增长率超过 200%；在亚洲，日本和韩国的安装量 2007年也迅猛增加；在美国，2006 年通过的加利福尼亚州“百万太阳能屋顶计划”进一步刺激了美国国内的市场需求。随着太阳能产业的迅猛发展，太阳能组件价格不断下降，但仍然比较高。国际市场价格在1
14、980年为21.83 美元/Wp(峰瓦)，1990、2005 年分别为 6.07、2.70 美元/Wp。值得指出的是，薄膜太阳能电池由于用硅量只有硅片电池的 1/100 左右，有的不用硅材料，如CIGS（铜铟镓硒），CdTe（碲化镉）薄膜电池，加工工艺简化，可以大大缩短能量返还时间，提高能量再生比。如美国 Nanosolar 公司开发的卷筒印刷 CIGS 薄膜电池技术，预计的能量返还时间仅为 2 个月。其年产能为430MW的薄膜电池工厂将于明年投产。 国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。到目前为止，世界太阳电池年销售量己
15、超过60兆瓦，电池转换效率提高到15以上，系统造价和发电成本已分别降至4美元/峰瓦和25美分/度电；在太阳热利用方面，由于技术日趋成熟，应用规模越来越大，仅美国太阳能热水器年销售额就超过10亿美元。太阳能热发电在技术上也有所突破，目前已有20余座大型太阳能热发电站正在运行或建设。 1.3 国内现状在我国，党和政府非常重视太阳能光伏发电的开发。胡锦涛同志在对“关于支持我国太阳能自主创新关键技术的建议”报告的重要批示中指出：“太阳能是重要可再生能源之一，推进科技创新，解决太阳能发电高成本问题是大规模开发利用太阳能的关键”。中国的太阳能资源储量非常丰富，太阳能利用前景极其广阔。我国太阳能资源分布的主
16、要特点有：1、太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22 35这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心。2、太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部地区低于北部地区。3、由于南方地区云多雨多，在北纬30 40地区，天阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的升高而减少，而是随着纬度的升高而增长。目前，我国已是全球太阳能热水器产量和使用量最大的国家并且是太阳能光伏电池生产的大国之一。我国比较成熟的太阳能产品有两种:太阳能光伏发电系统和太阳热水系统。太阳能产业在我国得到了迅猛的发展，中国已成为仅次于日本和德国之后的世界第三大光伏
17、产品生产国，这也是我国为了改善全球日益恶化的环境而做出的巨大努力与贡献。而随着相关法律和政策的出台，能源长期性短缺的中国将有望成为世界上最大的光伏发电市场。我国得光伏发电产业于20世纪70年代起步，经过科研人员的30多年的不懈努力，已迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程” 先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦，2008年太阳能电池的产量达到了200万千瓦。经过多年的发展，中国太阳热水器产业已形成较为完整的产业化体系。2008年我国太阳能热水器行业产值高达430亿，出口也已达一亿美元。
18、虽然我国光伏产业多年来实现了长足的进步，但不可否认的是，我国的光伏产业也存在不容忽视的技术不高、环境较恶劣和市场风险等缺点和难题；近期在国内光伏市场额应用方面也面临成本高、上网难、缺乏经验等障碍。我国光伏产业的缺点如下：1、国内光伏技术总体的技术水平不高、内在竞争力不强。由于我国光伏产业发展历史短，主要方向放在生产组件方面而基础研究工作薄弱，导致目前我国光伏技术总体水平仍然不高，太阳能电池及其组件的效率和质量水平仍然普遍落后于世界先进水平，在新型高效的太阳能电池和高纯硅生产技术的研究开发方面也落后于欧美等发达国家，许多装备主要依赖国外引进。目前我国太阳能光伏产业仍主要依靠市场驱动而非技术驱动，
