CN102820341A - 一种配置多层旁路二极管的光伏组件 - Google Patents

Abstract

针对现有的光伏组件中旁路二极管配置方式的不足，本发明提供一种配置多层旁路二极管的光伏组件，其由电池基板（1）、光伏电池片（2）、旁路二极管组成，每N个光伏电池片（2）划归一个微光伏电池单元组；每个微光伏电池单元组的电流输出端（3）与微光伏电池单元组的电流输入端（4）之间反并联一个单元组旁路二极管（5）；电池基板（1）上的光伏组件正极端（6）与光伏组件负极端（7）之间还反并联有一个组件旁路二极管（8）。本发明的有益效果是：消除了“热斑效应”，确保了在不同面积阴影条件下光伏组件具有最小的输出功率损失，提高了光伏电池的可靠性与安全性。

Description

一种配置多层旁路二极管的光伏组件

技术领域

本发明属于光伏发电设备领域，具体涉及光伏组件的结构与旁路二极管配置方法。

背景技术

光伏发电技术是解决世界能源危机与环境问题，实现可持续发展的根本技术之一。目前，各种光伏发电***已经得到了广泛应用，随着时间推移，光伏发电技术的应用范围必将进一步扩大，其中光伏***与建筑物相结合的光伏建筑一体化***将成为光伏***的重要形式之一。然而在光伏建筑一体化***中，光伏电池很容易受到周围建筑物等形成的局部阴影的影响，从而导致光伏***的发电效率下降，同时受阴影影响的光伏电池还可能会因局部过热而出现“热斑效应”。这不仅会加速光伏电池的老化过程，缩短了光伏发电***的寿命，严重时将会烧毁光伏电池，影响光伏发电***的安全性。为了减弱局部阴影对光伏发电***效率及安全性带来的负面影响，目前采用的最主要的措施就是在光伏组件中配置旁路二极管。

现有光伏组件中光伏电池按照与光伏组件中心线平行的方向放置，相邻光伏电池按照前一个电池的负极与后一个电池的正极相连的方式互相串联，第一个光伏电池的正极经接线盒引出作为光伏组件的正极，最后一个光伏电池的负极经接线盒引出作为光伏组件的负极，最后在光伏组件的接线盒中按照无重叠式（no_overlapped）结构或有重叠（overlapped）式结构为串联的光伏电池并联1至3个旁路二极管（如图12、图13所示），每个旁路二极管通常与串联的18或24个光伏电池并联，串联光伏电池的正极与旁路二极管的负极相连，串联光伏电池的负极与旁路二极管的正极相连。在这种结构中旁路二极管可以限制光伏电池的热斑效应强度，保护光伏电池在局部阴影情况下不至于被损坏，同时也限制了局部阴影影响的范围，间接提高了光伏***在阴影条件下的输出功率。尽管这种配置方式在大面积阴影时具有较好的性能，但是在小面积阴影时却有比较大的输出功率损失。

针对现有光伏组件旁路二极管的配置方式的不足，专利申请号为201110007744.2、以及专利号为200620074259.1的专利，在光伏电池的背面采用不同的化学工艺制备了集成有旁路二极管的光伏电池，然后利用集成有旁路二极管的光伏电池按照现有光伏组件的结构串联构成光伏组件。这种改进后的光伏组件中，由于每一个光伏电池都并联了一个旁路二极管（如图11所示），所以改进后的光伏组件不会出现局部过热的“热斑效应”问题，同时在小面积阴影时也具有比较小的光伏组件输出功率损失。其弊端是：每个旁路二极管在导通时具有0.3—0.7V的导通压降，在大面积阴影遮挡时，光伏组件中导通的旁路二极管个数将会大大增加，旁路二极管的总导通压降也会随旁路二极管导通个数的增加而增加，由旁路二极管导通压降带来的输出功率损失将远大于现有配置旁路二极管的光伏组件的输出功率损失值。

