不同內連方式柔性CIGS光伏組件在立柱表面應用時性能

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.北京市納米結構薄膜太陽能電池工程技術研究中心，北京 102211)

減少化石能源使用，大規模利用太陽能，是公認的減少社會碳排放的重要途徑。光伏發電作為太陽能的直接利用方式，發展勢頭迅猛[1]。由于柔性光伏組件具有輕質、可卷曲和可貼合安裝等得天獨厚的優點，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)和光伏移動能源等曲面場合應用，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準IEC61215 已于2021 年2 月正式發布，其中首次規范性地提出了柔性光伏組件的定義、需滿足的曲率半徑、測試方法和相關要求[2]。可以預測，未來柔性光伏組件的應用會更加廣泛。

當光伏組件在平面場合應用時，表面各區域朝向唯一，接受的太陽輻照度相同，內部串聯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部各電池片輸出功率之和。但當柔性光伏組件貼合到建筑曲面上應用時，組件本身會處于彎曲狀態，表面各個區域的朝向和受光情況會存在差異，特別是當組件貼合到曲率半徑較小的建筑物表面時，這種差異變大，導致組件內部各電池片的輸出功率產生明顯區別，串聯在一起的各電池片的輸出性能失配，進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用時產生的新問題，目前行業內研究得還比較少。本文針對柔性CIGS 光伏組件在立柱表面貼合應用時產生的性能失配問題進行分析，建立了兩種不同內連方式的組件模型和組件發電模型，通過實地測量立面上的太陽輻照強度和使用MATLAB/Simulink 模擬仿真，對兩種內連方式的組件的全天發電性能進行對比研究。

1 現有柔性CIGS 光伏組件內連方式

目前量產高效的柔性CIGS 光伏組件使用不銹鋼襯底進行制作，一般使用Roll to Roll 的生產技術，通過采用濺射、共蒸發和化學水浴沉積等鍍膜工藝，在不銹鋼襯底上沉積多層半導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行剪裁分割成電池片。組件封裝時將多個電池片按行列排布，并進行串聯或并聯連接，形成組件內部電路[3-4]。根據組件內部電氣連接方式的不同，可以分為串聯型組件(S型)和并聯型組件(P 型)，以包含兩個列子電池串的組件為例進行說明。

串聯型組件的內連方式如圖1 所示。第1 列中前一個電池片的負極與后一個電池片的正極連接，第2 列中前一個電池片的正極與后一個電池片的負極連接，分別形成兩個獨立的、電流方向相反的列子電池串。在組件的尾部，使用匯流帶將兩個列子電池串進行連接，最終將組件內部所有的電池片串聯到一起，形成一個串聯電路。為了減小組件應用時由于熱斑效應產生的功率損失，每個電池片并聯一個反向偏置的二極管。并聯型組件的內部連接方式如圖2 所示。組件內部的電池片僅在列的方向進行串聯，形成兩個獨立的列子電池串，然后兩個列子電池串再進行并聯，最終在組件內部形成2 串1 并的電路。

圖1 串聯型組件內連方式

圖2 并聯型組件內連方式

根據實際使用需求，兩種內連方式的組件均可以設計不同的電池片數量，從而可生產出不同長度尺寸(2～6 m)和不同性能的組件產品。

2 柔性CIGS 光伏組件貼合到立柱表面時的狀態分析

以柔性CIGS 光伏組件內部包含兩個列子電池串，每個電池片長度尺寸210 mm 為例，分析當組件豎向貼合到?1 000 mm 的建筑立柱表面上時的內部狀態。可以想象，貼合后的組件和內部電池片會處于彎曲狀態，兩列子電池串處于同一圓周上的不同位置，各自的朝向產生了差異。

為了定量分析這種差異，我們使用電池片中心點切向平面的朝向近似代替列子電池串的朝向，以組件橫向中心點的切向平面為參考平面。計算可得，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分析(截面圖)

這種朝向的差異，會引起兩個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。對于串聯型組件而言，串聯在一起的兩個列子電池串輸出性能產生失配，進而最終影響組件的整體輸出性能。這種影響會隨著貼合建筑立柱曲率半徑的減小而變大，而且也會隨太陽照射角度和太陽高度的變化而變化。

同時也可以看出，在立柱表面貼合應用時，組件內部處于同一列中的各個電池片朝向是一致的，受光情況相同。對于并聯型組件，由于不同列子電池串沒有串聯連接，因此不會產生列子電池串輸出性能失配的問題。

3 仿真分析

為了驗證內連方式的區別對組件最終輸出性能的影響，在MATLAB/Simulink 建立兩種不同內連方式組件的發電模型，并實際測量立面上不同列子電池串朝向的太陽輻照強度，將輻照強度數據輸入至組件發電模型，模擬仿真對應輻照強度下兩種組件的發電性能，進行對比分析。

3.1 太陽電池數學模型

太陽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 結等效二極管；并聯電阻Rsh，由太陽電池的漏電流引起；串聯電阻Rs，由電池的體電阻和金屬導體電阻等組成[5-6]。