19、缺乏强大的内在竞争力。2、产业和市场发展不平衡，不利于产业的持续稳定发展和节能减排。在过去的几年内，我国光伏产业界慧眼如炬，抓住了欧美国家光伏市场快速增长这一机遇，利用了国内资源和人力成本较低的优势，实现了迅速起步与不断的发展壮大。但由于近年来全球光伏产业的产能过快扩张及金融危机的负面影响，未来两年内世界光伏组件和高纯硅材料市场势必供过于求，这将使得光伏产业面临大规模洗牌的局面。所以我国光伏企业近期来已普遍停止扩产、削减产量。在这个洗牌过程中，利润率最高的环节也将逐渐转向下游的光伏发电运营业，使得出售光伏电力比出售光伏组件和系统具有更长远稳定的回报，这也是传统光伏产业界和光伏设备制造业日益重视
20、、极力呼吁启动国内光伏市场的根本原因。目前这种产业和市场格局意味着我国光伏产业面临着日益突出的市场风险。而广受争论的光伏产业的高能耗问题，其实质问题也在于产业和市场发展不平衡，即取决于国内光伏产业链建设和国内外市场的选择。3、光伏产业在近期仍缺乏足够经济竞争力。有赖于政府政策扶持最近数十年全球光伏市场的重心随着各国光伏市场政策的变化而先后从美国(1996年以前)转移到日本(19962002年)和欧盟(2002年以来)，即充分反映了全球光伏市场的需求主要是由扶持政策推动的。目前我国还未制定比较系统完善的光伏发电经济激励政策，电价有待于加快制定必要适度的财政补贴和优惠上网电价扶持政策。1.4 太阳
21、能的发展前景在国际上，光伏产业在许多国家得到了持续的政策扶持，光伏发电的成本也随着太阳能电池技术进步、硅原料和组件供需形势的逐步缓解而快速下降，使光伏发电成为增长速度最快、初步实现规模化发展的可再生能源发电技术。国内外光伏产业界已开始着手描绘以居民销售电价和峰谷电价为临界点的并网光伏发电商业化时间表。德意志银行预计以多晶硅太阳能电池技术进行的光伏发电成本最低可降到$0.15/kWh以下，乐观估计大约在2015-2016年左右可降到$0.1/kWh，这使得光伏发电于2010-2013年期间首先在日本、德国、西班牙等实行较高平均零售电价的国家开始商业化发展。近年来，中央政策大力支持发展太阳能。我国
22、光伏产业在经历爆发式的迅猛增长之后，已基本形成了涵盖多晶硅材料、铸锭、拉单晶、电池片、封装、平衡部件、系统集成、光伏应用产品和专用设备制造的较完整产业链。产业链各个环节的专用设备和专用材料的国产化加快，许多设备完全实现了国产化并有部分出口。国家于2009年12月26日通过修改2006年的可再生能源法，规定电网经营商需购买所有由再生能源所生产的电力。这次修例希望能够提升再生能源发电所占的比重，至2020年，再生能源发电将占总发电量的15%。而在众多新能源之中，太阳能因为较少受地理及气候因素限制而倍受青睐。2009年可谓是太阳能产业在中国高速发展的时期，国家的补贴扶持政策陆续推出。2009年3月，
23、财政部、住房和城乡建设部印发关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见及太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法，确定对光电建筑2009年的补助标淮为20元/瓦。7月，财政部、科技部、国家能源局发出关于实施金太阳示范工程的通知，提出对光伏并网项目和无电地区离网光伏发电项目分别给予50%及70%的财政补贴。9月，新兴能源产业发展规划规定的太阳能发电到2020年将达到20GW(Gigawatt，十亿瓦特)的目标。传统能源供应以化石能源为主，不少报告指其将于数十年内耗尽，加上燃烧化石能源时会排放二氧化碳，加剧温室效应，造成环境污染。为达到减排目标，各国均积极拓展洁净能源。太阳能是其中最具增长潜力的可
24、再生能源，而且运用上比其他再生能源更灵活。中国幅员辽阔，土地成本低，大西北、内蒙古、青海等高原、沙漠地区的太阳能资源都非常丰富，位居世界第二位，仅次于撒哈拉沙漠。根据汇丰证券的研究报告显示，只需全球百分之一的沙漠地区每天所接收到的阳光，已经足够满足全球人类一天电力所需。因此，中国具备良好的潜力开发太阳能发电市场。根据我国光伏发电的发展情况。太阳能光伏发电首先应用于空间技术，随着太阳能光伏产业的发展，太阳能电池的成本价格下降，太阳能光伏发电的应用范围日益广泛，如：手表、袖珍计算器、玩具、手机等消费类产品，以及为道路标志、路灯照明及电话箱等提供电力。在今后一段时间。我国光伏发电主要应用在以下几个方
