不同内连方式柔性CIGS光伏组件在立柱表面应用时性能

王 锐，尚铁炜，张 娟，钟大龙

(1.北京低碳清洁能源研究院，北京 102211；2.北京市纳米结构薄膜太阳能电池工程技术研究中心，北京 102211)

减少化石能源使用，大规模利用太阳能，是公认的减少社会碳排放的重要途径。光伏发电作为太阳能的直接利用方式，发展势头迅猛[1]。由于柔性光伏组件具有轻质、可卷曲和可贴合安装等得天独厚的优点，非常适合在光伏建筑一体化(building integrated photovoltaic,BIPV)、车辆集成光伏(vehicle integrated photovoltaic,VIPV)和光伏移动能源等曲面场合应用，如曲面建筑的表面、圆形立柱表面等。最新版地面用光伏组件标准IEC61215 已于2021 年2 月正式发布，其中首次规范性地提出了柔性光伏组件的定义、需满足的曲率半径、测试方法和相关要求[2]。可以预测，未来柔性光伏组件的应用会更加广泛。

当光伏组件在平面场合应用时，表面各区域朝向唯一，接受的太阳辐照度相同，内部串联在一起的各电池片的输出性能基本一致，组件整体的输出功率为内部各电池片输出功率之和。但当柔性光伏组件贴合到建筑曲面上应用时，组件本身会处于弯曲状态，表面各个区域的朝向和受光情况会存在差异，特别是当组件贴合到曲率半径较小的建筑物表面时，这种差异变大，导致组件内部各电池片的输出功率产生明显区别，串联在一起的各电池片的输出性能失配，进而使组件整体输出功率下降。

这种柔性组件在曲面上贴合应用时产生的新问题，目前行业内研究得还比较少。本文针对柔性CIGS 光伏组件在立柱表面贴合应用时产生的性能失配问题进行分析，建立了两种不同内连方式的组件模型和组件发电模型，通过实地测量立面上的太阳辐照强度和使用MATLAB/Simulink 模拟仿真，对两种内连方式的组件的全天发电性能进行对比研究。

1 现有柔性CIGS 光伏组件内连方式

目前量产高效的柔性CIGS 光伏组件使用不锈钢衬底进行制作，一般使用Roll to Roll 的生产技术，通过采用溅射、共蒸发和化学水浴沉积等镀膜工艺，在不锈钢衬底上沉积多层半导体薄膜制作出光伏电池器件，然后将不锈钢箔按既定的尺寸进行剪裁分割成电池片。组件封装时将多个电池片按行列排布，并进行串联或并联连接，形成组件内部电路[3-4]。根据组件内部电气连接方式的不同，可以分为串联型组件(S型)和并联型组件(P 型)，以包含两个列子电池串的组件为例进行说明。

串联型组件的内连方式如图1 所示。第1 列中前一个电池片的负极与后一个电池片的正极连接，第2 列中前一个电池片的正极与后一个电池片的负极连接，分别形成两个独立的、电流方向相反的列子电池串。在组件的尾部，使用汇流带将两个列子电池串进行连接，最终将组件内部所有的电池片串联到一起，形成一个串联电路。为了减小组件应用时由于热斑效应产生的功率损失，每个电池片并联一个反向偏置的二极管。并联型组件的内部连接方式如图2 所示。组件内部的电池片仅在列的方向进行串联，形成两个独立的列子电池串，然后两个列子电池串再进行并联，最终在组件内部形成2 串1 并的电路。

图1 串联型组件内连方式

图2 并联型组件内连方式

根据实际使用需求，两种内连方式的组件均可以设计不同的电池片数量，从而可生产出不同长度尺寸(2～6 m)和不同性能的组件产品。

2 柔性CIGS 光伏组件贴合到立柱表面时的状态分析

以柔性CIGS 光伏组件内部包含两个列子电池串，每个电池片长度尺寸210 mm 为例，分析当组件竖向贴合到ϕ1 000 mm 的建筑立柱表面上时的内部状态。可以想象，贴合后的组件和内部电池片会处于弯曲状态，两列子电池串处于同一圆周上的不同位置，各自的朝向产生了差异。

