CN108229007B - 多主栅光伏组件模拟方法及光伏组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多主栅光伏组件模拟方法，包括如下步骤：S1、建立单片电池片模型；S2、建立光伏组件模型；S3、优化所述光伏组件的主栅数量以及焊带的横截面积以使所述光伏组件的输出功率最大。如此，可以模拟不同主栅数量对应的焊带直径，使光伏组件的功率最大，指明了光伏组件的优化方向；根据该方法得到的最佳焊带直径与主栅数量搭配制作的光伏组件，节省了银浆耗量，增加了输出功率，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种多主栅光伏组件模拟方法及使用该方法制成的光伏组件。
背景技术
光伏组件的成本降低是光伏组件平价用电的前提。随着光伏组件的技术日益成熟，光伏组件端技术已经百花齐放。包括有光伏组件叠瓦技术、半片技术、双面电池、多主栅组件等。多主栅半片光伏组件兼具有电池端省银浆、组件端电阻低、高功率的优势。但是多主栅数量为多少时，焊带直径或者宽度多大时，光伏组件的功率最大，暂时没有模拟软件和明确的优化方向。
有鉴于此，有必要设计一种多主栅光伏组件模拟方法及使用该方法制成的光伏组件，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够模拟不同多主栅半片光伏组件对应的主栅数量、焊带横截面面积与光伏组件的功率的关系的多主栅光伏组件模拟方法及使用该方法制成的光伏组件。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种多主栅光伏组件模拟方法，包括如下步骤：
S1、建立单片电池片模型，所述单片电池片的电阻Rs满足如下关系式：
Rs＝Remitter+Rfc+Rfinger+Rbase+Rbc
式中：Remitter为发射极电阻，Rfc为上电极接触电阻，Rfinger为副栅电阻，Rbase为基体电阻，Rbc为背电极接触电阻；
所述单片电池片的主栅遮挡比例Sbusbar与副栅遮挡比例Sfinger分别满足如下关系式：
式中：Nb为主栅数量，wb为主栅宽度，Acell为单片电池片的面积，wf为副栅宽度，B为副栅长度，S副栅中心距；
S2、建立光伏组件模型,所述光伏组件的焊带的电阻Rtab满足如下关系式：
式中：Ncell为电池片数量，ρ为焊带的电阻率，l为单片电池片的长度，Nb为主栅数量，A为焊带的横截面积，l'为电池片之间的间距，Nstring为电池串的数量，l”为上下边缘的电池片与汇流条的间距；
所述光伏组件的焊带的遮挡比例Stab满足如下关系式：
式中：Nb为主栅数量，Wtab为焊带的宽度，Acell为单片电池片的面积；
S3、优化所述光伏组件的主栅数量以及焊带的横截面积以使所述光伏组件的输出功率最大。
作为本发明的进一步改进，所述光伏组件的输出功率P满足如下关系式：
式中：n为等效二极管的结构因子,VT为所述电池片的热电压,Iph为所述电池片的光生电流,I为所述电池片的工作电流，Io为等效二极管的反向饱和电流,Rmodule为所述光伏组件的等效串联电阻,I′ph为所述电池片的初始光生电流,V为所述电池片的工作电压,Sfinger为副栅遮挡比例,Stab为焊带的遮挡比例。
作为本发明的进一步改进，所述Remitter满足如下关系式：
式中：S为副栅中心距，wf为副栅宽度，Rsheet为方块电阻，B为副栅长度，S为副栅中心距，wb为主栅宽度，Acell为单片电池片的面积。
作为本发明的进一步改进，所述Rfc满足如下关系式：
式中：ρc为副栅接触电阻率，B为副栅长度，S为副栅中心距，wb为主栅宽度，wf为副栅宽度，Acell为单片电池片的面积。
作为本发明的进一步改进，所述Rfinger满足如下关系式：
式中：ρf为副栅电阻率，wf为副栅宽度，hf为副栅高度，B为副栅长度，wb为主栅宽度，S为副栅中心距，Acell为单片电池片的面积。
作为本发明的进一步改进，所述Rbase满足如下关系式：
式中：ρbase为基体电阻率，hb为基体高度，Acell为单片电池片的面积。
作为本发明的进一步改进，所述Rbc满足如下关系式：