25、面:1、城市并网光伏发电2、荒漠和海岛地区的供电3、边远地区离网供电4、景观灯、LED 照明等商业应用太阳能光伏发电作为一种取之不尽、用之不竭的清洁环保能源将得到前所未有的发展。随着光伏发电产业化进程和技术开发的深化，它的效率、性价比将得到提高，它在包括 BIPV 在内的各个领域都将得到广泛的应用，也将极大地推动中国“绿色电力工程”的快速发展。1.5 论文的主要工作本文在阐述了太阳能光伏产业的无限发展潜力之后，主要将会进行如下工作：1、熟悉太阳能光伏发电的基本原理。2、掌握光伏模组或者光伏电池的连接组合方式的基本原则和原理。3、熟悉光伏阵列设计中的主要事项。4、熟悉光伏阵列计算的目的与参数。5
26、、掌握光伏电池内部连接方式和注意事项。6、设计光伏阵列汇流箱第2章 太阳能光伏及汇流箱总体研究2.1 太阳能光伏发电的特点图 2.1 光伏发电原理图太阳能光伏发电是指利用光伏效应使太阳能转化为电能的一种发电形式。光伏效应就是半导体材料吸收光能后，在其势垒区两边产生电动势的效应。如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅
27、片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.50.6V。通过光照在界面层产生的电子空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。此时，如果我们用导线将 P 区、N 区与一负载连接起来，形成一个回路，就会有电流流过负载，这就是太阳能电池发电的原理。太阳能光伏发电系统按照应用的基本形式可分为三大类：离网光伏发电系统（独立发电系统）、微网光伏发电系统和并网光伏发电系统。未与公共电网连接的太阳能光伏发电系统称为离网光伏发电系统；与偏远地区独立运行的电网相连接的太阳能光伏发电系统称为微网光伏发电系统；与公共电网相连接的
28、太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统。并网光伏发电系统按照系统功能又可以分为两类：不含蓄电池环节的“不可调度式并网光伏发电系统”和含有蓄电池组的“可调度式并网光伏发电系统”。并网太阳能光伏发电系统的工作原理是太阳能通过光伏组件组成的光伏阵列转换成直流电，经过三相逆变器（DC-AC）转换成三相交流电，再通过升压变压器转换成符合公共电网要求的交流电，直接接入公共电网。离网太阳能光伏发电系统是太阳能通过光伏组件组成的光伏阵列转换成直流电，通过控制器控制蓄电池、逆变器或 DC/DC 变换器的工作状态。离网光伏发电系统中的直流负载可以直接通过 DC/DC 变换器变换为合适电压的直流电工作，交流负载则需
29、要经过离网逆变器逆变后的单相或三相交流电才能使用。太阳能光伏发电三种类别的特点如表 2.1所示表 2.1 三种太阳能光伏发电系统的特点内容并网光伏系统离网光伏系统微网光伏系统初始成本最低高高运营成本低高高备用电源（蓄电池）无有有维护几乎免维护需要维护维护较多负载匹配较好差较好噪声无无有污染无有有2.2 太阳能光伏电池的基本特性太阳能电池的光伏特性曲线，即伏安特性曲线（I-V 特性曲线），是在一定光强、一定温度下太阳能电池的负载外特性，直接反映在电池输出功率。可以用其 I-V 特性及 P-V 特性表示，如图2.2（a)、(b)所示：图 2.2 (a) 太阳能光伏电池I-V特性曲线图 2.2(b)
30、 太阳能光伏电池P-V特性曲线太阳能电池的性能参数：（1）开路电压Uoc，即将太阳能电池置于100mW/cm2的光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。（2）短路电流Isc，就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。（3）最大输出功率，即选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，用符号Pm表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号Um和Im表示，。（4）填充因子，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比： （2-1）FF是衡量太阳能电池输出特性的重要指标，是代表太阳能电池在带最佳负载时，能输出的最大功率的特性
