CN113594281A - 一种抗热斑光伏发电玻璃及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗热斑光伏发电玻璃及制作方法，该光伏发电玻璃包括若干光伏电池单元，所述光伏电池单元分为若干组，同组光伏电池单元串联后与其他组光伏电池单元并联。具体地，包括若干平行的常规刻线，还包括与若干与常规刻线垂直的抗热斑线。通过在激光刻蚀抗热斑线的方法来形成多个光伏电池单元组并联形式。将现有的光伏发电玻璃多节子电池串联的形式改为多个光伏电池单元组并联形式，降低流经光伏电池单元组的电流，使其在被遮挡后产生的热量也交底，从而降低自燃的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够抗热斑的光伏发电玻璃以及制造该玻璃的方法。
背景技术
光伏建筑一体化，是应用太阳能发电的一种新概念，简单地讲就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。BIPV作为庞大的建筑市场和潜力巨大的光伏市场的结合点，必将存在着无限广阔的发展前景。可以预计，光伏与建筑相结合是未来光伏应用中最重要的领域之一，其发展前景十分广阔，并且有着巨大的市场潜力。建筑物空气温度调节消耗着大量的能量。在我国，它要占到建筑物总能耗的约70％。用空调机和燃煤来控制室温不仅消耗能量，带来外界的环境污染，而且并不能给室内人员带来健康的环境(虽然暂时它是舒适的)。因此，建筑供能的主动与被动相结合的思想及太阳能与常规能源相结合的思想。按照房间的功能，采用不同方案的配合及交叉，这样可以大大降低太阳能用于建筑供能的一次投资和运行成本，使得整个方案在商业化的意义下具有可操作性。随着新能源的不断发展和城市节能减排、绿色环保需求的日益增加，太阳能光伏建筑一体化越来越成为太阳能应用发电的新潮流。
光伏建筑一体化有很多优势，但由于应用中的安全问题至今导致应用难以普及，在2014年和2016年，欧盟和美国分别通过立法，强制要求屋面光伏发电设施必须装设智能关断器。分别设置的最高电压为60和80v。2020年中国通过《建筑光伏一体化技术规程》也参考美国标准提出了80V的故障关断要求，但由于并非强制性标准，仍未在中国引起充分重视，究其根本原因，光伏组件在建筑应用时，抗遮挡能力弱，导致的安全隐患极大。
现在的光伏建筑一体化应用时，大多采用的是所有组件的接线盒内部并联二极管，这种做法对于整片的组件遮挡有一定的效果，即整片组件被遮挡后，二极管会旁路整个组件，但这种做法会降低系统的整体输出，而且增加了二极管的成本，同时对于小面积的遮挡也没有任何效果。还有的晶硅组件，在每一个小电池片上并联一个小的肖特基二极管，但这样做增加了工艺的复杂性同时也极大的增加了组件的成本，所以对于推广光伏建筑一体化，亟须解决应用安全问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种抗热斑光伏发电玻璃及制作方法，提高光伏发电玻璃的抗遮挡性从而提高其使用的安全性。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种抗热斑光伏发电玻璃，包括若干光伏电池单元，所述光伏电池单元分为若干组，同组光伏电池单元串联后与其他组光伏电池单元并联。本发明的原理在于将现有的光伏发电玻璃多节子电池串联的形式改为多个光伏电池单元组并联形式，降低流经光伏电池单元组的电流，使其在被遮挡后产生的热量也交底，从而降低自燃的可能性。
