不同內(nèi)連方式柔性CIGS光伏組件在立柱表面應(yīng)用時(shí)性能

王 銳，尚鐵煒，張 娟，鐘大龍

(1.北京低碳清潔能源研究院，北京 102211；2.北京市納米結(jié)構(gòu)薄膜太陽(yáng)能電池工程技術(shù)研究中心，北京 102211)

減少化石能源使用，大規(guī)模利用太陽(yáng)能，是公認(rèn)的減少社會(huì)碳排放的重要途徑。光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能的直接利用方式，發(fā)展勢(shì)頭迅猛[1]。由于柔性光伏組件具有輕質(zhì)、可卷曲和可貼合安裝等得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，非常適合在光伏建筑一體化(building integrated photovoltaic,BIPV)、車輛集成光伏(vehicle integrated photovoltaic,VIPV)和光伏移動(dòng)能源等曲面場(chǎng)合應(yīng)用，如曲面建筑的表面、圓形立柱表面等。最新版地面用光伏組件標(biāo)準(zhǔn)IEC61215 已于2021 年2 月正式發(fā)布，其中首次規(guī)范性地提出了柔性光伏組件的定義、需滿足的曲率半徑、測(cè)試方法和相關(guān)要求[2]?？梢灶A(yù)測(cè)，未來柔性光伏組件的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

當(dāng)光伏組件在平面場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)，表面各區(qū)域朝向唯一，接受的太陽(yáng)輻照度相同，內(nèi)部串聯(lián)在一起的各電池片的輸出性能基本一致，組件整體的輸出功率為內(nèi)部各電池片輸出功率之和。但當(dāng)柔性光伏組件貼合到建筑曲面上應(yīng)用時(shí)，組件本身會(huì)處于彎曲狀態(tài)，表面各個(gè)區(qū)域的朝向和受光情況會(huì)存在差異，特別是當(dāng)組件貼合到曲率半徑較小的建筑物表面時(shí)，這種差異變大，導(dǎo)致組件內(nèi)部各電池片的輸出功率產(chǎn)生明顯區(qū)別，串聯(lián)在一起的各電池片的輸出性能失配，進(jìn)而使組件整體輸出功率下降。

這種柔性組件在曲面上貼合應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生的新問題，目前行業(yè)內(nèi)研究得還比較少。本文針對(duì)柔性CIGS 光伏組件在立柱表面貼合應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生的性能失配問題進(jìn)行分析，建立了兩種不同內(nèi)連方式的組件模型和組件發(fā)電模型，通過實(shí)地測(cè)量立面上的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度和使用MATLAB/Simulink 模擬仿真，對(duì)兩種內(nèi)連方式的組件的全天發(fā)電性能進(jìn)行對(duì)比研究。

1 現(xiàn)有柔性CIGS 光伏組件內(nèi)連方式

目前量產(chǎn)高效的柔性CIGS 光伏組件使用不銹鋼襯底進(jìn)行制作，一般使用Roll to Roll 的生產(chǎn)技術(shù)，通過采用濺射、共蒸發(fā)和化學(xué)水浴沉積等鍍膜工藝，在不銹鋼襯底上沉積多層半導(dǎo)體薄膜制作出光伏電池器件，然后將不銹鋼箔按既定的尺寸進(jìn)行剪裁分割成電池片。組件封裝時(shí)將多個(gè)電池片按行列排布，并進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)連接，形成組件內(nèi)部電路[3-4]。根據(jù)組件內(nèi)部電氣連接方式的不同，可以分為串聯(lián)型組件(S型)和并聯(lián)型組件(P 型)，以包含兩個(gè)列子電池串的組件為例進(jìn)行說明。

