三角焊帶對(duì)光伏組件電性能影響的研究

雷鳴宇，鄭 璐，馬昀鋒，馬曉龍

(青海黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)分公司，西寧 810007)

0 引言

近年來(lái)，人們對(duì)能源的需求日益增加，但傳統(tǒng)能源存在供應(yīng)短缺和對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題，因此，為了有效保護(hù)自然環(huán)境和解決能源短缺問(wèn)題，發(fā)展清潔、無(wú)污染的可再生能源成為國(guó)際及國(guó)內(nèi)新的能源戰(zhàn)略部署[1]。其中，光伏發(fā)電作為一種高效的可再生能源利用方式，越來(lái)越受到人們的青睞，在全球范圍內(nèi)，其裝機(jī)容量亦日趨擴(kuò)大[2-3]。當(dāng)前，降低度電成本是光伏電站業(yè)主的重要目標(biāo)，而提升太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率和光伏組件的輸出功率是降低度電成本的主要途徑。當(dāng)太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率一定時(shí)，通過(guò)優(yōu)化光伏組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可提升其輸出功率，具體包括光伏玻璃采用鍍膜工藝、改善EVA的透光率、改變焊帶的表面結(jié)構(gòu)與尺寸，以及提升光伏背板反射率等技術(shù)手段。

焊帶是光伏組件中太陽(yáng)電池電氣連接的重要部件，其主要作用是輸送太陽(yáng)電池主柵線收集的電流，并引出電極給負(fù)載供電。常規(guī)焊帶(即“扁焊帶”)的表面結(jié)構(gòu)為扁平形，由此種焊帶引起的光學(xué)損失約占光伏組件總輸出功率損失的3%[4]。為降低因焊帶表面結(jié)構(gòu)引起的光伏組件輸出功率損失，可通過(guò)改變焊帶的表面結(jié)構(gòu)，增加入射光的二次利用率，提升太陽(yáng)電池對(duì)太陽(yáng)光的吸收利用率(即吸光率)，以降低光伏組件的封裝功率損失，從而在一定程度上提升光伏組件的輸出功率。而三角焊帶的表面結(jié)構(gòu)為三角形，其能增加太陽(yáng)電池對(duì)太陽(yáng)光的總吸收量，從理論上增加了電池內(nèi)的電子-空穴對(duì)的數(shù)量，進(jìn)而可提升光伏組件的輸出功率。

本文首先介紹了三角焊帶增加太陽(yáng)電池吸光率的理論優(yōu)勢(shì)，然后將分別采用2種表面尺寸的三角焊帶和扁焊帶制備出4種小型光伏組件，最后對(duì)這4種小型光伏組件的電性能進(jìn)行分析，以研究不同類型及不同表面尺寸的焊帶對(duì)光伏組件輸出功率的影響。

1 三角焊帶增加太陽(yáng)電池吸光率的理論優(yōu)勢(shì)

光伏組件中的常規(guī)焊帶一般為扁焊帶，其表面結(jié)構(gòu)近似平面，因此垂直入射到焊帶上的太陽(yáng)光幾乎全部被反射后經(jīng)過(guò)EVA層和光伏玻璃后再全部原路返回大氣中，從而被損失掉；而且扁焊帶的寬度較寬，會(huì)減小太陽(yáng)電池的有效受光面積，降低太陽(yáng)電池的吸光率。

基于此，部分焊帶廠家研制出了一種圓形焊帶，此種焊帶可將垂直入射到焊帶上的部分太陽(yáng)光反射到光伏玻璃上，經(jīng)過(guò)光伏玻璃的再次反射后被太陽(yáng)電池吸收，在一定程度上增加了太陽(yáng)電池的吸光率。但經(jīng)過(guò)2次反射后，到達(dá)太陽(yáng)電池的太陽(yáng)光已經(jīng)微乎其微，且圓形焊帶與太陽(yáng)電池主柵線焊接處的接觸面積較小，可靠性較差。

三角焊帶可使所有垂直入射的太陽(yáng)光和絕大部分的斜射光直接被反射并再次被利用，減少光伏玻璃和EVA層對(duì)光線的二次反射。扁焊帶、圓形焊帶和三角焊帶的太陽(yáng)光線反射路徑如圖1所示。

圖1 扁焊帶、圓形焊帶和三角焊帶的太陽(yáng)光線反射路徑圖Fig. 1 Sunlight reflection path diagram of flat，circular and triangular welding ribbon

從圖1可以看出，相較于扁焊帶和圓形焊帶，采用三角焊帶時(shí)太陽(yáng)電池對(duì)太陽(yáng)光線的利用率更高，三角焊帶可反射幾乎所有的垂直入射光和斜射光。扁焊帶不能反射所有的垂直入射光和大部分的斜射光，圓形焊帶也僅可以反射部分的垂直入射光和少量的斜射光。