作为一种改进，包括若干平行的常规刻线，还包括与若干与常规刻线垂直的抗热斑线。通过在激光刻蚀抗热斑线的方法来形成多个光伏电池单元组并联形式。
作为一种改进，所述抗热斑线刻蚀穿窗口层、光吸收层、背电极。
作为一种优选，相邻抗热斑线之间的间距相等。使其分割出来的光伏电池单元相同。
作为一种优选，所述常规刻线沿光伏发电玻璃宽度方向延伸；所述抗热斑线沿光伏发电玻璃长度方向延伸并贯穿光伏发电玻璃。
作为一种优选，所述光伏玻璃为碲化镉光伏发电玻璃。
本发明还提供一种抗热斑光伏发电玻璃的制造方法，包括以下步骤：将光伏发电玻璃分割成若干串联的子电池；将分割好子电池分割成若干组光伏电池单元，同组光伏电池单元串联后与其他组光伏电池单元并联。
作为一种改进，将光伏发电玻璃分割成若干子电池包括以下步骤：进行常规刻线，图形化背电极形成P1刻线；图形化光吸收层形成P2刻线；图形化窗口层形成P3刻线，所述常规刻线相互平行。
作为一种改进，将子电池分割成光伏电池单元包括以下的步骤：在形成常规刻线的光伏发电玻璃上刻蚀抗若干热斑线；所述抗热斑线穿窗口层、光吸收层、背电极；抗热斑线与常规刻线垂直；相邻抗热斑线之间的间距相等；并且抗热斑线贯穿光伏发电玻璃。
作为一种改进，所述光伏发电玻璃在刻蚀抗热斑线后提升的功率如下公式：
R1＝ρL/2r1(ThicknessCdTe+ThicknessCdS)
R2＝[ρL/2r1(ThicknessCdTe+ThicknessCdS)]/n
P1＝(R1-R2)Px-Wd(n-1)Pw/L
其中，R1为光伏发电玻璃常规刻线(常规刻线)后的电阻；R2为光伏发电玻璃刻蚀抗热斑线后的电阻；n为光伏电池单元组的数量；ρ为材料的电阻率；L为光伏发电玻璃的长度；Wd为热斑线的宽度；ThicknessCdTe为吸收层的厚度；ThicknessCdS为窗口层的厚度；P1为降低电阻减去热斑线损耗后的提升功率；Px为降低电阻可提升的功率；Pw为光伏发电玻璃正常功率；r1为常规刻线的线宽。
本发明的有益之处在于：
1)把发电玻璃设计为通过激光实现多节并联形式，让由于刻蚀引起的损耗低于电阻降低提升的功率，从而不降低组件整体输出效率。
2)可以使得电流流经子串电池很小，即使有局部或大部分遮挡，发热功率P1(I2R)也比较低，降低安全风险。
3)可以有效的取消旁路二极管，即很多子串电池并联，成本降低的同时即使其中的子串出现遮挡，对其他子串不影响，同时由于子串电流小，对于整片组件输出影响也较小，系统的短板效应影响小，所以降低了系统输出影响。
4)设计的此结构在系统应用中，组件无论是否遮挡，温度均匀，不会出现局部高温等情况；
5)组件不会产生由于温度不均匀的颜色变化，对建筑美观性也不影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的等效电路图。
图3为实验1的结果图。
图4为实验2的结果图。
图5为实验3的结果图。
图6为实验4的结果图。
图中标记：1光伏电池单元、2光伏电池单元组、3常规刻线、4抗热斑线。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
当光伏发电玻璃被遮挡时，被遮挡处相当于电阻，流经此处的电流会持续让电池发热，如果电流较大的话，热量累计到一定程度会导致裂片燃烧等风险。现有的解决办法是在光伏发电玻璃组件的接线盒内部并联二极管，这种做法对于整片的组件遮挡有一定的效果，即整片组件被遮挡后，二极管会旁路整个组件。但并联二极管的做法也会带来以下弊端：
1)单一接线盒内部增加二极管，不能完全的解决遮挡带来的热斑效应，同时会降低系统的输出效率；