串聯(lián)型組件的內(nèi)連方式如圖1 所示。第1 列中前一個(gè)電池片的負(fù)極與后一個(gè)電池片的正極連接，第2 列中前一個(gè)電池片的正極與后一個(gè)電池片的負(fù)極連接，分別形成兩個(gè)獨(dú)立的、電流方向相反的列子電池串。在組件的尾部，使用匯流帶將兩個(gè)列子電池串進(jìn)行連接，最終將組件內(nèi)部所有的電池片串聯(lián)到一起，形成一個(gè)串聯(lián)電路。為了減小組件應(yīng)用時(shí)由于熱斑效應(yīng)產(chǎn)生的功率損失，每個(gè)電池片并聯(lián)一個(gè)反向偏置的二極管。并聯(lián)型組件的內(nèi)部連接方式如圖2 所示。組件內(nèi)部的電池片僅在列的方向進(jìn)行串聯(lián)，形成兩個(gè)獨(dú)立的列子電池串，然后兩個(gè)列子電池串再進(jìn)行并聯(lián)，最終在組件內(nèi)部形成2 串1 并的電路。

圖1 串聯(lián)型組件內(nèi)連方式

圖2 并聯(lián)型組件內(nèi)連方式

根據(jù)實(shí)際使用需求，兩種內(nèi)連方式的組件均可以設(shè)計(jì)不同的電池片數(shù)量，從而可生產(chǎn)出不同長(zhǎng)度尺寸(2～6 m)和不同性能的組件產(chǎn)品。

2 柔性CIGS 光伏組件貼合到立柱表面時(shí)的狀態(tài)分析

以柔性CIGS 光伏組件內(nèi)部包含兩個(gè)列子電池串，每個(gè)電池片長(zhǎng)度尺寸210 mm 為例，分析當(dāng)組件豎向貼合到?1 000 mm 的建筑立柱表面上時(shí)的內(nèi)部狀態(tài)?？梢韵胂?，貼合后的組件和內(nèi)部電池片會(huì)處于彎曲狀態(tài)，兩列子電池串處于同一圓周上的不同位置，各自的朝向產(chǎn)生了差異。

為了定量分析這種差異，我們使用電池片中心點(diǎn)切向平面的朝向近似代替列子電池串的朝向，以組件橫向中心點(diǎn)的切向平面為參考平面。計(jì)算可得，第1 列子電池串的朝向偏左約12°，第2 列子電池串的朝向偏右12°，兩列子電池串之間的朝向偏離了24°，如圖3 所示。

圖3 柔性CIGS光伏組件貼合在立柱表面狀態(tài)分析(截面圖)

這種朝向的差異，會(huì)引起兩個(gè)列子電池串受光情況不再相同，不同列中電池片的輸出性能不一致。對(duì)于串聯(lián)型組件而言，串聯(lián)在一起的兩個(gè)列子電池串輸出性能產(chǎn)生失配，進(jìn)而最終影響組件的整體輸出性能。這種影響會(huì)隨著貼合建筑立柱曲率半徑的減小而變大，而且也會(huì)隨太陽(yáng)照射角度和太陽(yáng)高度的變化而變化。

同時(shí)也可以看出，在立柱表面貼合應(yīng)用時(shí)，組件內(nèi)部處于同一列中的各個(gè)電池片朝向是一致的，受光情況相同。對(duì)于并聯(lián)型組件，由于不同列子電池串沒有串聯(lián)連接，因此不會(huì)產(chǎn)生列子電池串輸出性能失配的問題。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證內(nèi)連方式的區(qū)別對(duì)組件最終輸出性能的影響，在MATLAB/Simulink 建立兩種不同內(nèi)連方式組件的發(fā)電模型，并實(shí)際測(cè)量立面上不同列子電池串朝向的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度，將輻照強(qiáng)度數(shù)據(jù)輸入至組件發(fā)電模型，模擬仿真對(duì)應(yīng)輻照強(qiáng)度下兩種組件的發(fā)電性能，進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 太陽(yáng)電池?cái)?shù)學(xué)模型

太陽(yáng)電池等效電路模型如圖4 所示，包括：直流電流源Iph，為光生電流；二極管D，為PN 結(jié)等效二極管；并聯(lián)電阻Rsh，由太陽(yáng)電池的漏電流引起；串聯(lián)電阻Rs，由電池的體電阻和金屬導(dǎo)體電阻等組成[5-6]。

圖4 太陽(yáng)電池等效電路模型

上述等效電路中滿足方程：

式中：Iph為光生電流；ID為二極管電流；Ish為并聯(lián)電阻電流。每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)方程：