31、，其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。FF的值始终小于l。（5）转换效率，太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比： （2-2）当光照强度或温度不同时，太阳能光伏电池的输出特性有较大的改变，即对应不同的光照强度或温度有不同的输出特性曲线，如图2.3（a）、（b）和图2.4（a）、（b）所示：图2.3（a）不同光照强度下P-V特性曲线图2.3（b）不同光照强度下I-V 特性曲线从图中可以看出随着光照强度的增加太阳能电池的短路电流增大，功率也增大。事实上，开路电压Uoc随光照强度的升高呈对数比例增加，短路电流
32、Isc和输出功率均与光照强度成正比。开路电压的下降可由下面的关系式表示： （2-3）式中，Vi表示开路电压的下降：是太阳能电池的温度系数，一般取0.0030.005；T表示太阳能电池的温度；V表示太阳能电池标称的工作电压。图 2.4（a）不同温度下I-V特性曲线图 2.4（b）不同温度下P-V 特性曲线从图2-4（a）、（b）中可以看出一定光照下，温度上升会使太阳能电池开路电压Uoc下降，太阳能电池的输出功率下降。2.3 光伏汇流箱的基本特点2.3.1 光伏汇流箱的描述太阳能发电系统主要有光伏电池阵列、光伏汇流箱、光伏逆变器和电网组成，有的系统还有蓄电池。太阳光经过太阳能电池阵列被转换为直流电
33、，然后再通过逆变器变为交流电并入电网或者直接供给负载使用。但是，由于光伏电池的转换效率不高，所以光伏电站往往占用很多的土地，范围比较大。为了减少光伏电池阵列和逆变器之间的连线，并在电池阵列和逆变器之间进行保护，就需要把多路太阳能电池阵列输出进行汇流、保护后，变为较少路的输出输入到逆变器里。而光伏汇流箱就是起到这么一个作用。用户可以将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来，组成一个个光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联接入光伏汇流防雷箱，在光伏防雷汇流箱内汇流后，通过直流断路器输出，与光伏逆变器配套使用从而构成完整的光伏发电系统，实现与市电并网。太阳能光伏防雷汇流箱按使用场合不同可以分为：汇流箱和
34、汇流柜两大类，按是否带有CPU，又可分为普通汇流箱（汇流柜）如图2-5和智能汇流箱（汇流柜）如图2-6。图 2.5 普通汇流箱按输入路数和输出路数的不同又分为不同的类型，汇流箱一般用户户外，汇流柜一般与大型并网逆变器柜一起放在逆变器室内。 智能汇流箱将直流电汇流传送到并网逆变器，同时检测每组电池输入的电流及电压值，实时上传到监控中心。告警信号通过GPRS、RS485总线或光缆上传到集中器，再转发到监控中心。用户通过后台软件获取信息，判断设备具体故障来源，以便于发电厂设备的及时维护和管理。图 2.6 智能汇流箱2.3.2 光伏汇流箱的基本工作原理太阳能电池阵列将太阳光能转化为电能后，以直流形式输
35、入汇流箱。汇流箱的一般工作原理图如图2.7所示。图 2.7 汇流箱的一般工作原理图如图，假设a+、b+和a-、b-分别是a、b两路直流电的正、负极输入。在汇流前，我们将a、b两路直流电的正极各加上一个光伏直流专用二极管。a、b两路直流电经过汇流箱汇流后，输入到光伏逆变器进行逆变，将直流电逆变为与电网同幅、同频、同步的交流电，然后并入电网，或直接供给负载使用。在汇流箱内，熔断器、断路器和防雷器是必不可少的组件。熔断器是防止由于电流过大而导致过热危及汇流箱，而因为汇流箱多数是安装于户外，有可能会受到雷击，所以在汇流箱的直流输出端并联一个防雷器，在汇流箱遭到强烈雷击时，能够在一定程度内保护汇流箱。由