式中：ρbc为基体接触电阻率，Acell为单片电池片的面积。
作为本发明的进一步改进，所述Rmodule满足如下关系式：
Rmodule＝Ncell*Rs+Rtab
式中：Rmodule为所述光伏组件的等效串联电阻,Ncell为电池片数量，Rs为单片电池片的电阻，Rtab为光伏组件的焊带的电阻。
作为本发明的进一步改进，所述电池片的热电压VT满足如下关系式：
VT＝(k*T)/q；
式中：k为玻尔兹曼常数，T为所述电池片的温度，采用开尔文温度，q为电荷常数。
作为本发明的进一步改进，所述I′ph不包括所述电池片主栅的遮挡电流和所述电池片副栅遮挡电流。
作为本发明的进一步改进，所述I满足如下关系式：
式中：I为电池片的工作电流，Iph为电池片的光生电流，Io为等效二极管的反向饱和电流，V为电池片的工作电压，Rmodule为组件等效串联电阻，n为等效二极管的结构因子，VT为电池片的热电压，Rsh为电池片的等效并联电阻。
作为本发明的进一步改进，所述Rsheet满足如下关系式：
Rsheet＝ρe/he
式中：ρe为发射极电阻率，he为薄层电阻厚度。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种光伏组件，包括自上而下依次层叠设置的透光板、前层封装胶膜、电池串层、后层封装胶膜以及背板，所述电池串层具有成排放置的电池片串，所述电池片串包括多个成排放置的电池片、将所述多个电池片串联焊接的焊带以及与所述焊带连接的汇流条，所述电池片上具有若干与焊带连接的主栅线和与主栅线连接的副栅线，其特征在于：所述主栅的数量与所述焊带的横截面积根据权利要求1-9中任一权利要求所述的多主栅光伏组件模拟方法计算确定。
作为本发明的进一步改进，所述电池片为半片电池片，所述半片电池片是由平面形状是大致正方形的基础太阳能电池片二等分切割而成。
作为本发明的进一步改进，所述焊带为圆形焊带，所述圆形焊带的直径的取值范围为0.2～0.45mm。
作为本发明的进一步改进，所述焊带包括但不限于为圆形焊带。
本发明的有益效果是：本发明的多主栅光伏组件模拟方法通过建立多主栅半片电池片模型、光伏组件模型以及优化焊带直径以使光伏组件的功率达到最大；根据多主栅光伏组件模拟方法得到的最佳焊带直径与主栅数量搭配制作的光伏组件，节省了银浆耗量，增加了输出功率，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明光伏组件的结构示意图。
图2为光伏组件正面的结构示意图。
图3为多主栅光伏组件模拟方法的流程图。
图4为光伏组件串联电阻等效电路图。
图5为光伏组件焊带直径优化模拟结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
请参阅图1至图5所示，一种光伏组件100，包括自上而下依次层叠设置的透光板20、前层封装胶膜21、电池串层22、后层封装胶膜23以及背板24。所述电池串层22具有成排放置的电池片串25，所述电池片串25包括多个成排放置的电池片26、将所述多个电池片26串联焊接的焊带27以及与所述焊带27连接的汇流条。所述电池片26上具有若干主栅线261和副栅线。所述透光板20为玻璃板。
一种多主栅光伏组件模拟方法，包括如下步骤：
S1、建立单片电池片模型。电池片电阻由发射极电阻Remitter、上电极接触电阻Rfc、副栅电阻Rfinger、主栅电阻Rbusbar、基体电阻Rbase和背电极接触电阻Rbc组成。在光伏组件产品中，焊带与主栅良好接触，因此，在本发明中，忽略主栅电阻Rbusbar，后续直接计算焊带的电阻Rtab，所述单片电池片的电阻Rs满足如下关系式：
Rs＝Remitter+Rfc+Rfinger+Rbase+Rbc (1)
式(1)中：Remitter为发射极电阻，Rfc为上电极接触电阻，Rfinger为副栅电阻，Rbase为基体电阻，Rbc为背电极接触电阻。
所述单片电池片的主栅遮挡比例Sbusbar与副栅遮挡比例Sfinger分别满足如下关系式：
式(2)、(3)中：Nb为主栅数量，wb为主栅宽度，Acell为单片电池片的面积，wf为副栅宽度，B为副栅长度，S副栅中心距；
