CN102437219A

CN102437219A - 一种新型的晶体硅太阳能电池组件结构

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Publication number: CN102437219A
Application number: CN2011103901241A
Authority: CN
Inventors: 郭海昕; 汪炜; 郑攀
Original assignee: MAANSHAN JINGWEI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: MAANSHAN JINGWEI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: CN102437219B

Abstract

本发明属于晶体硅太阳能电池组件设计领域，公开了一种新型的晶体硅太阳能电池组件结构，它是由若干电池模块串联而成，每个所述的电池模块由若干个电池子模块并联而成，每个所述的电池子模块内部是由若干个尺寸相同、额定功率相同的晶体硅电池片串联而成；所述组件结构内部，不同电池子模块所包含的晶体硅电池片数量相同，不同电池子模块所包含的晶体硅电池片的功率不完全相同。本发明提出的太阳能电池结构设计能将低功率的晶体硅电池片与其它高功率的晶体硅电池片混合使用且不影响其它高功率晶体硅电池片正常工作，将低功率的晶体硅电池片有效的运用于较高功率的组件中，降低了组件的成本。

Description

一种新型的晶体硅太阳能电池组件结构

技术领域

本发明属于晶体硅太阳能电池组件设计领域，更具体地说，本发明涉及一种新型的晶体硅太阳能电池组件结构。

背景技术

单个晶体硅太阳电池的电压和输出功率都很小，为了满足大功率和高电压的供电要求，需要将多个晶体硅太阳能电池片串并联起来，组成一个具有一定输出功率的组件。

串联结构是太阳电池组件中必不可少的一种结构，因为单个电池的电压很小，必须通过串联连接来提高整个组件的输出电压，所以，任何晶体硅太阳电池组件中必然都有电池片的串联。然而，串联连接有一个很大的缺陷，即它的输出电流取决于所有单个电池中的最小值。所以只要在整个串联结构中有一个晶体硅电池片的电流出现异常，那么所有串联结构中的晶体硅电池片都会受到影响。因而在串联结构中一般要求所有晶体硅电池片的工作电流基本一致。

并联结构是太阳能电池组件中的一种重要结构。并联结构的输出功率并不受每个晶体硅电池片电流的制约，因而即使所有晶体硅电池片的电流大小不一样，只要其电压基本一致，它们仍有较大的功率输出。但是，并联结构的输出功率受每个晶体硅电池片的工作电压制约，而且并联连接的电压仍然是单个晶体硅电池片的电压，所以并联结构必须与串联结构复合在一起方能应用于晶体硅太阳电池的组件中。

因为传统的组件连接基本采用串联结构，而串联结构的输出功率与每片晶体硅电池片的工作电流都有很大的关系，所以在传统组件的安装过程中要求所有晶体硅电池片的功率基本相同（商品化的晶体硅太阳电池一般按照功率等将电池片分类，功率相同的晶体硅电池片，它的转换效率、工作电压和电流也基本相同，高功率的晶体硅电池片，它的转换效率、工作电压和电流都比低功率的电池片的高）。这样，那些低功率的晶体硅电池片因为输出的功率、电压和电流较正常的电池片相比均要小，因此，它们按照传统晶体硅电池片的连接组成的组件功率达不到要求，而且它们在串联结构中也不适合同其他高功率的晶体硅电池片混合使用，因而此类低功率的晶体硅电池片只能做成低功率的小组件。

此外，在传统技术中即使全部采用高功率的电池片来组装一块组件，由于在一个组件中需要串联的晶体硅电池片数目较多，这样由于产品质量有一定的不稳定性，在这批高功率的晶体硅电池片当中也可能有某一两片电池片的电流较小，从而会对其他所有的电池片产生影响。在传统的串联结构中，为避免因某一晶体硅电池片出现损坏而导致整个组件无法正常工作，常常是使用一个旁路二极管保护多个相互连接的电池片。当某串晶体硅电池片中某一电池片出现异常时，那么这串晶体硅电池片，其中包括那些正常的晶体硅电池片，便会因旁路二极管的作用与整个光伏组件系统隔离。这样就会使整个光伏组件的输出功率因某一电池片的实效而出现过多的下降。

因为串联结构组件的总电流受每一电池片的制约，在实际的生产过程中产品的质量也不可避免的存在一定的不稳定性，所以减少所串联的晶体硅电池片的数目，采用串并联结构能在一定程度上解决这个弊端。虽然采用并联结构会因为并联电池片的电压不同而带来功率损耗，但是通过分析商品化晶体硅太阳电池片出厂参数发现：不同类型的电池片，其开路电压的相对变化量比其短路电流的相对变化量要小。表1是某晶体硅电池片供应商给出的晶体硅电池片出产的相关参数，表2是由表1得出的相关的参数变化量。由表2可以看出不同类型的电池，其短路电流的相对变化量比开路电压的相对变化量大一倍。

