摘要：本文简介了太阳能电池单体、组件、方阵的结构及特性，论述了太阳能电池组件技术特性、太阳能电池方阵方位角与倾斜角的定义、计算公式及设计中应考虑的事项。
1.太阳能电池方阵
一个太阳能电池所能提供的电流和电压毕竟有限，太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2～100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.48V，工作电流约为20～25mA/cm2，一般不能单独作为光伏电源使用。于是将很多太阳能电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能电池组件。就能产生一定的电压和电流，输出一定的功率。
将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为光伏电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足太阳能光伏发电系统负载所要求的输出功率，如图1所示。
太阳能电池方阵设计中主要关心的是太阳能电池的外特性，首先，对于单片太阳能电池来说，它是一个PN结，除了当太阳光照射在上面时，它能够产生电能外，它还具有PN结的一切特性。在标准光照条件下，它的额定输出电压为0.48V。在太阳能光伏发电系统中使用的太阳能电池组件都是由多片太阳能电池组合连接构成的。它具有负的温度系数，对于多片太阳能电池组成的太阳能电池组件，温度每上升一度，电压下降2mV。
由于太阳能是一种清洁的能源，它的应用正在世界范围内快速地增长。可是目前建设一个太阳能光伏发电系统的成本还是较高的，从我国现阶段的太阳能光伏发电成本来看，其花费在太阳能电池组件的费用大约为60～70％，因此，为了充分有效地利用太阳能，如何选取太阳能电池方阵的方位角与倾斜角是一个十分重要的问题。为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个最佳的方位角与倾斜角。
在光伏发电系统的设计中，太阳能电池组件方阵的放置形式和放置角度对光伏系统接收到的太阳辐射有很大的影响，从而影响到光伏发电系统的发电能力。太阳能电池组件方阵的放置形式有固定安装式和自动跟踪式两种形式，其中自动跟踪装置包括单轴跟踪装置和双轴跟踪装置。
2.太阳能电池组件技术特性
按国际电工委员会IEC：1215：1993标准要求进行设计，加工生产过程严格按照标准生产，能够确保太阳能电池组件的质量、电性能和寿命要求。
1）太阳能电池组件的绝缘强度大于100MΩ.
2）产品使用寿命超过25年。
3）工作温度范围：-40℃～+85℃。
太阳能电池组件的表面采用复合材料，由层压机层压而成。气密性、耐候性好，抗腐蚀、机械强度好。采用双栅线，使太阳能电池组件的封装的可靠性更高。太阳电池在制造时，先进行化学处理，表面做成了一个象金字塔一样的绒面，能减少反射，更好地吸收光能。采用ABS塑料接线盒，耐老化防水防潮性能好。带有旁路二极管能减少局部阴影而引起的损害。采用36片或72片单晶或多晶硅太阳能电池进行串联以形成12V和24V各种类型的组件。太阳能电池组件有以下材料组成：
1）电池片。采用高效率（14.5%以上）的单晶或多片晶硅太阳能电池片封装，以保证太阳能电池板设计的输出功率。
2）玻璃。采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)，厚度3.2mm，在太阳能电池光谱响应的波长范围内(320～1100nm)透光率达91%以上，对于大于1200nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。
3）EVA、TPT。采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质EVA膜层作为太阳能电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂，具有较高的透光率和抗老化能力。太阳能电池的背面覆盖物为白色氟塑料膜，对太阳光起反射作用。太阳能电池组件层之间采用双层EVA材料以及TPT复合材料，组件气密性好，抗潮，抗紫外线好，不容易老化。
采用上述材料的太阳能电池组件，可使太阳能电池组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外反射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。当然，采用的氟塑料膜要具有太阳能电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等。对太阳能电池组件的基本要求有：
1）采用的铝合金边框应具有高强度，抗机械冲击能力要强。
2）标准测试条件：（AM1.5）辐照度为1000W/m2，电池温度为25℃。
3）绝缘电压：≥600V。
4）边框接地电阻：≤10Ω。
5）迎风压强：2400Pa。
6）填充因子：73％。
7）短路电流温度系数：+0.4mA/℃。
8）开路电压温度系数：-60mV/℃。
9）工作温度：-40℃～+90℃。
目前，太阳能电池的封装形式主要有2种，一种是用透明度较高的环氧树脂封装的“滴胶板”，另一种是用“低铁”钢化玻璃封装的，称为“层压板”，层压组件生产成本高、工艺复杂、使用寿命长，在正常使用中寿命达25年以上。滴胶板具有生产尺寸灵活、成本低、生产周期短、生产速度快等优点，其最大缺点是太阳能电池光效老化、衰减快、性能稳定性差、使用寿命短，滴胶封装虽然外形美观，但是太阳能电池工作寿命仅1～2年。另外，采用一种硅凝胶封装的太阳能电池，其工作寿命可以达到10年。单晶硅太阳能电池组件结构，如图2所示，多晶硅电池组件结构图，如图3所示。