导致上述改进方案在大面积阴影时的输出功率异常的原因是：上述光伏组件中旁路二极管的配置结构从电路构造来看均是单层式结构，这种单层式结构的光伏组件要么是在每一个光伏电池片上均并联一个旁路二极管（图11所示），要么只是将单个光伏组件上所有的首尾串联的光伏电池划分为包含相同数量的光伏电池片的3组，然后在其上按如下之一的方式并联若干个旁路二极管：（1）在每组上并联一个旁路二极管（图12）；（2）在第一组的起始端与第二组的末尾端并联一个旁路二极管，在第二组的起始端与第三组的末尾端并联一个旁路二极管（图13）。不论是上述那一种排布方式下的旁路二极管在光伏组件中功效都是等同的，旁路二极管驱动的电压也是相等的，旁路二极管之间无层级间相互隶属或控制范围的区别由于在这种单层式结构中旁路二极管的保护作用没有冗余，因此在旁路二极管损坏后，与该光伏组件并联的光伏电池就会失去保护，如果此时光伏组件受到局部阴影的遮挡，则该光伏组件中的光伏电池将会被烧毁。同时，在现有的单层式结构中通过改变旁路二极管的配置个数，无法兼顾不同阴影面积的影响。在单层式结构中，增加旁路二极管的个数，虽然有利于减弱“热斑效应”，减少小面积阴影时的功率损失，但在大面积阴影条件下过多的旁路二极管却会导致更多的输出功率损失。

发明内容

为了解决现有光伏组件中旁路二极管的单层式配置方式存在的不足，同时避免现有改进方案带来的负面影响，本发明提供了一种改进的配置多层旁路二极管的光伏组件，具体的技术方案为：

    一种配置多层旁路二极管的光伏组件，由电池基板1、光伏电池片2和旁路二极管组成，所述的光伏电池片2放置在电池基板1的正面，一块光伏电池片2的正面与之相邻的另一块光伏电池片2的背面通过导线串联连接，所述光伏电池片2的正面即为光伏电池片2的正极，所述光伏电池片2的背面即为光伏电池片2的负极，所述的旁路二极管包括单元组旁路二极管5和组件旁路二极管8；所述的光伏组件的具体结构为：将光伏组件上相邻的N片光伏电池片2划为一个微光伏电池单元组，N取4或者6；每个串联N片光伏电池片2的微光伏电池单元组均设有一个电流输出端3和一个电流输入端4；在微光伏电池单元组内，电流输出端3通过导线与串联的第一块光伏电池片2的正面相连接，再按照一块光伏电池片2的背面与相邻的另一块光伏电池片2的正面相连接的方式将所属微光伏电池单元组内余下的光伏电池片2串联在一起，串联的最后一个光伏电池片2的背面与电流输入端4相连接；在每个微光伏电池单元组的电流输出端3和电流输入端4之间并联一个单元组旁路二极管5，所述单元组旁路二极管5设置在电池基板1的背面，通过穿过电池基板1上通孔的导线将单元组旁路二极管5的正极与电流输入端4相连，单元组旁路二极管5的负极与电流输出端3相连；

    微光伏电池单元组之间采用一块微光伏电池单元组的电流输入端4   与之相邻的另一块微光伏电池单元组的电流输出端3相连的方式串联在一起，即电池基板1上的所有的光伏电池片2首尾相连地串联在一起；

    上述串联在一起的微光伏电池单元组中第一个微光伏电池单元组的电流输出端3即为光伏组件的正极端6，最末一个微光伏电池单元组的电流输入端4即为光伏组件的负极端7；上述光伏组件的正极端6与光伏组件的负极端7之间还并联一个组件旁路二极管8，所述组件旁路二极管设置在电池基板1的背面，通过穿过电池基板1上通孔的导线电极，将组件旁路二极管8的负极与光伏组件的正极端6相连接，将组件旁路二极管8的正极与光伏组件的负极端7相连接。

所述的单元组旁路二极管5的耐电压值在10V至15V之间，所述的组件旁路二极管（8）的耐电压值在50V至150V之间。

所述的光伏组件中光伏电池片2上的导线为汇流导线9，所述汇流导线9与电池基板1短边的方向相互平行；所述的单元组旁路二极管5均安置在电池基板1沿长边方向的中轴线的两侧；所述的组件旁路二极管8的中心与电池基板1沿长边方向的中轴线相重合。

所述的单元组旁路二极管5和组件旁路二极管8的外侧罩有封装盒10。

所述的每一个光伏电池片2上均并联有一个光伏电池片旁路二极管11。

 