表1

表2

	转换效率 %	最大功率（W）	最大工作电压V（mV）	最大工作电流Im（A）	开路电压Voc（mV）	短路电流Isc（A）
							绝对变化量	1	0.16	11	0.181	10	0.178
相对变化量（%）	5.68	6.11	2.09	3.65	1.60	3.35

近年来，随着光伏产业的不断发展，关于太阳电池组件的拓扑结构的研究也在不断的推进。安徽工业大学王培珍等研究了不同拓扑结构太阳电池联结损失，其中包含串并联结构。苏州富能技术有限公司刘穆清等将串并联结构用于了在薄膜太阳电池模块组中（专利公开号：CN101510570），该技术的不足之处在于，所设计的串并联结构中仍然必须采用同一功率范围的晶体硅电池片，不同功率的晶体硅电池片无法同时应用于同一组件中，对于小功率的晶体硅电池片只能制成小功率的组件，而小功率的组件的使用有一定的局限性。

综上所述，亟待寻找一种新的晶体硅太阳能电池组件结构，它具备以下特点：既不影响组件在正常工作时的功率输出，又能避免因某一晶体硅电池片出现异常时组件的输出的功率下降过大，而且各种功率的晶体硅电池片都能合理的运用到同一块组件中。这对于整个光伏产业的发展有着重要意义。

发明内容

要解决的问题

针对现有技术中存在这样的问题：晶体硅太阳能电池组件的设计主要是串联结构，整个组件的工作电流受每一晶体硅电池片工作电流的制约，当其中有某一片出现故障或者阴影时有较多的电池片将无法正常工作且这种结构要求所有晶体硅电池片的功率基本一致，否则高功率晶体硅电池片无法输出它的最大功率，本发明提供了一种新型的晶体硅太阳能电池组件结构。

技术方案

发明原理：本发明以复合使用串并联结构的方法并采用不同功率或者转换效率晶体硅电池片来完成太阳能电池组件的设计，具体地说，本发明就是根据晶体硅太阳能电池片额定功率或者光电转换效率的高低对所有的电池片进行分类，同时复合使用不同类型的电池片和串并联结构使组件在正常工作时有一定的功率输出，在某一电池片出现故障或者阴影时整个组件仍有较高的功率输出，充分合理的将各种功率的晶体硅电池片应用于同一组件中。

本发明的技术方案如下：

本发明的一种新型的晶体硅太阳能电池组件结构，它是由若干电池模块串联而成，每个所述的电池模块由若干个电池子模块并联而成，每个所述的电池子模块内部是由若干个尺寸相同、额定功率相同的晶体硅电池片串联而成；所述组件结构内部，不同电池子模块所包含的晶体硅电池片数量相同，不同电池子模块所包含的晶体硅电池片的功率不完全相同。这样的结构设计是为了使低功率的晶体硅电池片和高功率的晶体硅电池片可以同时应用于同一个电池组件中，且不影响高功率的晶体硅电池片正常工作，打破了传统组件结构中只能使用同一功率的晶体硅电池片的局限性，使得廉价的低功率的晶体硅电池片也能制成较高输出功率的组件。

在每个电池模块的两端并联一个旁路二极管，这样是为了确保整个电池模块出现故障不能正常工作时整个组件仍有一定的功率输出。

对于不同电池子模块，所有晶体硅电池片的开路电压总和的差值≤0.2V。不同电池子模块所有晶体硅电池片的开路电压总和的差值较小，降低了不同电池子模块并联时由于电压的不同而造成的并联损失，提高了整个组件的输出功率。

所述的旁路二极管的耐压容量V应大于等于电池模块最大反向工作电压的两倍，电流容量I应大于等于电池模块最大反向工作电流的两倍，具体表述V≥2×Voc×M，I≥2×N×Isc，其中Voc表示单个晶体硅电池片的开路电压，Isc表示每个晶体硅电池片的短路电流，N表示每个电池模块包含的电池子模块的个数，M表示每个电池子模块中串联电池片的个数，Voc×M即电池模块最大反向工作电压，N×Isc即电池模块最大反向工作电流。依据旁路二极管的选用标准选择使用旁路二极管，晶体硅太阳能电池组件在满足使用要求的前提下会有较长的使用寿命和较高的稳定性。