3.太阳能电池方阵的方位角及倾斜角
（1）太阳能电池方阵的方位角
太阳能电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。一般在北半球，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳能电池发电量是最大的。在偏离正南（北半球）30°度时，方阵的发电量将减少约10％～15％；在偏离正南（北半球）60°时，方阵的发电量将减少约20％～30％。但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率。
在不同的季节，各个方位的日辐射量峰值产生时刻是不一样的。太阳能电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。太阳能电池方阵设置场所受到许多条件的制约，如果要将方位角调整到在一天中负载的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，可参考下述的公式：
方位角=（一天中负载的峰值时刻（24小时制）-12）×15＋（经度-116）
（2）太阳能电池方阵的倾斜角
太阳能电池方阵通常是面向赤道放置，相对地平面有一定倾角，即太阳能电池方阵平面与水平地面的夹角。对于全年负载均匀的固定式太阳能电池方阵，如果设计斜面的辐射量小，意味着需要更多的太阳能电池来保证向负载供电；如果各个月份太阳能电池方阵面接收到的太阳辐射量差别很大，意味着需要大量的蓄电池来保证太阳辐射量低的月份的用电供应。这些都会提高整个系统的成本。因此，确定太阳能电池方阵的最优倾角是光伏发电系统中不可缺少的一个重要环节。
目前有观点认为太阳能电池方阵倾角等于当地纬度为最佳，这样做的结果，夏天太阳能电池组件发电量往往过盈而造成浪费，冬天时发电量又往往不足而使蓄电池处于欠充电状态，所以这不是最佳的选择。也有的观点认为所取太阳能电池方阵倾角应使全年辐射量最弱的月份能得到最大的太阳辐射量为好，推荐太阳能电池方阵倾角在当地纬度的基础上再增加15度到20度。国外有的设计手册也提出，设计月份应以辐射量最小的12月(在北半球)或6月(在南半球)作为依据。其实，这种观点也有其局限性，这样往往会使夏季获得的辐射量过少，从而导致太阳能电池方阵全年得到的太阳辐射量偏小。同时，最佳倾角的概念，在不同的应用中是不一样的，在离网光伏发电系统中，由于受到蓄电池荷电状态等因素的限制，要综合考虑太阳能电池方阵平面上太阳辐射量的连续性、均匀性和极大性，而对于并网光伏发电系统通常总是要求在全年中得到最大的太阳辐射量。
设计中希望得到太阳能电池方阵在一年平均发电量最大时的最佳倾斜角度，而一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。但是，和方位角一样，在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角（斜率大于50％～60％）等方面的限制条件。对于积雪滑落的倾斜角，即使在积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况，对于正南（方位角为0°度），倾斜角从水平（倾斜角为0°度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日辐射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日辐射量不断减少。特别是在倾斜角大于50°～60°以后，日辐射量急剧下降，直至到最后的垂直放置时，发电量下降到最小。对于方位角不为0°度的情况，斜面日辐射量的值普遍偏低，最大日辐射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。对于太阳能电池方阵倾角的选择应结合以下要求进行综合考虑：
1）连续性。一年中太阳辐射总量大体上是连续变化的，多数是单调升降，个别也有少量起伏，但一般不会大起大落。
2）均匀性。选择倾角，最好使方阵表面上全年接收到的日平均辐射量比较均匀，以免夏天接收辐射量过大，造成浪费；而冬天接受到的辐射量太小，造成蓄电池过放以至损坏，降低系统寿命，影响系统供电稳定性。
3）极大性。选择倾角时，不但要使太阳能电池方阵表面上辐射量最弱的月份获得最大的辐射量，同时还要兼顾全年日平均辐射量不能太小。
同时，对特定的情况要作具体分析。如有些特殊的负载（灌溉用水泵、制冷机等，）夏天消耗功率多，太阳能电池方阵倾角的取值应使太阳能电池方阵夏日接收辐射量相对冬天要多才合适。可用一种较近似的方法来确定太阳能电池方阵倾角。一般在我国南方地区，太阳能电池方阵倾角可取比当地纬度增加10°～15°；在北方地区倾角可比当地纬度增加5°～10°，纬度较大时，增加的角度可小一些。在青藏高原，倾角不宜过大，可大致等于当地纬度。同时，为了太阳能电池方阵支架的设计和安装方便，方阵倾角常取成整数。
以上所述为方位角、倾斜角与发电量之间的关系，对于具体设计，某一个太阳能电池方阵的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。对于固定式光伏系统，一旦安装完成，太阳能电池方阵倾角和太阳能电池方阵的方位角就无法改变。而安装了跟踪装置的太阳能光伏发电系统，太阳能电池方阵可以随着太阳的运行而跟踪移动，使太阳能电池一直朝向太阳，增加了太阳能电池方阵接受的太阳辐射量。但在目前太阳能光伏发电系统中使用跟踪装置的相对较少，因为跟踪装置比较复杂，初始成本和维护成本较高，安装跟踪装置获得额外的太阳能辐射产生的效益无法抵消安装该系统所需要的成本。
