太陽(yáng)能電池板的性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)原則

于燕玲1，楊洪興2，宗杰3

1.天津天樂國(guó)際工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司，天津 300202；

2.香港理工大學(xué)屋宇設(shè)備工程學(xué)系，香港；

3.恩宜琺瑪（天津）工程有限公司，天津 300100）

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太陽(yáng)能電池板的性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)原則

于燕玲1，楊洪興2，宗杰3

1.天津天樂國(guó)際工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司，天津 300202；

2.香港理工大學(xué)屋宇設(shè)備工程學(xué)系，香港；

3.恩宜琺瑪（天津）工程有限公司，天津 300100）

結(jié)合光伏建筑發(fā)電系統(tǒng)的研究及發(fā)展方向，研究光伏建筑發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)能電池板的設(shè)計(jì)原則，以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

太陽(yáng)能電池板 性能指標(biāo) 設(shè)計(jì)原則

一、前言

目前，在建筑中引入綠色設(shè)計(jì)理念，已成為建筑發(fā)展的趨勢(shì)。隨著LEED標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證在國(guó)內(nèi)建筑業(yè)引入、并逐漸得到認(rèn)可，光伏建筑、乃至光伏產(chǎn)業(yè)在我國(guó)“十二五”期間，已列入未來發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重要領(lǐng)域，光伏發(fā)電系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。

近些年來，我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電科技發(fā)展重點(diǎn)將主要集中在材料、器件、系統(tǒng)和裝備四個(gè)方向，但目前國(guó)內(nèi)普遍使用的光伏發(fā)電系統(tǒng)還存在許多問題，例如光伏發(fā)電成本高、光電轉(zhuǎn)換效率低等，國(guó)內(nèi)現(xiàn)已出臺(tái)并實(shí)施的光伏建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也較為概略，作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要部件——太陽(yáng)能電池板，其設(shè)計(jì)選型尚未得到工程設(shè)計(jì)人員的足夠重視，不合理的設(shè)計(jì)理念會(huì)造成一定的能源，或者無法滿足使用者的要求。因此有必要對(duì)太陽(yáng)能電池板的性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)原則進(jìn)行深入地分析。

二、太陽(yáng)能電池板的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池板的選擇計(jì)算取決于光伏陣列尺寸的計(jì)算，是根據(jù)功率輸出的實(shí)際需要和光伏電池的的物理、電氣特性來計(jì)算光伏陣列的總面積和單片電池?cái)?shù)。

太陽(yáng)能電池方陣可分為平板式和聚光式兩大類。平板式方陣，只需把一定數(shù)量的太陽(yáng)能電池按照電性能的要求串聯(lián)、并聯(lián)起來即可．不需加裝匯聚陽(yáng)光的裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多用于固定安裝的場(chǎng)合。聚光式方陣，加有匯聚陽(yáng)光的搜集器，通常采用平面反射鏡、拋物面反射鏡或菲涅爾透鏡等裝置來聚光，以提高入射光譜的輻照度。聚光式方陣，可比相同輸出功率的平板式方陣少用一些單體太陽(yáng)能電池，從而使成本下降，但通常需要裝設(shè)向日跟蹤裝置，有了轉(zhuǎn)動(dòng)部件，這就降低了太陽(yáng)能電池的可靠性。

太陽(yáng)能電池方陣的設(shè)計(jì)，就是按照用戶的要求和負(fù)載的用電量及技術(shù)條件，計(jì)算太陽(yáng)能電池組件的串聯(lián)、并聯(lián)數(shù)。串聯(lián)數(shù)由太陽(yáng)能電池方陣的工作電壓決定，應(yīng)考慮蓄電池的浮充電壓、線路損耗以及溫度變化對(duì)太陽(yáng)能電池的影響等因素。在太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)數(shù)確定之后，即可按照氣象臺(tái)提供的太陽(yáng)能年總輻射量或年日照時(shí)數(shù)的10年平均值計(jì)算，確定太陽(yáng)能電池組件的并聯(lián)數(shù)。太陽(yáng)能電池方陣的輸出功率與組件的串聯(lián)、并聯(lián)數(shù)量有關(guān)。組件的串聯(lián)是為了獲得所需要的電壓，組件的并聯(lián)是為了獲得所需要的電流。太陽(yáng)能電池陣列的主要性能指標(biāo)

太陽(yáng)電池陣是在一定的約束條件下提供一定量的電能，所要求的發(fā)電量可以用下列任何一個(gè)或多個(gè)組合性能指標(biāo)來衡量，見表1：

表1 太陽(yáng)電池陣的性能指標(biāo)

三、太陽(yáng)能電池板的設(shè)計(jì)原則

太陽(yáng)陣尺寸初步估算

光伏發(fā)電系統(tǒng)電池板的設(shè)計(jì)過程同一般工程設(shè)計(jì)一樣，都要經(jīng)過以下三個(gè)過程：從方案設(shè)計(jì)階段開始，緊接著是初步設(shè)計(jì)階段，然后是最終設(shè)計(jì)階段。研究的內(nèi)容從各種方案的概念性比較研究，即選定固定太陽(yáng)陣還是定向太陽(yáng)陣，或是低壓太陽(yáng)陣還是高壓太陽(yáng)陣；然后是太陽(yáng)電池、蓋片、基板以及其他有關(guān)部件和材料的選定；最終確定太陽(yáng)電池的線路圖，決定所要選用的元件、部件和材料，并精確地估計(jì)出最終設(shè)計(jì)的性能和特性。因此，為一個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏陣列，與其他工程設(shè)計(jì)一樣，都要經(jīng)過了解設(shè)計(jì)要求和限定條件，然后進(jìn)行綜合分析，確定方案，選型研制，試驗(yàn)調(diào)試。