有益效果

本发明的有益效果：

（1）本发明的太阳能电池组件结构在电池子模块上并联有旁路二极管，所以当太阳能电池组件中的某些晶体硅电池片发生故障或阴影时，本发明的组件结构仍有较高的输出功率；

（2）本发明在串联结构中混合使用不同功率或者转换效率的晶体硅电池片，打破了传统组件设计中只能使用同一功率晶体硅电池片这一局限性，在生产中根据功率要求合理选择不同功率的晶体硅电池片相互搭配，所有功率的晶体硅电池片都能应用于同一个组件当中去；

（3）本发明的结构能将低功率的晶体硅电池片与其它高功率的晶体硅电池片混合使用且不影响其它高功率晶体硅电池片的正常工作；将低功率的晶体硅电池片有效地运用于较高功率的组件中，因而降低了组件的成本。

附图说明

图1是72片2.75W的晶体硅电池片全串联的仿真结果曲线图；

图2是72片2.69W的晶体硅电池片全串联的仿真结果曲线图；

图3是实施例1中36片2.75W和36片2.69W的晶体硅电池片串并联的仿真结果曲线图；

图4是72片2.75W的晶体硅电池片串并联的仿真结果曲线图；

图5是72片2.75W的晶体硅电池片串联结构中某一片出现异常时的仿真结果曲线图；

图6是72片2.75W的晶体硅电池片串并联结构中某一片出现异常时的仿真结果曲线图；

图7本发明的实施例1的晶体硅电池组件结构示意图；

图8本发明的实施例2的晶体硅电池组件结构示意图。

图中：1电池模块；2电池子模块；3晶体硅电池片；4旁路二极管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本专利作进一步的说明如下。

现将本专利的组件设计结构应用于晶体硅太阳能电池组件的结构设计中。具体见以下实施例1和实施例2。

实施例1

运用本发明的晶体硅太阳能电池组件的结构进行晶体硅太阳能电池组件的设计。

首先随机选取36片6.5英寸2.75W的晶体硅电池片3，设其为Ⅰ型晶体硅电池片3；再随机选取36片6.5英寸2.69W的晶体硅电池片3，设其为Ⅱ型晶体硅电池片3。

分别将这两类晶体硅电池片3每12片串联在一起形成一个电池子模块2，Ⅰ型晶体硅电池片和Ⅱ型晶体硅电池片各形成3个电池子模块2。

然后分别从Ⅰ型晶体硅电池片的3个电池子模块2和Ⅱ型晶体硅电池片的3个电池子模块2中各选取1个电池子模块并联起来，形成3个电池模块1。同时，为避免该电池模块中某一晶体硅电池片异常，导致该电池模块的输出功率出现过多的下降，在每个电池模块1的两端并联一个旁路二极管4。

其中旁路二极管4要求为低功耗、超高速半导体器件，其最显著特点为反向恢复时间极短，正向导通门限电压和正向压降都比PN结二极管低。在本例中选择12SQ045型号的二极管。再把3个电池模块1串联起来构成一个完整的组件。图7为该组件的结构示意图。

实施例2

运用本发明的晶体硅太阳能电池组件设计结构，随机选取6.5英寸的2.75W、2.72W和2.69W的晶体硅电池片各24片，分别设为Ⅰ型晶体硅电池片3、Ⅱ型晶体硅电池片3和Ⅲ型晶体硅电池片3。

分别将这三类晶体硅电池片3每6片串联在一起形成一个电池子模块2，Ⅰ型晶体硅电池片、Ⅱ型晶体硅电池片和Ⅲ型晶体硅电池片各形成4个电池子模块2。

然后分别从Ⅰ型晶体硅电池片的4个电池子模块、Ⅱ型晶体硅电池片的4个电池子模块和Ⅲ型晶体硅电池片的4个电池子模块中各选取1个电池子模块2并联起来,共形成4个电池模块1；在每个电池模块1的两端并联一个旁路二极管4。

其中旁路二极管4要求为低功耗、超高速半导体器件，其最显著特点为方向恢复时间极短，正向导通门限电压和正向压降都比PN结二极管低。在本例中选择20SQ045型号的二极管。再将4个电池模块1串联起来构成一个完整的组件。图8就是该组件的结构示意图。

实施例3

为了验证本发明的晶体硅太阳能电池组件所设计结构的可行性，现通过Pspice软件仿真模拟了实施例1中两种不同类型的晶体硅电池片3串并联时组件的功率输出情况。在仿真时选取了两种不同类型的晶体硅电池片：