36、于一个逆变器可以接入几个汇流箱，所以在逆变器内还要进行二次汇流。一般汇流箱内部实物图如图2.8所示。图 2.8 一般汇流箱内部图汇流箱内进行的汇流是根据光伏发电系统此时状况决定的。如果光伏发电系统处于运行状态中，则光伏汇流箱内的汇流就会进行。也就是说，当汇流箱没有损坏并处于正常工作状态时，随时可以进行汇流。当每块光伏阵列的电池特性相同时，汇流出来的电流是最大的，此时汇流箱处于最大工作效率。 太阳电池组件通常安装在地域开阔、阳光充足的地带。在长期使用中难免会有飞鸟、尘土、落叶等遮挡物，这些遮挡物在太阳电池组件上就形成了阴影，在大型太阳电池组件方针中行间距不适合也能互相形成阴影。由于局部阴影的存在
37、，太阳电池组件中某些电池单片的电流、电压发生了变化。其结果使太阳电池组件局部电流与电压之积增大，从而在这些电池组件上产生了局部温升。太阳电池组件中某些电池单片本身缺陷也可能使组件在工作时局部发热，这种现象叫“热斑效应”。在实际使用太阳电池中，若热斑效应产生的温度超过了一定极限将会使电池组件上的焊点熔化并毁坏栅线，从而导致整个太阳电池组件的报废。据国外权威统计，热斑效应使太阳电池组件的实际使用寿命至少减少10%。热斑现象是不可避免的，尽管太阳电池组件安装时都要考虑阴影的影响，并加配保护装置以减少热斑的影响。为表明太阳电池能够在规定的条件下长期使用，需通过合理的时间和过程对太阳电池组件进行检测，确
38、定其承受热斑加热效应的能力。当光伏阵列发生热斑现象时，阵列当中的太阳能电池特性将会不同，这一阵列的输出电流就会降低，高低电压段间将发生环流，但是汇流箱中每一路都装有防反二极管，环流将不会发生。这一内容将在下文进行详细分析和探究。第3章 光伏阵列及汇流箱设计3.1. 光伏阵列的基本组成和排列光伏阵列是将入射的太阳辐射能直接转换为直流电能的单元，太阳电池板组成的阵列与光伏阵列连接箱连接，电流经连接箱汇流后输出到逆变器或直接应用环节。实际光伏发电系统可根据实际需要，将若干光伏电池组件经串、并联，排列组成光伏阵列，满足光伏系统实际电压和电流的需要。光伏电池组件串联，要求所串联组件间有相同的电流容量，串
39、联后的阵列输出电压为各光伏电池输出电压之和，相同电流容量光伏电池串联后其阵列输出电流不变；光伏电池组件并联，要求所并联的所有光伏电池具有相同的输出电压等级，并联后的阵列输出的电流为各个光伏电池输出电流之和，而电压保持不变。在太阳能电池阵列子方阵设计时，应遵循以下原则：1、太阳能电池板串联形成的组串，其输出电压的变化范围必须在逆变器正常工作的允许输入电压范围内。太阳能光伏发电系统设计及运行分析2、每个子方阵的总功率应不超过逆变器的最大允许输入功率。3、太阳能电池板串联后，其最高输出电压不允许超过太阳电池组件自身要求的最高允许系统电压。4、各太阳能电池板至逆变器的直流部分通路应尽可能短，以减少直流
40、损耗。3.2. 太阳能电池组件选择3.2.1 太阳能电池组件选型和电池选择在产品技术成熟度高、运行可靠的前提下，结合电站站址的气象条件、地理环境、施工条件、交通运输等实际因素，综合考虑对比确定组件型式。再根据电站所在地的太阳能资源状况和所选用的太阳能电池组件类型，计算出光伏电站的年发电量，最终选择出综合指标最佳的太阳能电池组件。太阳能电池根据工作原理不同，大致可分为晶体太阳能电池和薄膜太阳能电池两类。晶体太阳能电池又可分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池两种；薄膜太阳能电池又可分为非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟硒电池三种等。太阳电池最早问世的是单晶硅太阳能电池。硅是地球上极丰富的一种元素
41、，几乎遍地都有硅的存在，可说是取之不尽，用硅来制造太阳电池，原料可谓不缺。但是提炼它却不容易，所以人们在生产单晶硅太阳电池的同时，又研究了多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池和薄膜太阳能电池，至今商业规模生产的太阳电池，还没有跳出硅的系列。上述各类型电池主要性能参数，如表3.1。表 3.1 各类电池主要性能参数种类电池 类型商用效率实验室 效率使用寿命特点目前应用范围晶体电池单晶硅1417%24.7%25年效率高 技术成熟中央发电系统独立电源民用消费品市场多晶硅1315%20.3%25年效率较高技术成熟中央发电系统独立电源民用消费品市场薄膜电池非晶硅68%13%25年弱光效应较好成本相对较低民用消费