S2、建立光伏组件模型。所述光伏组件的焊带的电阻Rtab满足如下关系式：
式(4)中：Ncell为电池片数量，I为电池片的工作电流，ρ为焊带的电阻率，l为单片电池片的长度，Nb为主栅数量，A为焊带的横截面积，l'为电池片之间的间距，Nstring为电池串的数量，l”为上下边缘的电池片与汇流条的间距。
所述光伏组件的焊带的遮挡比例Stab满足如下关系式：
式(5)中：Nb为主栅数量，Wtab为焊带的宽度，Acell为单片电池片的面积；
S3、优化所述光伏组件的主栅数量以及焊带的横截面积以使所述光伏组件的输出功率最大。
所述步骤S1中，所述Remitter的计算过程如下：
式(6)中：Pemitter为发射极功率，Iemitter为发射极电流，Rsheet为方块电阻，Rsheet＝ρe/he，ρe为发射极电阻率，he为薄层电阻厚度，k1为电流线密度系数，S为副栅中心距，wf为副栅宽度，B为副栅长度，S为副栅中心距，wb为主栅宽度，Acell为单片电池片的面积。
所述Rfc的计算过程如下：
式(7)中：ρc为副栅接触电阻率，B为副栅长度，S为副栅中心距，wb为主栅宽度，wf为副栅宽度，Acell为单片电池片的面积。
所述Rfinger的计算过程如下：
式(8)中：Pfinger为副栅功率，Ifinger为副栅电流，ρf为副栅电阻率，wf为副栅宽度，hf为副栅高度，B为副栅长度，wb为主栅宽度，S为副栅中心距，k1为电流线密度系数，Acell为单片电池片的面积。
所述Rbase的计算过程如下：
式(9)中：ρbase为基体电阻率，hb为基体高度，Acell为单片电池片的面积。
所述Rbc的计算过程如下：
式(10)中：ρbc为基体接触电阻率，Acell为单片电池片的面积。
所述步骤S2中，根据光伏组件单二极管模型，所述光伏组件的工作电流I满足如下关系式：
式(11)中：I为电池片的工作电流，Iph为电池片的光生电流，Io为等效二极管的反向饱和电流，V为电池片的工作电压，Rmodule为组件等效串联电阻，即，Rmodule＝Ncell*Rs+Rtab，n为等效二极管的结构因子，VT为电池片的热电压，Rsh为电池片的等效并联电阻。
所述VT的计算过程如下：
VT＝(k*T)/q (12)
式(12)中：k为玻尔兹曼常数，一般为1.38×10-23J/K，T为电池片温度，采用开尔文温度，q为电荷常数，一般为1.6×10-19C。
式(11)中，由于所述并联电阻Rsh较大，故“(V+IRmodule)/Rsh”项可以忽略，移项整理得：
式(13)中：V为电池片的工作电压，VT为所述电池片的热电压，I为电池片的工作电流，Iph为电池片的光生电流，Io为等效二极管的反向饱和电流，Rmodule为组件等效串联电阻，n为等效二极管的结构因子，
因此，在标准测试条件(STC)下，即，在1000W·m-2辐照度，25℃电池温度，AM1.5光强的情况下，光伏组件的输出功率为
式(14)中：Rmodule＝Ncell*Rs+Rtab，n为等效二极管的结构因子，VT为所述电池片的热电压，Iph为所述电池片的光生电流，I为所述电池片的工作电流，Io为等效二极管的反向饱和电流，Rmodule为所述光伏组件的等效串联电阻，I′ph为所述电池片的初始光生电流(未考虑电池主栅和副栅遮挡电流)，V为所述电池片的工作电压，Sfinger为副栅遮挡比例，Stab为焊带的遮挡比例。
表1主栅数量、焊带直径与光伏组件的功率优化情况
在所述步骤S3中，输入模拟光伏组件的参数：电池片尺寸为156.75mm×156.75mm，主栅宽度wb为0.2mm，主栅长度156.75mm，主栅高度13um，副栅宽度wf为46um，副栅根数110，副栅高度hf为15um，基体高度hb为170um，铝背场厚度20um，方块电阻Rsheet为100Ω/sq，主栅、副栅电阻率ρf为3.0*E-06Ω·cm，基体电阻率ρbase为1.5Ω·cm，副栅接触电阻率ρc为5.0*E-03Ω·cm2。