为了定量分析这种差异，我们使用电池片中心点切向平面的朝向近似代替列子电池串的朝向，以组件横向中心点的切向平面为参考平面。计算可得，第1 列子电池串的朝向偏左约12°，第2 列子电池串的朝向偏右12°，两列子电池串之间的朝向偏离了24°，如图3 所示。

图3 柔性CIGS光伏组件贴合在立柱表面状态分析(截面图)

这种朝向的差异，会引起两个列子电池串受光情况不再相同，不同列中电池片的输出性能不一致。对于串联型组件而言，串联在一起的两个列子电池串输出性能产生失配，进而最终影响组件的整体输出性能。这种影响会随着贴合建筑立柱曲率半径的减小而变大，而且也会随太阳照射角度和太阳高度的变化而变化。

同时也可以看出，在立柱表面贴合应用时，组件内部处于同一列中的各个电池片朝向是一致的，受光情况相同。对于并联型组件，由于不同列子电池串没有串联连接，因此不会产生列子电池串输出性能失配的问题。

3 仿真分析

为了验证内连方式的区别对组件最终输出性能的影响，在MATLAB/Simulink 建立两种不同内连方式组件的发电模型，并实际测量立面上不同列子电池串朝向的太阳辐照强度，将辐照强度数据输入至组件发电模型，模拟仿真对应辐照强度下两种组件的发电性能，进行对比分析。

3.1 太阳电池数学模型

太阳电池等效电路模型如图4 所示，包括：直流电流源Iph，为光生电流；二极管D，为PN 结等效二极管；并联电阻Rsh，由太阳电池的漏电流引起；串联电阻Rs，由电池的体电阻和金属导体电阻等组成[5-6]。

图4 太阳电池等效电路模型

上述等效电路中满足方程：

式中：Iph为光生电流；ID为二极管电流；Ish为并联电阻电流。每一项对应一个方程：

式中：G为太阳辐照强度，W/m2；Isc为太阳电池短路电流，A；ki为短路电流温度系数，%/℃；T为太阳电池温度，K；Tn为标准测试条件下的温度，298 K；q为单电子电量，1.602×10－19C；A为二极管品质因子；K为玻尔兹曼常数，1.38×10－23J/K；Ns为串联电池片数量；I0为二极管饱和电流，A，满足如下方程：

式中：Irs为反向饱和电流，A；Eg0为半导体材料带隙，eV；Voc为太阳电池开路电压，V。

3.2 组件模型搭建

MATLAB/Simulink 中包含了PV Array 模块，该模块是依据太阳电池等效电路建立，可通过设定电性能参数得到各种光伏方阵的模型。如果将柔性CIGS 光伏组件中的列子电池串看作一个特殊的光伏方阵，输入其对应的电性能参数，可得到列子电池串的模型，再采用不同的电气连接方式将两个列子电池串进行连接，即可得到两种内连结构组件的仿真模型。

假定列子电池串由20 个电池片串联而成，电池片长度为210 mm，电性能参数Voc=0.652 8 V，Isc=7.570 6 A，Vm=0.527 8 V，Im=6.502 9 A，不考虑电池片之间的差异，最终确定列子电池串电性能参数设定值见表1。

表1 CIGS列子电池串模型设定参数

为了确认组件模型的输出特性，分别在组件的输出端，连接可调节的压控电压源，对组件的IV 特性进行仿真测试。仿真过程中，实时监测回路内的电流和组件两端的电压，绘制组件的IV 曲线和PV 曲线。测试仿真模型结构如图5、图6所示。

图5 S型组件输出性能模拟仿真模型

图6 P型组件输出性能模拟仿真模型

在25 ℃、1 000 W/m2均匀辐照下，使用上述模型分别仿真测试了两种组件的IV 特性，得到组件IV 和PV 曲线，如图7所示。从图中可以看出，均匀辐照下，尽管两种内连结构组件的电压和电流参数不同，但组件的最大输出功率是一致的，均为两个列子电池串功率之和。