2)每片硅片芯片上增加肖特基二极管，成本高，工艺复杂，不利于应用；
3)由于组件系统应用时，电路电流都很大，一旦局部遮挡，热积累后组件容易着火，所以建筑应用安全风险大；
4)如果出现二极管失效或者二极管长时间处于工作状态，都会存在起火的风险；
5)系统应用中，受遮挡后，组件的温度差异很大，可能导致组件破裂，破裂后水汽侵入，有起火的风险。
6)普通组件在遮挡后，由于局部高温，会导致膜层颜色变化，不利与建筑美观性。
为了改善上述弊端，如图1、图2所示，本发明提供一种抗热斑光伏发电玻璃，本实施例中该发电玻璃为碲化镉发电玻璃，其包括若干光伏电池单元1，所述光伏电池单元分为若干组，同组光伏电池单元1串联后与其他组光伏电池单元并联。具体地，发明提供的抗热斑光伏发电玻璃包括若干平行的常规刻线3(P1刻线、P2刻线、P3刻线)，还包括与若干与常规刻线3垂直的抗热斑线2。
光伏电池单元1是由现有光伏发电玻璃上串联的子电池分割而来的。光伏发电玻璃上原本具有若干平行的常规刻线3，从而形成若干串联的子电池。然后通过在光伏发电玻璃上刻蚀若干与常规刻线3垂直的抗热斑线4，从而将串联的子电池分割为若干光伏电池单元1，并且分割后光伏电池单元1分为若干组形成若干光伏电池单元组2，同组光伏电池单元1串联后与其他组光伏电池单元1并联。
抗热斑线1刻蚀穿光伏发电玻璃的窗口层、光吸收层以及背电极。相邻抗热斑线4之间的间距相等，相邻常规刻线3之间的间距也相等，这样才能分割出大小相等的光伏电池单元1。另外本实施例中，所述常规刻线3沿光伏发电玻璃宽度方向延伸；所述抗热斑线4沿光伏发电玻璃长度方向延伸并贯穿光伏发电玻璃。
本发明还提供一种抗热斑光伏发电玻璃制造方法，包括以下步骤：
S1将光伏发电玻璃分割成若干串联的子电池；具体地，进行常规刻线，首先图形化背电极形成P1刻线；然后图形化光吸收层形成P2刻线；最后图形化窗口层形成P3刻线，所述常规刻线相互平行。
S2将分割好子电池分割成若干组光伏电池单元，同组光伏电池单元串联后与其他组光伏电池单元并联。具体地，在形成常规刻线的光伏发电玻璃上刻蚀抗若干热斑线；所述抗热斑线穿窗口层、光吸收层、背电极；抗热斑线与常规刻线垂直；相邻抗热斑线之间的间距相等；并且抗热斑线贯穿光伏发电玻璃。
虽然抗热斑线的数量越多，分成的光伏电池单元组的数量就越多，整个光伏发电玻璃的总电阻就越小。而在总电压恒定的前提下，单个光伏电池单元组上流经的电流就越小，发热量(I2R)也自然更小。同时电阻小后整体输出功率也会提升。但由于刻蚀抗热斑线要损失光伏发电玻璃的面积(损失功率)，因此也不能无止境的增加抗热斑线的条数，而需在功率上找一个平衡点。
光伏发电玻璃在刻蚀抗热斑线后提升的功率如下公式：
R1＝ρL/2r1(ThicknessCdTe+ThicknessCdS)
R2＝[ρL/2r1(ThicknessCdTe+ThicknessCdS)]/n
P1＝(R1-R2)Px-Wd(n-1)Pw/L
其中，R1为常规光伏发电玻璃的电阻；R2为光伏发电玻璃刻蚀抗热斑线后的电阻；n为光伏电池单元组的数量；ρ为材料的电阻率；L为光伏发电玻璃的长度；Wd为热斑线的宽度；ThicknessCdTe为吸收层的厚度；ThicknessCdS为窗口层的厚度；P1为降低电阻减去热斑线损耗后的提升功率；Px为降低电阻可提升的功率；Pw为光伏发电玻璃正常功率；r1为常规刻线的线宽。
由以上公式可见，n光伏电池单元组的数量越大，R2光伏发电玻璃刻蚀抗热斑线后的电阻就越小。降低电阻后输出功率也会增加。但增加抗热斑线后，光伏发电玻璃的工作面积损失，使得功率又会下降。因此在几个常数确定的前提下，可以根据上述公式找到一个平衡点。