42、品市场中央发电系统碲化镉911%19.5%25年弱光效应好成本较低民用消费品市场铜铟硒911%19.5%20年弱光效应较好成本相对较低民用消费品市场少数独立电源3.3. 光伏阵列方位角、倾斜角的计算3.3.1 太阳高度角太阳能光伏系统中，电池阵列安装如图3.1所示图 3.1 电池安装图图中物理量将在下文中进行说明。太阳高度角是指对于地球上的某个地点太阳光的入射方向和地平面之间的夹角。太阳高度角是决定地球表面获得太阳热能多少的最重要因素。1. 影子倍率法计算太阳高度角一般在水平面垂直竖立的高为L的木杆，其电池阵列安装示意图如上图，南北方向影子的长度为LS，太阳的高度角为h，方位角为，那么影子的倍
43、率R可由下式表示： （3-1）式中： R影子倍率L阵列高度LS影子长度h太阳高度角太阳方位角阵列的影子长度因安装场所的纬度、季节、时间不同而异，如果在影子最长的冬至，从午前9：00至午后15：00，影子对阵列没有影响，说明太阳电池输出功率不受影响。通过“冬至太阳位置图”，可以知道这段时间内的太阳高度角h和方位角。2. 根据函数计算太阳高度角根据球面三角函数分析认为太阳高度与观测者的地理纬度、太阳赤纬和方位角有着一定关系，它们之间的关系式为： （3-2）式中： 当地纬度角； 当地赤纬角。一年中第n天的赤纬角按如下公式计算： （3-3）式(2)(3)中，若已知某点的地理位置，日期和时刻，就可以算出
44、当地当时的太阳高度角。正午时，太阳方位角为零，则 COS=l，式(2)则变为 （3-4）得出计算太阳高度角的基本公式： （3-5）3.3.2 太阳倾斜角在理论上，给定地理纬度、地形高度等参数以后，倾角为的太阳能光伏板表面1 年内接收的总辐射 Qy是一个关于变量的函数Qy() ，对 Qy()关于变量求导并取值0，即求解方程， 即可得到年最佳倾角y。3.4. 保护用熔断器的选择设计为了实现更高的效率，要由多个光伏板串联成光伏串，多个光伏串并联成光伏阵列。光伏阵列内各光伏串电流汇集到光伏阵列汇流箱，再并联到光伏发电器连接箱，其输出可供直接应用或经逆变等处理。为及时隔离光伏板出现故障的光伏串，提高发电
45、效率(光伏板出现故障不发电时，则成为消耗电能负载)，也为避免安装阶段错接或其他原因引起局部异常接线形成的过流危害，在每个光伏串的两端安装保险丝后，由于光伏阵列短路电流大于单个光伏串的电流，因此可致光伏串串联的保险丝熔断以隔离故障光伏串。如图3.2所示为线线之间保护，如图3.3所示为线线之间及地线之间保护。图 3.2 线线之间保护图 3.3 线线之间及地线之间保护在阵列中设置熔断器，判断下级逆变器元件反馈的电流(如电容或者电容器反馈到光伏阵列和阵列布线的放电)，在熔断器的额定分断能力范围内也能对光伏阵列提供保护。在光伏阵列中设置直流光伏保险丝至关重要，选择光伏保险丝的额定电压要考虑光伏板可能使用
46、地最低气温时的开路电压VOC，额定电流要考虑光伏板使用地最高温度时的短路电流ISC，以及循环负载对长期工作寿命的影响，保证长期工作的前提下取低额定值，实现保护作用。3.5. 设计光伏汇流箱汇流箱的结构和机柜本身的制造质量、主电路连接、二次线及电气元件安装等应符合下列要求： 1、机架组装有关零部件均应符合各自的技术要求； 2、箱体应牢固、平整，表面应光滑平整，无剥落、锈蚀及裂痕等现象； 3、机架面板应平整，文字和符号要求清楚、整齐、规范、正确； 4、标牌、标志、标记应完整清晰； 5、各种开关应便于操作，灵活可靠。 智能光伏汇流箱的设计应具有以下特点：1、满足室外安装的使用要求2、同时可接入8/16路光伏阵列，每路配16A，1000Vdc保险丝（可更换其他等级）3、配有光伏专用高压防雷器，正极负极都具备防雷功能4、采用正负极分别串联的四极断路器提高直流耐压值5、对输入阵列进行电流监控，本机LED显示及通过RS485方式输出电流值