图7 两种内连结构组件的输出特性曲线

3.3 立面上太阳辐照强度的测量

假定柔性CIGS 光伏组件贴合到ϕ1 000 mm 的建筑立柱上，组件横向中心点的切向平面为正南朝向，测量这种情景时组件内部两列子电池串朝向立面上的太阳辐照强度。

辐照强度测量设备使用HT-IV525W 光伏组件户外测试仪，测量传感器选用单晶硅标准电池。测量地点为北京市昌平区未来科学城，坐标北纬40°7′48′′、东经116°28′12′′，时间为2022 年6 月5 日，晴朗少云天气，从早上6:00 至傍晚18:00，每隔1 h 测量1 次。记录太阳辐照强度数据如表2。

表2 太阳辐照强度测量数据 W/m2

由表2 可以看出，随着太阳照射角度的变化，立面上的辐照强度变化较大，两个列子电池串朝向立面上的太阳辐照强度产生了明显的差异。

3.4 组件发电模型的搭建

为了对比不同内连结构组件的发电量，搭建光伏组件发电仿真模型，其结构如图8 所示，包括光伏组件、MPPT 模块、PMW 模块、Boost 功率变换器和负载电阻。

图8 光伏组件发电仿真模型

其中光伏组件通过Boost 功率变换器给负载电阻供电，由MPPT 子模块和PWM 子模块对Boost 电路的控制脉冲占空比进行实时调节，这就相当于调节光伏组件输出侧的等效负载的大小，使等效负载与光伏组件的最大功率点对应的负载相同，即实现光伏组件实时输出最大功率。MPPT 的控制策略采用了扰动观察法[7]，基本思路是不断扰动调节光伏组件工作点的位置，根据扰动前后光伏组件的输出功率和输出电压的变化来确定下一步的扰动方向，最终找到组件的最大功率点。扰动观察法具有容易实现，控制思路清晰等优点。

3.5 模拟仿真结果

基于测量的立面太阳辐照强度数据和光伏组件发电模型，对两种组件全天输出性能进行模拟仿真。模型中参数设置如表3 所示。

模拟过程中，设定组件温度固定在45 ℃不变，太阳辐照强度每间隔1 s 进行变化，用以模拟两种组件全天的实际发电输出功率曲线，仿真结果如图9 所示。

图9 南向贴装组件功率输出对比

由于模拟输入的太阳辐照强度为表2 中的实测数据序列，且假定在测量间隔期间的辐照强度保持不变，这样相邻辐照强度值存在明显差异，导致模拟结果中组件输出功率在整秒时刻处发生跳变。结合全天太阳辐照强度先升后降变化的自然规律，分析图9 模拟结果与光伏组件实际全天输出功率特性差异：在整秒时刻跳变后模拟所得的输出功率值与实际情况是一致的；在其他非整秒时刻，由于假定了测量间隔期间的辐照强度不变，模拟结果与实际光伏组件输出特性存在偏差，具体为模拟结果功率值上午偏小，下午偏大，但这种偏差趋势对两种结构组件的影响是相似的，对两种组件最大输出功率和发电量的对比分析影响不大。

从图9 各时段组件的最大输出功率可以看出，由于组件内部电流失配问题的影响，S 型组件的最大输出功率比P 型组件要低一些。特别是在上午8：00 至11：00 和下午13：00 至16：00 时间段内，这种差距非常明显。

使用图9 中各时段最大输出功率值与1 h 的乘积来近似估算组件在各时段的发电量，并汇总求和估算出组件的全天发电量，对两种内连方式组件的发电量进行定量分析。经过计算，S 型组件全天发电量为188.5 Wh，P 型组件全天发电量为246.4 Wh，P 型组件的发电量比S 型组件高30.7%。

4 结论

本文对柔性CIGS 光伏组件在立柱表面贴合应用进行状态分析，在MATLAB/Simulink 中搭建了组件模型和组件发电模型，结合北京地区仲夏季立面上的太阳辐照强度数据，对组件全天发电进行模拟仿真。研究结果表明，在立柱表面贴合应用时，选用不同内连结构的柔性CIGS 组件，组件的输出性能存在明显差异；与串联型组件相比，并联型组件由于改善了组件内部列子电池串输出性能失配问题，具有更优越的性能输出。