式中：G為太陽(yáng)輻照強(qiáng)度，W/m2；Isc為太陽(yáng)電池短路電流，A；ki為短路電流溫度系數(shù)，%/℃；T為太陽(yáng)電池溫度，K；Tn為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的溫度，298 K；q為單電子電量，1.602×10－19C；A為二極管品質(zhì)因子；K為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10－23J/K；Ns為串聯(lián)電池片數(shù)量；I0為二極管飽和電流，A，滿足如下方程：

式中：Irs為反向飽和電流，A；Eg0為半導(dǎo)體材料帶隙，eV；Voc為太陽(yáng)電池開路電壓，V。

3.2 組件模型搭建

MATLAB/Simulink 中包含了PV Array 模塊，該模塊是依據(jù)太陽(yáng)電池等效電路建立，可通過設(shè)定電性能參數(shù)得到各種光伏方陣的模型。如果將柔性CIGS 光伏組件中的列子電池串看作一個(gè)特殊的光伏方陣，輸入其對(duì)應(yīng)的電性能參數(shù)，可得到列子電池串的模型，再采用不同的電氣連接方式將兩個(gè)列子電池串進(jìn)行連接，即可得到兩種內(nèi)連結(jié)構(gòu)組件的仿真模型。

假定列子電池串由20 個(gè)電池片串聯(lián)而成，電池片長(zhǎng)度為210 mm，電性能參數(shù)Voc=0.652 8 V，Isc=7.570 6 A，Vm=0.527 8 V，Im=6.502 9 A，不考慮電池片之間的差異，最終確定列子電池串電性能參數(shù)設(shè)定值見表1。

表1 CIGS列子電池串模型設(shè)定參數(shù)

為了確認(rèn)組件模型的輸出特性，分別在組件的輸出端，連接可調(diào)節(jié)的壓控電壓源，對(duì)組件的IV 特性進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回路內(nèi)的電流和組件兩端的電壓，繪制組件的IV 曲線和PV 曲線。測(cè)試仿真模型結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。

圖5 S型組件輸出性能模擬仿真模型

圖6 P型組件輸出性能模擬仿真模型

在25 ℃、1 000 W/m2均勻輻照下，使用上述模型分別仿真測(cè)試了兩種組件的IV 特性，得到組件IV 和PV 曲線，如圖7所示。從圖中可以看出，均勻輻照下，盡管兩種內(nèi)連結(jié)構(gòu)組件的電壓和電流參數(shù)不同，但組件的最大輸出功率是一致的，均為兩個(gè)列子電池串功率之和。

圖7 兩種內(nèi)連結(jié)構(gòu)組件的輸出特性曲線

3.3 立面上太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的測(cè)量

假定柔性CIGS 光伏組件貼合到?1 000 mm 的建筑立柱上，組件橫向中心點(diǎn)的切向平面為正南朝向，測(cè)量這種情景時(shí)組件內(nèi)部?jī)闪凶与姵卮蛄⒚嫔系奶?yáng)輻照強(qiáng)度。

輻照強(qiáng)度測(cè)量設(shè)備使用HT-IV525W 光伏組件戶外測(cè)試儀，測(cè)量傳感器選用單晶硅標(biāo)準(zhǔn)電池。測(cè)量地點(diǎn)為北京市昌平區(qū)未來科學(xué)城，坐標(biāo)北緯40°7′48′′、東經(jīng)116°28′12′′，時(shí)間為2022 年6 月5 日，晴朗少云天氣，從早上6:00 至傍晚18:00，每隔1 h 測(cè)量1 次。記錄太陽(yáng)輻照強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表2。

表2 太陽(yáng)輻照強(qiáng)度測(cè)量數(shù)據(jù) W/m2

由表2 可以看出，隨著太陽(yáng)照射角度的變化，立面上的輻照強(qiáng)度變化較大，兩個(gè)列子電池串朝向立面上的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度產(chǎn)生了明顯的差異。

3.4 組件發(fā)電模型的搭建

為了對(duì)比不同內(nèi)連結(jié)構(gòu)組件的發(fā)電量，搭建光伏組件發(fā)電仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖8 所示，包括光伏組件、MPPT 模塊、PMW 模塊、Boost 功率變換器和負(fù)載電阻。