本发明的有益效果有：

（1）、消除了“热斑效应”，确保在小面积阴影条件下光伏电池具有最小的输出功率损失；

（2）、有效提高阴影条件下的光伏电池的输出效率，同时增加了光伏电池的旁路保护的冗余度，提高了光伏组件的可靠性、安全性；

（3）、本发明不涉及化学工艺过程，且不改变现有光伏电池的结构，封装工艺简单、成本低廉、适合大规模生产。可以在现有加工工艺基础上实施本发明，设备的整体升级费用少。

附图说明

图1是本发明第一个实施例采用72片光伏晶片的光伏电池立体图。

图2是图1的背面示意图。

图3 是图1中C区的放大示意图。

图4是图3的背面示意图。

图5是实施例1工作在小面积阴影条件下的电学原理图。

图6是实施例1工作在大面积阴影条件下的电学原理图。

图7是六种阴影模式的示意图。

图8是实施例2的立体图。

图9是图8的背面。

图10是实施例3的电学结构图。

图 11是现有单层式配置结构之一。

图12是现有单层式配置结构之二。

图13是现有单层式配置结构之三。

图中的序号为：电池基板1、光伏电池片2、电流输出端3、电流输入端4、单元组旁路二极管5、正极端6、负极端7、组件旁路二极管8、汇流导线9、封装盒10、光伏电池片旁路二极管11、被遮挡的光伏电池片201、正常照射下的光伏电池片202、被遮蔽状态下的单元组旁路二极管501。

实施例

现结合说明书附图详细说明本发明。

实施例1：

参见图1至图4，一种配置具有七十二片光伏电池片2的多层旁路二极管光伏组件，由电池基板1、光伏电池片2、旁路二极管组成，光伏电池片2放置在电池基板1的正面，一块光伏电池片2的正面与之相邻的另一块光伏电池片2的背面通过导线串联连接。所述光伏电池片2的正面是光伏电池片2的正极，所述光伏电池片2的背面是光伏电池片2的负极。其具体的结构为：

所述的72片光伏电池片2划分为12个微光伏电池单元组，每个微光伏电池单元组均包含六片光伏电池片2；每个微光伏电池单元组内均设有一个电流输出端3和一个电流输入端4；在单个微光伏电池单元组内，通过导线将电流输出端3与第一个光伏电池片2的正面（正极）相连接，随后再将第一块光伏电池片2的背面（负极）与第二块光伏电池片2的正面（正极）相连，将第二块光伏电池片2的背面（负极）与第三块光伏电池片2的正面（正极）相连，以此类推，直到第五块光伏电池片2的背面（负极）与第六块光伏电池片2的正面（正极）相连，最后再通过导线将第六个光伏电池片2的背面（负极）与电流输入端4相连接；在微光伏电池单元组的电流输出端3和电流输入端4之间并联一个单元组旁路二极管5，所述单元组旁路二极管5设置在电池基板1的背面，通过穿过电池基板1上通孔的导线电极将电池基板1背面的单元组旁路二极管5与电池基板1正面的所对应的微光伏电池单元组连接在一起，具体为，所述单元组旁路二极管5的负极与该微光伏电池单元组的电流输出端3相连接，所述单元组旁路二极管5的正极与该微光伏电池单元组的电流输入端4相连接；

所述微光伏电池单元组之间为串联关系，具体为，通过导线将第一个微光伏电池单元组的电流输入端4与第二个微光伏电池单元组的电流输出端3相连，将第二个微光伏电池单元组的电流输入端4与第三个微光伏电池单元组的电流输出端3相连，以此类推，直至将将第十一个微光伏电池单元组的电流输入端4与第十二个微光伏电池单元组的电流输出端3相连；

所述串联在一起的微光伏电池单元组中第一个微光伏电池单元组的电流输出端3连接光伏组件的正极端6，第十二个微光伏电池单元组的电流输入端4连接光伏组件的负极端7；在光伏组件正极端6与光伏组件负极端7之间还并联一个组件旁路二极管8，所述的组件旁路二极管8设置在电池基板1的背面，通过穿过电池基板1通孔的导线电极将电池基板1的背面的基板组件旁路二极管8的负极与光伏组件正极端6相连接，将组件旁路二极管8的正极与光伏组件负极端7相连接。

