太阳电池与组件安装

太阳电池与组件安装

Solar Cell and Module Installation

太阳向地球辐射巨大的能量，太阳光辐射热可发电，太阳光也可以直接激发半导体产生电能，这就是太阳能光伏发电，光伏发电早已应用在日常生活中，如计算器，太阳能灯，太阳能帽等等。

太阳电池

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳电池，太阳电池由半导体材料制成，在一片半导体材料表面形成PN结，在两面引出电极构成太阳电池，当阳光照射到太阳电池时，就会产生电势，有关其原理与结构在这里不做介绍了。 图1是网络上的单片单晶硅太阳能电池与多晶硅太阳能电池图片，单片太阳能电池的尺寸约十多厘米见方。

图1 太阳电池片

若干太阳电池片经过串联与并联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置，图2是一块太阳电池组件，也就是常说的太阳能电池板，太阳能电池板大小根据需要制作。

图2 太阳电池组件

多个太阳电池组件组成太阳电池方阵，太阳电池方阵使用的组件尺寸较多为2米长1米宽左右，在标准光照条件（辐照度1000W/m2）下的输出电压一般为30至50伏，短路电流约10安培。 图3上方是太阳电池与太阳电池组件的图形符号，符号是普通电池符号加个圆圈，极性与普通电池一样，图3下方是太阳电池组件或方阵的常用画法。

图3 太阳电池与组件的图形符号

太阳电池的基本特性

太阳电池可由多种半导体材料制造，目前制造工艺最成熟、性价比高的太阳电池采用硅半导体材料。后面介绍的太阳电池均是硅太阳电池。

图4 太阳电池的特性曲线 常用的太阳电池的主要特性是伏安特性，图4的（1）图是硅太阳电池的伏安特性，图中曲线是在一定强度阳光照射下的伏安特性曲线。把太阳电池正负极短路时，输出电流称为短路电流Isc；，把太阳电池正负极开短路（无负载），两极间的电压称为开路电压Uoc。 在太阳电池正负极接上负载电阻R，如上所述，当R无穷大时，通过电流为0，电压为Uoc，当R为0时，通过电流为Isc，电压为0。 当R值变化时，通过电流与电压的关系按曲线变化，见图4中的（2）图，R较小时，通过电流为i3，电压为u3；R较大时，通过电流为i1，电压为u1。太阳电池的输出功率为R上电流与电压乘积，显然要选择R值以得到最大输出功率，从图中看，改变R值，电流为i2，电压为u2时，输出功率最大，在曲线上对应的点M称为该太阳电池的最佳工作点。 太阳电池在光照不同时的伏安特性曲线也不同，在图4的（3）图中有三根在不同光照强度（辐照度）时的伏安特性曲线，显示了太阳电池的光照特性，主要是短路电流Isc与照射光的辐照度成正比，显然辐照度越强，输出功率越大。 太阳电池还有一些特性，如开路电压Uoc随温度升高而降低，其他特性就不介绍了。

太阳电池的分类

光伏电池主要分为晶体硅光伏电池与薄膜光伏电池，晶体硅光伏电池又分为单晶硅光伏电池与多晶硅光伏电池，薄膜光伏电池种类较多，主要是非晶硅光伏电池。

单晶硅太阳电池

单晶硅太阳电池由单晶硅片制造，在单晶硅材料中，硅原子在空间呈有序的周期性排列，具有长程有序性。这种有序性有利于太阳电池的转换效率的提高，目前单晶硅太阳电池转换效率为14%-17%，最高达24%。单晶硅太阳电池生产工艺成熟，广泛应用在航天，高科技产品中。但单晶硅太阳电池制造过程复杂，制造需要的能耗大，成本高。

多晶硅太阳电池

多晶硅材料则是由许多单晶颗粒（颗粒直径为数微米至数毫米）的集合体。各个单晶颗粒的大小，晶体取向彼此各不相同，其转换效率约13%至15%，最高达20%。多晶硅太阳电池比单晶硅太阳电池生产时间短，制造成本低，在市场上有重要地位。

非晶硅太阳电池

非晶硅太阳电池采用很薄的非晶硅薄膜（约1 μm厚）制造，硅材料消耗很少，可直接在大面积的玻璃板上淀积生成硅半导体薄膜，制备非晶硅的工艺和设备简单，制造时间短，能耗少，适于大批生产。 非晶硅太阳电池的转换效率5%-8%，最高达13%，特点是在弱光下也能发电。非晶硅太阳电池的主要缺点是稳定性稍差。但价廉与弱光发电使它广泛用在民用产品中。

太阳电池的安装

大多数太阳电池采用固定安装，为了获得较强的太阳光辐射，由电池组件组成的电池板应向南方倾斜（北半球），用支架支撑固定，与地面角度为本地纬度值最好，对于在屋顶安装，也要尽量满足这个要求。图5是固定安装示意图。

图5 固定安装太阳电池组件

固定安装费用少，结实可靠，图6是网络上的大型太阳电池方阵照片。

图6 大型太阳电池方阵

一些采用单晶硅太阳电池组件的系统，由于价格高，希望获得尽量多的太阳照射，可考虑对太阳进行跟踪。太阳电池不像聚光集热装置要准确跟踪，差几度影响不明显，采用极轴式跟踪并使用视日跟踪法。图7是一块跟踪型太阳电池板。

图7 跟踪型太阳电池板

电池板通过两个轴安装在基座上，主转轴与地轴平行，主转轴上安装有俯仰转轴的轴座，轴座上有俯仰转轴，主转轴与俯仰转轴垂直，整个电池组件板安装在俯仰转轴上。见图8

图8 跟踪型太阳电池板的轴转结构

电池板绕俯仰轴转是调节与地面的夹角，在春分与秋分时电池板与主转轴平行，见图9中图；在冬季太阳较低，电池板与地面的夹角增大，见图9左图；在夏季太阳较高，电池板与地面的夹角减小，见图9右图。由于这个角度每天最大变化不超过0.5度，可半个月至一个月手动调节一次，不需要自动调节。

图9 跟踪型太阳电池板的俯仰角度

电池板绕主轴转动是为了跟踪太阳，由于不需准确跟踪，只需用机电装置按每小时15度的转速转动即可，早上与傍晚也无需转到与地面垂直，到太阳落山再返回即可。 下面请观看太阳电池板绕主转轴跟踪转动的动画。

太阳电池板跟踪转动动画