太陽(yáng)能電池板的設(shè)原則

太陽(yáng)能電池板的設(shè)計(jì)過程要注意兩個(gè)問題，一個(gè)是量化不定因素，另一個(gè)是優(yōu)化設(shè)計(jì)。表2分別列出了設(shè)計(jì)光伏陣列時(shí)一套典型的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)要求是指設(shè)計(jì)任務(wù)最終達(dá)到的目的，以及根據(jù)用戶要求滿足的基本技術(shù)指標(biāo)。其中功率輸出是固有指標(biāo)，功率輸出的條件則指的是直接影響功率輸出的各種條件，其中包括外界條件、運(yùn)行環(huán)境、自身性能和設(shè)計(jì)接口等。而設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是指在有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上制定的技術(shù)要求。這些要求直接關(guān)系到設(shè)計(jì)方案的確定、部件的采購(gòu)、制作的成本、安裝的措施、項(xiàng)目完成周期等因素。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則制定得是否適當(dāng)和滿足與否，將直接影響到光伏陣列的性能，直至整個(gè)設(shè)計(jì)的成敗。

表2 光伏陣列的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)原則

光伏陣列不是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，它是整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一部分，設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮到它與功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、定向驅(qū)動(dòng)裝置以及與機(jī)械電氣設(shè)備（如安裝支架、接插件等)的實(shí)際連接要求。表3列出了一個(gè)典型光伏陣列設(shè)計(jì)項(xiàng)目所有要協(xié)調(diào)的接口內(nèi)容。

表3 光伏陣列設(shè)計(jì)時(shí)要注意與外部的關(guān)系問題

四、太陽(yáng)能電池板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種一直在進(jìn)行中的連續(xù)過程，它在工程的早期（方案）設(shè)計(jì)階段顯得尤為重要，遺憾的是人們往往認(rèn)識(shí)不到。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的可以是為了使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到真正最優(yōu)化，也可以是僅僅為了使太陽(yáng)電池陣在某些確定的準(zhǔn)則（如最低的成本或最輕的重量）方面達(dá)到最優(yōu)化，或是為了在各個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)之間實(shí)現(xiàn)平衡。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，全系統(tǒng)的最優(yōu)化，必要時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致極不優(yōu)化的太陽(yáng)電池陣的設(shè)計(jì)。因此，太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)人員的責(zé)任是：要與全系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員以及其他分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行全面而又經(jīng)常的聯(lián)系，以確保任何太陽(yáng)陣設(shè)計(jì)或再設(shè)計(jì)的結(jié)果能滿足全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在與全系統(tǒng)協(xié)調(diào)時(shí)，太陽(yáng)陣的優(yōu)化設(shè)計(jì)僅僅是第二位的目標(biāo)。

對(duì)太陽(yáng)陣設(shè)計(jì)人員來說，重要的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則包括如下幾方面：不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下的功率輸出，太陽(yáng)陣的質(zhì)量、尺寸、成本、研制時(shí)間，以及風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和可靠性。

五、結(jié)論

光伏應(yīng)用技術(shù)作為一種新型的技術(shù)，在建筑學(xué)上已經(jīng)成為一種新的可行的選擇。光伏應(yīng)用技術(shù)利用太陽(yáng)光這種巨大的可再生能源來產(chǎn)生電力，其光伏轉(zhuǎn)換構(gòu)件（太陽(yáng)能電池板）既可以安裝在建筑物上，又可以作為多功能建筑材料構(gòu)成實(shí)際的建筑物構(gòu)件。本文結(jié)合光伏建筑發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向，研究了光伏建筑發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)能電池板的設(shè)計(jì)原則，以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法；深入分析了太陽(yáng)能電池板的性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)原則，為工程設(shè)計(jì)人員提供了借鑒和參考價(jià)值。未來隨著光伏發(fā)電成本的降低，光伏技術(shù)和建筑學(xué)會(huì)很好的結(jié)合在一起，光伏建筑技術(shù)和整體光伏技術(shù)市場(chǎng)將會(huì)越來越大。

[1]李安定著太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程，北京工業(yè)大學(xué)出版社，北京2001年：113-116

[2]（美）漢斯.S.勞申巴赫，太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)手冊(cè)－光電能轉(zhuǎn)換原理及其應(yīng)用，張金熹等譯，北京：宇航出版社，1987：13-18趙爭(zhēng)鳴，劉建政，孫曉瑛，袁立強(qiáng)編著，太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用，科學(xué)出版社，北京，2005：p67

[3]Friedirich Sich,Thomas Erge.,Photovoltaics in building,a Design Handbook for Architects and Engineers,1996 IEA(International Energy Agency),James&James(Science Publishers)Ltd,Waterside House,London NW18NZ,UK:23-27]