所述的单元组旁路二极管5的耐电压值10V至15V之间，所述的组件旁路二极管8的耐电压值在50V至150V之间。所述的单元组旁路二极管5与组件旁路二极管8的外侧设有保护封装盒10，所述保护封装盒10起防水、隔尘、散热的作用。

此外，光伏组件中光伏电池片2上的导线为汇流导线9，所述汇流导线9与电池基板1短边的方向相互平行，即微光伏电池单元组之间的接头都在靠近电池基板1与长边方向平行的中轴线；所述的单元组旁路二极管5均安置在电池基板1与长边方向平行的中轴线的两侧；所述的组件旁路二极管8的中心与电池基板1沿长边方向的中轴线相重合。

本结构光伏组件中单元组旁路二极管5和组件旁路二极管8在电路结构上构成了两层式旁路二极管配置结构，所述的单元组旁路二极管5为本实施例的光伏组件的第一层旁路二极管，组件旁路二极管8为本实施例的光伏组件的第二层旁路二极管。在具体的使用中：（1）在小阴影模式下，只有少量的光伏电池片2被遮挡，如图5所示，此时被遮挡的光伏电池片201所产生的光生电流将小于正常照射下的光伏电池片202所产生的光生电流，由于光伏组件中所有光伏电池片2是串联在一起的，因此要求流过所有光伏电池片2的输出电流相同。当输出电流大于被遮挡的光伏电池片201的光生电流时，与被遮挡的光伏电池片201并联的处于被遮蔽状态下的单元组旁路二极管501将会导通，从而限制了被遮挡的光伏电池片201上的热斑效应强度，限制了被遮挡的光伏电池片201对输出功率的影响。（2）在受大面积阴影遮挡时，大量的光伏电池片2被遮挡，如图6所示，此时若该光伏组件所在的光伏阵列的输出电流大于受阴影遮挡的光伏电池片的光生电流，则所有的单元组旁路二极管5都会承受负压，同样组件旁路二极管8也会承受相同的负压，此时组件旁路二极管8将会导通，而单元组旁路二极管5不会导通，从而减少了单元组旁路二极管的导通损耗。

在图7所示的六种仿真模式下，经仿真对比分析，采用本发明结构的光伏组件与传统结构的配有旁路二极管的光伏组件（72片，每24个光伏电池片反并联一个旁路二极管，共3个旁路二极管）相比，新光伏组件的综合输出效率有明显改善。将图7所示六种阴影遮挡情况下光伏组件的输出功率按照不同概率进行加权合成，从而构成光伏组件的综合效率。在六种阴影分别按照 [0.2，0.2，0.15，0.15，0.15，0.15]的概率进行合成时，新组件的综合效率提高了8.04%；在六种阴影分别按照 [0.4，0.2，0.15，0.1，0.1，0.05]的概率进行合成时，新组件的综合效率提高了11.71%。

实施例2：

参见图8和图9，一种配置多层旁路二极管的光伏组件，由电池基板1、光伏电池片2、旁路二极管组成，其中，光伏电池片2放置在电池基板1的正面，一块光伏电池片2的正面电极（正极）与之相邻的另一块光伏电池片2的背面电极（负极）通过导线串联连接。其具体的结构为：

将所述的具有三十六片光伏电池片2的光伏组件划分为九个微光伏电池单元组，每个微光伏电池单元组均包含四片光伏电池片2；每个微光伏电池单元组内均设有一个电流输出端3和一个电流输入端4；在单个的微光伏电池单元组内，通过导线将电流输出端3与第一个光伏电池片2的正面电极（正极）相连接，随后再将第一块光伏电池片2的背面电极（负极）与第二块光伏电池片2的正面电极（正极）相连，将第二块光伏电池片2的背面电极（负极）与第三块光伏电池片2的正面电极（正极）相连，第三块光伏电池片2的背面电极（负极）与第四块光伏电池片2的正面电极（正极）相连，最后再通过导线将第四个光伏电池片2的背面电极（负极）与电流输入端4相连接；此外，在每个微光伏电池单元组内的电流输出端3和电流输入端4之间并联一个单元组旁路二极管5，所述单元组旁路二极管5设置在电池基板1的背面，通过穿过电池基板1上通孔的导线将电池基板1的背面的单元组旁路二极管5与电池基板1正面的所对应的微光伏电池单元组连接在一起；所述单元组旁路二极管5的负极与该微光伏电池单元组的电流输出端3相连接，单元组旁路二极管5的正极与该微光伏电池单元组的电流输入端4相连接；