圖8 光伏組件發(fā)電仿真模型

其中光伏組件通過Boost 功率變換器給負(fù)載電阻供電，由MPPT 子模塊和PWM 子模塊對(duì)Boost 電路的控制脈沖占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，這就相當(dāng)于調(diào)節(jié)光伏組件輸出側(cè)的等效負(fù)載的大小，使等效負(fù)載與光伏組件的最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的負(fù)載相同，即實(shí)現(xiàn)光伏組件實(shí)時(shí)輸出最大功率。MPPT 的控制策略采用了擾動(dòng)觀察法[7]，基本思路是不斷擾動(dòng)調(diào)節(jié)光伏組件工作點(diǎn)的位置，根據(jù)擾動(dòng)前后光伏組件的輸出功率和輸出電壓的變化來確定下一步的擾動(dòng)方向，最終找到組件的最大功率點(diǎn)。擾動(dòng)觀察法具有容易實(shí)現(xiàn)，控制思路清晰等優(yōu)點(diǎn)。

3.5 模擬仿真結(jié)果

基于測(cè)量的立面太陽(yáng)輻照強(qiáng)度數(shù)據(jù)和光伏組件發(fā)電模型，對(duì)兩種組件全天輸出性能進(jìn)行模擬仿真。模型中參數(shù)設(shè)置如表3 所示。

模擬過程中，設(shè)定組件溫度固定在45 ℃不變，太陽(yáng)輻照強(qiáng)度每間隔1 s 進(jìn)行變化，用以模擬兩種組件全天的實(shí)際發(fā)電輸出功率曲線，仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 南向貼裝組件功率輸出對(duì)比

由于模擬輸入的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度為表2 中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)序列，且假定在測(cè)量間隔期間的輻照強(qiáng)度保持不變，這樣相鄰輻照強(qiáng)度值存在明顯差異，導(dǎo)致模擬結(jié)果中組件輸出功率在整秒時(shí)刻處發(fā)生跳變。結(jié)合全天太陽(yáng)輻照強(qiáng)度先升后降變化的自然規(guī)律，分析圖9 模擬結(jié)果與光伏組件實(shí)際全天輸出功率特性差異：在整秒時(shí)刻跳變后模擬所得的輸出功率值與實(shí)際情況是一致的；在其他非整秒時(shí)刻，由于假定了測(cè)量間隔期間的輻照強(qiáng)度不變，模擬結(jié)果與實(shí)際光伏組件輸出特性存在偏差，具體為模擬結(jié)果功率值上午偏小，下午偏大，但這種偏差趨勢(shì)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)組件的影響是相似的，對(duì)兩種組件最大輸出功率和發(fā)電量的對(duì)比分析影響不大。

從圖9 各時(shí)段組件的最大輸出功率可以看出，由于組件內(nèi)部電流失配問題的影響，S 型組件的最大輸出功率比P 型組件要低一些。特別是在上午8：00 至11：00 和下午13：00 至16：00 時(shí)間段內(nèi)，這種差距非常明顯。

使用圖9 中各時(shí)段最大輸出功率值與1 h 的乘積來近似估算組件在各時(shí)段的發(fā)電量，并匯總求和估算出組件的全天發(fā)電量，對(duì)兩種內(nèi)連方式組件的發(fā)電量進(jìn)行定量分析。經(jīng)過計(jì)算，S 型組件全天發(fā)電量為188.5 Wh，P 型組件全天發(fā)電量為246.4 Wh，P 型組件的發(fā)電量比S 型組件高30.7%。

4 結(jié)論

本文對(duì)柔性CIGS 光伏組件在立柱表面貼合應(yīng)用進(jìn)行狀態(tài)分析，在MATLAB/Simulink 中搭建了組件模型和組件發(fā)電模型，結(jié)合北京地區(qū)仲夏季立面上的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，對(duì)組件全天發(fā)電進(jìn)行模擬仿真。研究結(jié)果表明，在立柱表面貼合應(yīng)用時(shí)，選用不同內(nèi)連結(jié)構(gòu)的柔性CIGS 組件，組件的輸出性能存在明顯差異；與串聯(lián)型組件相比，并聯(lián)型組件由于改善了組件內(nèi)部列子電池串輸出性能失配問題，具有更優(yōu)越的性能輸出。