圖4 太陽電池等效電路模型

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為并聯電阻電流。每一項對應一個方程：

式中：G為太陽輻照強度，W/m2；Isc為太陽電池短路電流，A；ki為短路電流溫度系數，%/℃；T為太陽電池溫度，K；Tn為標準測試條件下的溫度，298 K；q為單電子電量，1.602×10－19C；A為二極管品質因子；K為玻爾茲曼常數，1.38×10－23J/K；Ns為串聯電池片數量；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為半導體材料帶隙，eV；Voc為太陽電池開路電壓，V。

3.2 組件模型搭建

MATLAB/Simulink 中包含了PV Array 模塊，該模塊是依據太陽電池等效電路建立，可通過設定電性能參數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特殊的光伏方陣，輸入其對應的電性能參數，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列子電池串進行連接，即可得到兩種內連結構組件的仿真模型。

假定列子電池串由20 個電池片串聯而成，電池片長度為210 mm，電性能參數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設定值見表1。

表1 CIGS列子電池串模型設定參數

為了確認組件模型的輸出特性，分別在組件的輸出端，連接可調節的壓控電壓源，對組件的IV 特性進行仿真測試。仿真過程中，實時監測回路內的電流和組件兩端的電壓，繪制組件的IV 曲線和PV 曲線。測試仿真模型結構如圖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，盡管兩種內連結構組件的電壓和電流參數不同，但組件的最大輸出功率是一致的，均為兩個列子電池串功率之和。

圖7 兩種內連結構組件的輸出特性曲線

3.3 立面上太陽輻照強度的測量

假定柔性CIGS 光伏組件貼合到?1 000 mm 的建筑立柱上，組件橫向中心點的切向平面為正南朝向，測量這種情景時組件內部兩列子電池串朝向立面上的太陽輻照強度。

輻照強度測量設備使用HT-IV525W 光伏組件戶外測試儀，測量傳感器選用單晶硅標準電池。測量地點為北京市昌平區未來科學城，坐標北緯40°7′48′′、東經116°28′12′′，時間為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 測量1 次。記錄太陽輻照強度數據如表2。

表2 太陽輻照強度測量數據 W/m2

由表2 可以看出，隨著太陽照射角度的變化，立面上的輻照強度變化較大，兩個列子電池串朝向立面上的太陽輻照強度產生了明顯的差異。

3.4 組件發電模型的搭建

為了對比不同內連結構組件的發電量，搭建光伏組件發電仿真模型，其結構如圖8 所示，包括光伏組件、MPPT 模塊、PMW 模塊、Boost 功率變換器和負載電阻。

圖8 光伏組件發電仿真模型

其中光伏組件通過Boost 功率變換器給負載電阻供電，由MPPT 子模塊和PWM 子模塊對Boost 電路的控制脈沖占空比進行實時調節，這就相當于調節光伏組件輸出側的等效負載的大小，使等效負載與光伏組件的最大功率點對應的負載相同，即實現光伏組件實時輸出最大功率。MPPT 的控制策略采用了擾動觀察法[7]，基本思路是不斷擾動調節光伏組件工作點的位置，根據擾動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方向，最終找到組件的最大功率點。擾動觀察法具有容易實現，控制思路清晰等優點。

3.5 模擬仿真結果

基于測量的立面太陽輻照強度數據和光伏組件發電模型，對兩種組件全天輸出性能進行模擬仿真。模型中參數設置如表3 所示。

模擬過程中，設定組件溫度固定在45 ℃不變，太陽輻照強度每間隔1 s 進行變化，用以模擬兩種組件全天的實際發電輸出功率曲線，仿真結果如圖9 所示。

圖9 南向貼裝組件功率輸出對比

由于模擬輸入的太陽輻照強度為表2 中的實測數據序列，且假定在測量間隔期間的輻照強度保持不變，這樣相鄰輻照強度值存在明顯差異，導致模擬結果中組件輸出功率在整秒時刻處發生跳變。結合全天太陽輻照強度先升后降變化的自然規律，分析圖9 模擬結果與光伏組件實際全天輸出功率特性差異：在整秒時刻跳變后模擬所得的輸出功率值與實際情況是一致的；在其他非整秒時刻，由于假定了測量間隔期間的輻照強度不變，模擬結果與實際光伏組件輸出特性存在偏差，具體為模擬結果功率值上午偏小，下午偏大，但這種偏差趨勢對兩種結構組件的影響是相似的，對兩種組件最大輸出功率和發電量的對比分析影響不大。

從圖9 各時段組件的最大輸出功率可以看出，由于組件內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 時間段內，這種差距非常明顯。

使用圖9 中各時段最大輸出功率值與1 h 的乘積來近似估算組件在各時段的發電量，并匯總求和估算出組件的全天發電量，對兩種內連方式組件的發電量進行定量分析。經過計算，S 型組件全天發電量為188.5 Wh，P 型組件全天發電量為246.4 Wh，P 型組件的發電量比S 型組件高30.7%。

4 結論

本文對柔性CIGS 光伏組件在立柱表面貼合應用進行狀態分析，在MATLAB/Simulink 中搭建了組件模型和組件發電模型，結合北京地區仲夏季立面上的太陽輻照強度數據，對組件全天發電進行模擬仿真。研究結果表明，在立柱表面貼合應用時，選用不同內連結構的柔性CIGS 組件，組件的輸出性能存在明顯差異；與串聯型組件相比，并聯型組件由于改善了組件內部列子電池串輸出性能失配問題，具有更優越的性能輸出。