所述微光伏电池单元组之间，通过导线将第一个微光伏电池单元组的电流输入端4与第二个微光伏电池单元组的电流输出端3相连，将第二个微光伏电池单元组的电流输入端4与第三个微光伏电池单元组的电流输出端3相连，以此类推，直至将第八个微光伏电池单元组的电流输入端4与第九个微光伏电池单元组的电流输出端3相连；

所述串联在一起的微光伏电池单元组中第一个微光伏电池单元组的电流输出端3连接光伏组件的正极端6，第九个微光伏电池单元组的电流输入端4连接光伏组件的负极端7；所述的光伏组件的正极端6与光伏组件的负极端7之间还反并联一个组件旁路二极管，所述的组件旁路二极管设置在电池基板1的背面，通过穿过电池基板1上通孔的导线将电池基板1背面的组件旁路二极管8的负极与光伏组件的正极6相连接，将组件旁路二极管8的正极与光伏组件的负极7相连接。所述的单元组旁路二极管5的耐电压值在10V至15V之间，所述的组件旁路二极管8的耐电压值在50V至150V之间。所述的单元组旁路二极管5与组件旁路二极管8的安装位置设有封装盒10。

此外，光伏组件中光伏电池片2上的导线为汇流导线9，所述汇流导线9与电池基板1短边的方向相互平行，即微光伏电池单元组之间的接头都在靠近电池基板1与长边方向平行的中轴线；所述的单元组旁路二极管5均安置在电池基板1与长边方向平行的中轴线的两侧；所述的组件旁路二极管8的中心与电池基板1沿长边方向的中轴线相重合。即实施例2与实施例1的区别在于。组件内单元组的光伏电池数为4个，光伏组件内的总光伏电池个数为36个。其余同实施例1。

实施例3

参见图1至图4、图9和图10，一种配置多层旁路二极管的光伏组件，其与实施例1中在结构上的本质区别在于所述的每一个光伏电池片2的都均并联有一个集成光伏电池片旁路二极管11。在电学结构上，光伏电池片旁路二极管11、单元组旁路二极管5和组件旁路二极管8构成了三层式旁路二极管配置结构，所述的光伏电池片旁路二极管11为本实施例的光伏组件的第一层旁路二极管，单元组旁路二极管5为本实施例的光伏组件的第二层旁路二极管，组件旁路二极管8为本实施例的光伏组件的第二层旁路二极管。其实施方法与结构同实施例1。

本光伏组件工作时，若某个光伏电池被遮挡，在输出电流大于被遮挡光伏电池光生电流时，其自身集成的旁路二极管将会导通，当被遮挡光伏电池片的个数增加时，与被遮挡光伏电池反并联的单元组旁路二极管将会承受正压，此时单元组旁路二极管将会导通。同理，若遮挡面积继续增加，则组件旁路二极管将会因承受正压而导通。该光伏组件在不同的阴影条件下始终具有最小的输出功率损失。

仿真对比分析发现，采用本发明结构的 72个光伏电池集成旁路二极管、12个单元组旁路二极管和1个组件旁路二极管的多层旁路二极管的光伏组件，与采用现有传统结构的旁路二极管配置方式的光伏组件（每24个光伏电池片反并联一个旁路二极管，共3个旁路二极管），在图7所示不同阴影模式下的综合输出效率相比有明显改善。将图7所示六种阴影遮挡情况下光伏组件的输出功率按照不同概率进行加权合成，从而构成光伏组件的综合效率。在六种阴影分别按照 [0.2，0.2，0.15，0.15，0.15，0.15]的概率进行合成时，与单层旁路二极管的光伏组件相比，采用本结构的光伏组件的综合效率较提高了12.47%；在六种阴影分别按照 [0.4，0.2，0.15，0.1，0.1，0.05]的概率进行合成时，新组件的综合效率提高了16.51%。

