太阳能电池板的性能指标与设计原则

于燕玲1，杨洪兴2，宗杰3

1.天津天乐国际工程咨询设计有限公司，天津 300202；

2.香港理工大学屋宇设备工程学系，香港；

3.恩宜珐玛（天津）工程有限公司，天津 300100）

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太阳能电池板的性能指标与设计原则

于燕玲1，杨洪兴2，宗杰3

1.天津天乐国际工程咨询设计有限公司，天津 300202；

2.香港理工大学屋宇设备工程学系，香港；

3.恩宜珐玛（天津）工程有限公司，天津 300100）

结合光伏建筑发电系统的研究及发展方向，研究光伏建筑发电系统中太阳能电池板的设计原则，以及优化设计的方法。

太阳能电池板 性能指标 设计原则

一、前言

目前，在建筑中引入绿色设计理念，已成为建筑发展的趋势。随着LEED标准及认证在国内建筑业引入、并逐渐得到认可，光伏建筑、乃至光伏产业在我国“十二五”期间，已列入未来发展的战略性新兴产业重要领域，光伏发电系统在各个领域将得到广泛的应用。

近些年来，我国太阳能发电科技发展重点将主要集中在材料、器件、系统和装备四个方向，但目前国内普遍使用的光伏发电系统还存在许多问题，例如光伏发电成本高、光电转换效率低等，国内现已出台并实施的光伏建筑设计标准也较为概略，作为光伏发电系统的重要部件——太阳能电池板，其设计选型尚未得到工程设计人员的足够重视，不合理的设计理念会造成一定的能源，或者无法满足使用者的要求。因此有必要对太阳能电池板的性能指标和设计原则进行深入地分析。

二、太阳能电池板的设计

太阳能电池板的选择计算取决于光伏阵列尺寸的计算，是根据功率输出的实际需要和光伏电池的的物理、电气特性来计算光伏阵列的总面积和单片电池数。

太阳能电池方阵可分为平板式和聚光式两大类。平板式方阵，只需把一定数量的太阳能电池按照电性能的要求串联、并联起来即可．不需加装汇聚阳光的装置，结构简单，多用于固定安装的场合。聚光式方阵，加有汇聚阳光的搜集器，通常采用平面反射镜、抛物面反射镜或菲涅尔透镜等装置来聚光，以提高入射光谱的辐照度。聚光式方阵，可比相同输出功率的平板式方阵少用一些单体太阳能电池，从而使成本下降，但通常需要装设向日跟踪装置，有了转动部件，这就降低了太阳能电池的可靠性。

太阳能电池方阵的设计，就是按照用户的要求和负载的用电量及技术条件，计算太阳能电池组件的串联、并联数。串联数由太阳能电池方阵的工作电压决定，应考虑蓄电池的浮充电压、线路损耗以及温度变化对太阳能电池的影响等因素。在太阳能电池组件串联数确定之后，即可按照气象台提供的太阳能年总辐射量或年日照时数的10年平均值计算，确定太阳能电池组件的并联数。太阳能电池方阵的输出功率与组件的串联、并联数量有关。组件的串联是为了获得所需要的电压，组件的并联是为了获得所需要的电流。太阳能电池阵列的主要性能指标

太阳电池阵是在一定的约束条件下提供一定量的电能，所要求的发电量可以用下列任何一个或多个组合性能指标来衡量，见表1：

表1 太阳电池阵的性能指标

三、太阳能电池板的设计原则

太阳阵尺寸初步估算

光伏发电系统电池板的设计过程同一般工程设计一样，都要经过以下三个过程：从方案设计阶段开始，紧接着是初步设计阶段，然后是最终设计阶段。研究的内容从各种方案的概念性比较研究，即选定固定太阳阵还是定向太阳阵，或是低压太阳阵还是高压太阳阵；然后是太阳电池、盖片、基板以及其他有关部件和材料的选定；最终确定太阳电池的线路图，决定所要选用的元件、部件和材料，并精确地估计出最终设计的性能和特性。因此，为一个光伏发电系统设计光伏阵列，与其他工程设计一样，都要经过了解设计要求和限定条件，然后进行综合分析，确定方案，选型研制，试验调试。

太阳能电池板的设原则

太阳能电池板的设计过程要注意两个问题，一个是量化不定因素，另一个是优化设计。表2分别列出了设计光伏阵列时一套典型的设计要求和设计准则。设计要求是指设计任务最终达到的目的，以及根据用户要求满足的基本技术指标。其中功率输出是固有指标，功率输出的条件则指的是直接影响功率输出的各种条件，其中包括外界条件、运行环境、自身性能和设计接口等。而设计准则是指在有效的系统设计基础上制定的技术要求。这些要求直接关系到设计方案的确定、部件的采购、制作的成本、安装的措施、项目完成周期等因素。设计准则制定得是否适当和满足与否，将直接影响到光伏阵列的性能，直至整个设计的成败。

表2 光伏阵列的设计要求和设计原则

光伏阵列不是一个独立的系统，它是整个光伏发电系统中的一部分，设计时一定要考虑到它与功率调节系统、定向驱动装置以及与机械电气设备（如安装支架、接插件等)的实际连接要求。表3列出了一个典型光伏阵列设计项目所有要协调的接口内容。

表3 光伏阵列设计时要注意与外部的关系问题

四、太阳能电池板的优化设计

优化设计是一种一直在进行中的连续过程，它在工程的早期（方案）设计阶段显得尤为重要，遗憾的是人们往往认识不到。

优化设计的目的可以是为了使整个系统达到真正最优化，也可以是仅仅为了使太阳电池阵在某些确定的准则（如最低的成本或最轻的重量）方面达到最优化，或是为了在各个设计目标之间实现平衡。应当认识到，全系统的最优化，必要时可能会导致极不优化的太阳电池阵的设计。因此，太阳电池阵设计人员的责任是：要与全系统设计人员以及其他分系统的设计人员进行全面而又经常的联系，以确保任何太阳阵设计或再设计的结果能满足全系统的设计目标。在与全系统协调时，太阳阵的优化设计仅仅是第二位的目标。

对太阳阵设计人员来说，重要的优化设计准则包括如下几方面：不同太阳辐射强度下的功率输出，太阳阵的质量、尺寸、成本、研制时间，以及风险系数和可靠性。

五、结论

光伏应用技术作为一种新型的技术，在建筑学上已经成为一种新的可行的选择。光伏应用技术利用太阳光这种巨大的可再生能源来产生电力，其光伏转换构件（太阳能电池板）既可以安装在建筑物上，又可以作为多功能建筑材料构成实际的建筑物构件。本文结合光伏建筑发电系统的发展方向，研究了光伏建筑发电系统中太阳能电池板的设计原则，以及优化设计的方法；深入分析了太阳能电池板的性能指标和设计原则，为工程设计人员提供了借鉴和参考价值。未来随着光伏发电成本的降低，光伏技术和建筑学会很好的结合在一起，光伏建筑技术和整体光伏技术市场将会越来越大。

[1]李安定著太阳能光伏发电系统工程，北京工业大学出版社，北京2001年：113-116

[2]（美）汉斯.S.劳申巴赫，太阳电池阵设计手册－光电能转换原理及其应用，张金熹等译，北京：宇航出版社，1987：13-18赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，袁立强编著，太阳能光伏发电及其应用，科学出版社，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]