上表中，横向表头为主栅数量，纵向表头是焊带直径，数据项为光伏组件的功率。所述主栅数量的取值范围为6～21根，特别地，所述主栅的数量取值为6根、7根、8根、9根、12根、15根、18根、21根。在本实施例中，所述焊带27为圆形焊带。当所述圆形焊带直径小于0.2mm时，所述圆形焊带的电阻太大，会影响光伏组件的输出功率，而且对焊接设备的要求很高，目前难以实现产业化；当所述圆形焊带的直径大于0.45mm时，所述圆形焊带对电池片的遮挡太大，也会影响光伏组件的输出功率，而且需要相应增加EVA封装胶膜的厚度，影响光伏组件的良率。因此，在本模拟过程中，所述圆形焊带直径的取值范围为0.2～0.45mm。请见上表1为设置所述主栅数量与所述圆形焊带直径时，模拟光伏组件的功率情况。所述焊带直径的优化模拟结果如图5所示。
可知，当所述主栅数量为6根、7根、8根或者9根时，随着所述焊带直径的增加，所述功率呈增长趋势，当所述焊带直径从0.4mm增加至0.45mm的过程中，所述功率趋于平缓，虽然有增长，但增长量很小，由于工艺限制以及成本的综合考虑，焊带的直径的最大值取0.45mm，相应地，所述光伏组件的功率分别为279.05W、279.10W、279.01W、278.82W；当所述主栅数量为12根，所述焊带直径为0.39mm时，所述光伏组件的功率达到最大值278.04W；当所述主栅数量为15根，所述焊带直径为0.33mm时，所述光伏组件的功率达到最大值277.25W；当所述主栅数量为18根，所述焊带直径为0.3mm时，所述光伏组件的功率达到最大值276.48W；当所述主栅数量为21根，所述焊带直径为0.27mm时，所述光伏组件的功率达到最大值275.73W。可见，随着主栅数量(12根、15根、18根)的增加，焊带电阻对光伏组件功率的影响变小，焊带对电池的光学遮挡影响变大，因此随着主栅数量的增加，最佳功率对应的焊带直径(0.39mm、0.33mm、0.3mm)会变小。应当理解，表1所示的数据只是针对一种电池片制作的光伏组件效率的模拟值，反映了不同主栅数量情况下，不同焊带直径对应的光伏组件的输出功率趋势；即，电池片类型更换，制作的光伏组件输出功率也会变化，但是，趋势不会变化。
根据表1的优化结果确定所述光伏组件100的所述主栅261的数量与所述焊带27的直径以使所述光伏组件100的输出功率为最大值，制作相应参数的光伏组件100。本发明的模拟数据是基于一种电池片制作的光伏组件效率进行的模拟，但本发明并不局限于模拟值，不同效率的电池片制作的光伏组件的功率趋势与之对应，均在保护范围之内。
需要说明的是，焊带并不限于圆形焊带，也可以为扁平状焊带或者其他形状的焊带，只需相应地确定焊带的横截面积，亦适用于本发明的多主栅光伏组件模拟方法，以制作相应的光伏组件。在本实施方式中，所述电池片为半片电池片，所述半片电池片是由平面形状是大致正方形的基础太阳能电池片二等分切割而成。所述光伏组件为半片光伏组件。应当理解，本发明的光伏组件不限于为半片光伏组件。
综上所述，本发明的多主栅光伏组件模拟方法通过建立多主栅半片电池片模型、光伏组件模型以及优化焊带直径以使光伏组件的功率达到最大；根据多主栅光伏组件模拟方法得到的最佳焊带直径与主栅数量搭配制作的光伏组件，节省了银浆耗量，增加了输出功率，降低了生产成本。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (16)
1.一种多主栅光伏组件模拟方法，包括如下步骤：
S1、建立单片电池片模型，所述单片电池片的电阻Rs满足如下关系式：
Rs＝Remitter+Rfc+Rfinger+Rbase+Rbc
式中：Remitter为发射极电阻，Rfc为上电极接触电阻，Rfinger为副栅电阻，Rbase为基体电阻，Rbc为背电极接触电阻；
所述单片电池片的主栅遮挡比例Sbusbar与副栅遮挡比例Sfinger分别满足如下关系式：
式中：Nb为主栅数量，wb为主栅宽度，Acell为单片电池片的面积，wf为副栅宽度，B为副栅长度，S副栅中心距；
S2、建立光伏组件模型,所述光伏组件的焊带的电阻Rtab满足如下关系式：
式中：Ncell为电池片数量，ρ为焊带的电阻率，l为单片电池片的长度，Nb为主栅数量，A为焊带的横截面积，l'为电池片之间的间距，Nstring为电池串的数量，l”为上下边缘的电池片与汇流条的间距；