Claims (6)

1.一种配置多层旁路二极管的光伏组件，由电池基板（1）、光伏电池片（2）、和旁路二极管组成，所述的光伏电池片（2）放置在电池基板（1）的正面，一块光伏电池片（2）的正面与之相邻的另一块光伏电池片（2）的背面通过导线串联连接，所述光伏电池片（2）的正面即为光伏电池片（2）的正极，所述光伏电池片（2）的背面即为光伏电池片（2）的负极，其特征在于：所述的旁路二极管包括单元组旁路二极管（5）和组件旁路二极管（8）；所述的光伏组件的具体结构为：将光伏组件上相邻的N片光伏电池片（2）划为一个微光伏电池单元组，N取4或者6；每个串联N片光伏电池片（2）的微光伏电池单元组均设有一个电流输出端（3）和一个电流输入端（4）；在微光伏电池单元组内，电流输出端（3）通过导线与串联的第一块光伏电池片（2）的正面相连接，再按照一块光伏电池片（2）的背面与相邻的另一块光伏电池片（2）的正面相连接的方式将所属微光伏电池单元组内余下的光伏电池片（2）串联在一起，串联的最后一个光伏电池片（2）的背面与电流输入端（4）相连接；在每个微光伏电池单元组的电流输出端（3）和电流输入端（4）之间并联一个单元组旁路二极管（5），所述单元组旁路二极管（5）设置在电池基板（1）的背面，通过穿过电池基板（1）上通孔的导线将单元组旁路二极管（5）的正极与电流输入端（4）相连，单元组旁路二极管（5）的负极与电流输出端（3）相连；

    微光伏电池单元组之间采用一块微光伏电池单元组的电流输入端（4）与之相邻的另一块微光伏电池单元组的电流输出端（3）相连的方式串联在一起，即电池基板（1）上的所有的光伏电池片（2）首尾相连地串联在一起；

    上述串联在一起的微光伏电池单元组中第一个微光伏电池单元组的电流输出端（3）即为光伏组件的正极端（6），最末一个微光伏电池单元组的电流输入端（4）即为光伏组件的负极端（7）；上述光伏组件的正极端（6）与光伏组件的负极端（7）之间还并联一个组件旁路二极管（8），所述组件旁路二极管设置在电池基板（1）的背面，通过穿过电池基板（1）上通孔的导线电极，将组件旁路二极管（8）的负极与光伏组件的正极端（6）相连接，将组件旁路二极管（8）的正极与光伏组件的负极端（7）相连接。

2.如权利要求1所述的一种配置多层旁路二极管的光伏组件，其特征在于，所述的单元组旁路二极管（5）的耐电压值在10V至15V之间，所述的组件组旁路二极管（8）的耐电压值在50V至150V之间。

3.如权利要求1所述的一种配置多层旁路二极管的光伏组件，其特征在于，光伏组件中光伏电池片（2）上的导线为汇流导线（9），所述汇流导线（9）与电池基板（1）短边的方向相互平行；所述的单元组旁路二极管（5）均安置在电池基板（1）沿长边方向的中轴线的两侧；所述的组件旁路二极管（8）的中心与电池基板（1）沿长边方向的中轴线相重合。

4.如权利要求1所述的一种配置多层旁路二极管的光伏组件，其特征在于，单元组旁路二极管（5）和组件旁路二极管（8）的外侧罩有封装盒（10）。

5.如权利要求1所述的一种配置多层旁路二极管的光伏组件，其特征在于，在每一个光伏电池片（2）上均并联有一个光伏电池片旁路二极管（11）。

6.如权利要求1所述的一种配置多层旁路二极管的光伏组件，其特征在于，光伏组件中，单元组旁路二极管（5）与组件旁路二极管（8）从电路结构上构成了两层式配置结构，当所述光伏组件中光伏电池片（2）采用集成有旁路二极管的光伏电池片时，光伏电池片集成有旁路二极管，单元组旁路二极管（5）与组件旁路二极管（8）从电路结构上构成三层式配置结构。

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