此外，與扁焊帶和圓形焊帶相比，三角焊帶還具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)高可靠性：由于三角焊帶與太陽(yáng)電池主柵線的接觸面積大，因此光伏組件的串聯(lián)電阻小、焊接強(qiáng)度大；

2)高穩(wěn)定性：三角焊帶便于焊接和定位，焊接時(shí)不易造成焊帶偏移。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于圓形焊帶反射到太陽(yáng)電池上的太陽(yáng)光沒(méi)有三角焊帶的多，光伏組件的輸出功率增益不明顯，因此本文以三角焊帶和扁焊帶進(jìn)行研究。

為研究三角焊帶和扁焊帶對(duì)光伏組件輸出功率的影響，本實(shí)驗(yàn)中，分別采用2種表面尺寸的三角焊帶和扁焊帶進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，制備出4種小型光伏組件。

光伏組件中太陽(yáng)電池正面和背面分別采用不同類型的焊帶焊接：正面都采用夾角均為60°的三角焊帶，焊帶的表面尺寸分別為0.40、0.55 mm，三角焊帶可減少入射光的反射；背面均采用超柔、超薄的扁焊帶，焊帶長(zhǎng)度分別為2.0、1.5 mm，對(duì)應(yīng)的焊帶厚度分別為0.10、0.09 mm，扁焊帶可將太陽(yáng)電池之間的縫隙減至0.3 mm左右，并能降低焊接時(shí)造成的太陽(yáng)電池碎片率；太陽(yáng)電池正面、背面分別采用不同類型焊帶焊接的方式可以將每種焊帶的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致。本文光伏組件采用的三角焊帶和扁焊帶的結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。

圖2 三角焊帶和扁焊帶的表面結(jié)構(gòu)及尺寸Fig. 2 Surface structure and size of triangle welding ribbon and flat welding ribbon

4種小型光伏組件的設(shè)計(jì)方案：光伏組件中的太陽(yáng)電池選用功率相同的7主柵PERC單晶硅太陽(yáng)電池，采用激光劃片機(jī)將太陽(yáng)電池切成半片；然后按照上述焊帶組合方式制備長(zhǎng)、寬均為200 mm的4種小型光伏組件，編號(hào)分別為1#～4#。這4種小型光伏組件中焊帶的具體搭配方式如表1所示。

表1 4種小型光伏組件中焊帶的具體搭配方式Table1 Specific matching methods of welding ribbons in four kinds of small size PV modules

采用三角焊帶的小型光伏組件的正面結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 采用三角焊帶的小型光伏組件的正面結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of front structure of small size PV module with triangle welding ribbon

光伏組件的制備原則：為了避免制備過(guò)程中其他因素對(duì)光伏組件輸出功率帶來(lái)的影響，4種小型光伏組件均采用相同的制備工藝參數(shù)。制備出的4種小型光伏組件的實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 4種小型光伏組件的實(shí)物圖Fig. 4 Photos of four kinds of small size PV modules

3 4種小型光伏組件的性能測(cè)試與分析

根據(jù)IEC 61215∶2016，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)下，采用光伏組件功率測(cè)試儀對(duì)4種小型光伏組件進(jìn)行電性能測(cè)試，每種光伏組件共測(cè)試3次，然后取平均值。最終得到的4種小型光伏組件的電性能數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 4種小型光伏組件的電性能測(cè)試結(jié)果Table 2 Electrical performance test results of four kinds of small size PV modules

通過(guò)表2可以發(fā)現(xiàn)，三角焊帶表面尺寸為0.55 mm時(shí)光伏組件的最大輸出功率Pm比三角焊帶表面尺寸為0.4 mm時(shí)的高，這表明表面尺寸為0.55 mm的三角焊帶在光的全反射方面要優(yōu)于表面尺寸為0.4 mm的三角焊帶，其可使更多的太陽(yáng)光線被光伏組件中的太陽(yáng)電池吸收。由此可知，在一定范圍內(nèi)增大太陽(yáng)電池正面的三角焊帶的表面尺寸，可以增強(qiáng)其對(duì)太陽(yáng)光線的反射效果，而且焊帶的內(nèi)阻也會(huì)減小，最終光伏組件的輸出功率會(huì)有較大增加。

4 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析了不同表面結(jié)構(gòu)的焊帶增加太陽(yáng)電池吸光率的原理，分別采用2種表面尺寸的夾角均為60°的三角焊帶和超柔、超薄的扁焊帶制備出4種小型光伏組件，并測(cè)試了這些光伏組件的電性能，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：在一定范圍內(nèi)增大太陽(yáng)電池正面的三角焊帶的表面尺寸，可以增強(qiáng)其對(duì)太陽(yáng)光的反射率，焊帶內(nèi)阻也會(huì)減小，光伏組件輸出功率的增大較為明顯。該結(jié)論可為進(jìn)一步減低光伏電站的度電成本提供一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。