所述光伏组件的焊带的遮挡比例Stab满足如下关系式：
式中：Nb为主栅数量，Wtab为焊带的宽度，Acell为单片电池片的面积；
S3、优化所述光伏组件的主栅数量以及焊带的横截面积以使所述光伏组件的输出功率最大。
2.根据权利要求1所述的多主栅光伏组件模拟方法，其特征在于：所述光伏组件的输出功率P满足如下关系式：
式中：n为等效二极管的结构因子,VT为所述电池片的热电压,Iph为所述电池片的光生电流,I为所述电池片的工作电流,Io为等效二极管的反向饱和电流,Rmodule为所述光伏组件的等效串联电阻,I＇ph为所述电池片的初始光生电流,V为所述电池片的工作电压,Sfinger为副栅遮挡比例,Stab为焊带的遮挡比例。
3.根据权利要求2所述的多主栅光伏组件模拟方法，其特征在于：所述Remitter满足如下关系式：
式中：S为副栅中心距，wf为副栅宽度，Rsheet为方块电阻，B为副栅长度，S为副栅中心距，wb为主栅宽度，Acell为单片电池片的面积。
4.根据权利要求2所述的多主栅光伏组件模拟方法，其特征在于：所述Rfc满足如下关系式：
式中：ρc为副栅接触电阻率，B为副栅长度，S为副栅中心距，wb为主栅宽度，wf为副栅宽度，Acell为单片电池片的面积。
5.根据权利要求2所述的多主栅光伏组件模拟方法，其特征在于：所述Rfinger满足如下关系式：
式中：ρf为副栅电阻率，wf为副栅宽度，hf为副栅高度，B为副栅长度，wb为主栅宽度，S为副栅中心距，Acell为单片电池片的面积。
6.根据权利要求2所述的多主栅光伏组件模拟方法，其特征在于：所述Rbase满足如下关系式：
式中：ρbase为基体电阻率，hb为基体高度，Acell为单片电池片的面积。
7.根据权利要求2所述的多主栅光伏组件模拟方法，其特征在于：所述Rbc满足如下关系式：
式中：ρbc为基体接触电阻率，Acell为单片电池片的面积。
8.根据权利要求2所述的多主栅光伏组件模拟方法，其特征在于：
所述Rmodule满足如下关系式：
Rmodule＝Ncell*Rs+Rtab
式中：Rmodule为所述光伏组件的等效串联电阻,Ncell为电池片数量，Rs为单片电池片的电阻，Rtab为光伏组件的焊带的电阻。
9.根据权利要求2所述的多主栅光伏组件模拟方法，其特征在于：所述电池片的热电压VT满足如下关系式：
VT＝(k*T)/q；
式中：k为玻尔兹曼常数，T为所述电池片的温度，采用开尔文温度，q为电荷常数。
10.根据权利要求2所述的多主栅光伏组件模拟方法，其特征在于：所述I＇ph不包括所述电池片主栅的遮挡电流和所述电池片副栅遮挡电流。
11.根据权利要求2所述的多主栅光伏组件模拟方法，其特征在于：所述I满足如下关系式：
式中：I为电池片的工作电流，Iph为电池片的光生电流，Io为等效二极管的反向饱和电流，V为电池片的工作电压，Rmodule为组件等效串联电阻，n为等效二极管的结构因子，VT为电池片的热电压，Rsh为电池片的等效并联电阻。
12.根据权利要求3所述的多主栅光伏组件模拟方法，其特征在于：所述Rsheet满足如下关系式：
Rsheet＝ρe/he
式中：ρe为发射极电阻率，he为薄层电阻厚度。
13.一种光伏组件，包括自上而下依次层叠设置的透光板、前层封装胶膜、电池串层、后层封装胶膜以及背板，所述电池串层具有成排放置的电池片串，所述电池片串包括多个成排放置的电池片、将所述多个电池片串联焊接的焊带以及与所述焊带连接的汇流条，所述电池片上具有若干与焊带连接的主栅线和与主栅线连接的副栅线，其特征在于：所述主栅的数量与所述焊带的横截面积根据权利要求1-9中任一权利要求所述的多主栅光伏组件模拟方法计算确定。
14.根据权利要求13所述的光伏组件，其特征在于：所述电池片为半片电池片，所述半片电池片是由平面形状是大致正方形的基础太阳能电池片二等分切割而成。
15.根据权利要求13所述的光伏组件，其特征在于：所述焊带为圆形焊带，所述圆形焊带的直径的取值范围为0.2～0.45mm。
16.根据权利要求13所述的光伏组件，其特征在于：所述焊带包括但不限于为圆形焊带。
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