Ⅰ型（2.75W）：Isc=5.5A，Voc=0.6V，Im=5.2409A，Vm=0.52V；

Ⅱ型（2.69W）：Isc=5.5A，Voc=0.6V，Im=5.2345A，Vm=0.517V。

其中各参数的意义分别如下：

Isc：单个晶体硅电池片的短路电流；

Voc：单个晶体硅电池片的开路电压；

Im：单个晶体硅电池片的最大功率点电流；

Vm：单个晶体硅电池片的最大功率点电压。

）在正常情况下，将72片2.75W的晶体硅电池片3全串联，其最大输出功率为Pmax=198.052W，图1是仿真的结果曲线图。

图2是72片2.69W的晶体硅电池片全串联的仿真的结果曲线图，其最大输出功率为Pmax=193.716W。

各取36片2.75W和36片2.69W的晶体硅电池片3按照本发明的实施例1即图8的连接方式进行连接，模拟其功率输出，它的最大功率为Pmax=195.650W，图3是仿真的结果曲线图。

由上述图1至图3的3组仿真的结果可知，将不同类型的晶体硅电池片串并联之后其功率输出仍在正常范围之内，符合组件输出功率的要求，所以将不同类型的晶体硅电池片串并联混合使用的结构切实可行。

）当组件中有一晶体硅电池片被遮挡或者被损坏等异常情况时，使用Pspice软件来仿真模拟晶体硅电池片在出现异常时不同结构组件的功率输出情况。选取上述仿真中的Ⅰ型晶体硅电池片来仿真。将72片2.75W的晶体硅电池片串联起来，在正常工作时其最大输出功率Pmax=198.052W，即图1。

将72片2.75W的晶体硅电池片3按照实施例1的结构串并联起来，在正常工作时其最大输出功率Pmax=198.052W，其最大功率和串联时一样，图4是仿真的结果曲线图。

接下来假设其中的某一晶体硅电池片3出现阴影，设置其透光率为50%。由于阴影时该晶体硅电池片3不能正常工作，导致旁路二极管4正向导通，该组件的输出功率降低。图5是出现异常时72片2.75W的晶体硅电池片全串联结构的最大功率曲线图，其最大功率为Pmax=130.155W。

图6是在出现异常时72片2.75W的晶体硅电池片采用图8的串并联结构的最大功率曲线图，其最大功率为：Pmax=160.389W。

由上述仿真的结果可知，在出现异常情况时，传统的采用串联结构的组件中有较多晶体硅电池片都受该异常晶体硅电池片的影响，对整个组件的输出功率影响较大，而本发明因采用了串并联复合结构，当出现上述异常情况时，输出功率影响较小，即串并联结构比传统的串联结构的输出功率要大的多，说明了本发明的有益效果确实存在。

总之，本发明可以在一个组件中使用各种功率或者转换效率的晶体硅电池片，使得各类晶体硅电池片都能用于组件中，避免了传统的连接结构中只能使用同一类型的晶体硅电池片这一局限性。此外，在出现故障或阴影时，由于采用了串并联结构，组件功率的影响比传统组件要小。故本发明对整个太阳电池组件的设计有重要意义。

Claims

1.一种新型的晶体硅太阳能电池组件结构，其特征在于,它是由若干电池模块（1）串联而成，每个所述的电池模块(1)由若干个电池子模块(2)并联而成，每个所述的电池子模块(2)内部是由若干个尺寸相同、额定功率相同的晶体硅电池片(3)串联而成；所述组件结构内部，不同电池子模块(2)所包含的晶体硅电池片(3)数量相同，不同电池子模块(2)所包含的晶体硅电池片(3)的功率不完全相同。

2.根据权利要求1所述的一种新型的晶体硅太阳能电池组件结构，其特征在于,在每个电池模块(1)的两端并联有一个旁路二极管(4)。

3.根据权利要求1所述的一种新型的晶体硅太阳能电池组件结构，其特征在于, 对于不同电池子模块(2)，所有晶体硅电池片(3)的开路电压总和的差值≤0.2V。

4.根据权利要求2所述的一种新型的晶体硅太阳能电池组件结构，其特征在于,所述的旁路二极管（4）的耐压容量V应大于等于电池模块（1）最大反向工作电压的两倍，电流容量I应大于等于电池模块（1）最大反向工作电流的两倍，具体表述：V≥2×Voc×M，I≥2×N×Isc，其中Voc表示单个电池片（3）的开路电压，Isc表示单个晶体硅电池片（3）的短路电流，N表示每个电池模块（1）所包含的电池子模块（2）的个数，M表示每个电池子模块（2）中串联晶体硅电池片（3）的个数，Voc×M即电池模块最大反向工作电压，N×Isc即电池模块最大反向工作电流。