以下通过几个实验来验证本发明的中光伏发电玻璃的性能。
实验1如图3所示，通过模拟和实际测量，多串并联电池与普通电池相比，多串电池并联结构击穿电压在1～2V，普通电池在3V左右，多串电池有更低的击穿电压，应用时受遮挡后更容易击穿，所以应用更安全。
实验2如图4所示，通过模拟和实际测量，多串并联结构在组件受遮挡后，组件的输出功率影响比较小。
实验3如图5所示，本发明中的光伏发电玻璃在应用时，温度均匀，不会出现热斑现象。
实验4如图6所示，通过模拟计算和实际测量，取消二极管后，结果表明，多串并联结构的电池，不带旁路二极管的模块在热点测试中是安全的。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种抗热斑光伏发电玻璃，其特征在于：包括若干光伏电池单元，所述光伏电池单元分为若干组，同组光伏电池单元串联后与其他组光伏电池单元并联。
2.根据权利要求1所述的一种抗热斑光伏发电玻璃，其特征在于：包括若干平行的常规刻线，还包括与若干与常规刻线垂直的抗热斑线。
3.根据权利要求2所述的一种抗热斑光伏发电玻璃，其特征在于：所述抗热斑线刻蚀穿窗口层、光吸收层、背电极。
4.根据权利要求2所述的一种抗热斑光伏发电玻璃，其特征在于：相邻抗热斑线之间的间距相等。
5.根据权利要求2所述的一种抗热斑光伏发电玻璃，其特征在于：所述常规刻线沿光伏发电玻璃宽度方向延伸；所述抗热斑线沿光伏发电玻璃长度方向延伸并贯穿光伏发电玻璃。
6.根据权利要求1所述的一种抗热斑光伏发电玻璃，其特征在于：所述光伏玻璃为碲化镉光伏发电玻璃。
7.一种抗热斑光伏发电玻璃的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
将光伏发电玻璃分割成若干串联的子电池；
将分割好子电池分割成若干组光伏电池单元，同组光伏电池单元串联后与其他组光伏电池单元并联。
8.根据权利要求7所述一种抗热斑光伏发电玻璃的制造方法，其特征在于，将光伏发电玻璃分割成若干子电池包括以下步骤：
进行常规刻线，
图形化背电极形成P1刻线；
图形化光吸收层形成P2刻线；
图形化窗口层形成P3刻线，所述常规刻线相互平行。
9.根据权利要求8所述的一种抗热斑光伏发电玻璃的制造方法，其特征在于，将子电池分割成光伏电池单元包括以下的步骤：在形成常规刻线的光伏发电玻璃上刻蚀抗若干热斑线；所述抗热斑线穿窗口层、光吸收层、背电极；抗热斑线与常规刻线垂直；相邻抗热斑线之间的间距相等；并且
抗热斑线贯穿光伏发电玻璃。
10.根据权利要求9所述的一种抗热斑光伏发电玻璃的制造方法，其特征在于，所述光伏发电玻璃在刻蚀抗热斑线后提升的功率如下公式：
R1＝pL/2r1(ThicknessCdTe+ThicknessCds)
R2＝[ρL/2r1(ThicknessCdTe+ThickneSsCds)]/n
P1＝(R1-R2)Px-Wd(n-1)Pw/L
其中，R1为常规光伏发电玻璃的电阻；R2为光伏发电玻璃刻蚀抗热斑线后的电阻；n为光伏电池单元的组数；ρ为材料的电阻率；L为光伏发电玻璃的长度；Wd为热斑线的宽度；ThicknessCdTe为吸收层的厚度；ThicknessCds为窗口层的厚度；P1为降低电阻减去热斑线损耗后的提升功率；Px为降低电阻可提升的功率；Pw为光伏发电玻璃正常功率；r1为常规刻线的线宽。
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