晶硅光伏组件的最佳设计技术

前言

晶体硅电池是光电转化的核心器件，但是由于单片电池片的电压、电流、功率有限，所以要将电池片串并联起来，使它具有满足用电设备和工业化用电要求的电压、电流、功率。但是，由于晶体硅电池物理脆性，容易碎裂，因此需要将电池片封装，做成组件进行保护。

晶硅光伏组件主要分为：

常规组件（组成：玻璃、EVA、晶硅电池、背板、铝框、接线盒等）；

透明组件（组成：玻璃、EVA、晶硅电池、透明背板、铝框、接线盒等）；

双玻组件（组成：玻璃、PVB、晶硅电池、玻璃背板、接线盒等）；

无框组件（没有铝框的常规组件和透明组件）；

组件的设计主要考虑三点：

物理电学性能

组件的功率大小，尺寸，承载、安装等要求。物理电学性能需要满足IEC61215和IEC61730或UL1703。

使用的环境

针对组件使用的环境不同，需要特殊化设计，例如：

组件用于沿海或海岛地区，那么组件需要具有耐盐雾、防腐蚀的性能。此时，组件需要满足IEC61701的标准要求。

针对农业地区，需要组件具有抗氨气腐蚀的能力，组件需要满足IEC62716的标准。

性价比最佳化

组件的设计需要兼顾组件的性能和成本，使得组件的性价比达到最佳化。

透明组件

透明组件的用途

透明组件根据设计不同，可以得到不同的透光率，所以透明组件广泛的应用于屋顶及光伏建筑一体化（BIPV）等。

实验设计

2.1 设计前言

首先透明组件的原材料必须符合材料符合组件工厂材料导入的标准，材料测试符合性能质量要求，参考标准可以根据原材料的规格书、认证信息，以及工厂根据IEC61215或UL1703演化而来的原材料测试。

其次，由于透明组件涉及变量较多（如尺寸、透光率、电池片功率、电池片数量、物料价格成本、人工成本、制造成本等），因此这里化归处理，考虑透光率、成本(元/W)，以及曲线图中过原点的直线的最大斜率=透光率/(元/W)。

透光率=｛1-（电池片面积*电池片数量）/组件面积｝×玻璃透光率×透明背板透光率。

成本（元/W）=（电池片+其它物料成本）/组件瓦数。

最大斜率=透光率/(元/W) --------过曲线与原点的直线的最大斜率。

透明组件的物料组成如表1所示。

表1 透明组件的物料组成

2.2电池片功率数量一定，其它不定，确定最佳性价比

任意组件，当电池片数量、功率一定，随着组件尺寸的增大，透光率将增大，成本相应增加。以透光率与成本（元/W）为坐标轴作图可以得到最佳的性价比的点。下面分析引出以透光率与成本（元/W）之间的关系图。

分析如下：

组件透光率Z与组件的面积变化率X之间的关系

Z=｛1-（电池片面积*电池片数量）/组件面积（1+X）｝×玻璃透光率×透明背板透光率。

令：（电池片面积*电池片数量）/组件面积=a
 
玻璃透光率×透明背板透光率=b

所以，Z=｛1- a/（1+X）｝b, 其中，a,b>0,且为常数,Z>0，X≥0。

对组件透光率Z与组件的面积变化率X作趋势图，如图1所示：

图1 组件透光率Z与组件的面积变化率X的趋势图

组件成本C（元/W）与组件的面积变化率X之间的关系

C=｛（电池片+接线盒+条形码+标贴+其它物料成本（1+X）｝/组件瓦数
 
 =（电池片+接线盒+条形码+标贴）/组件瓦数 +｛其它物料成本（1+X）｝/组件瓦数

令：A=电池片+接线盒+条形码+标贴）/组件瓦数

B=其它物料成本/组件瓦数

所以，C=A+B(1+X)，其中X>0,A>0,B>0，AB均为常数，

对组件成本C（元/W）与组件的面积变化率X之间的关系作趋势图，如图2所示：

图2 组件成本C（元/W）与组件的面积变化率X的趋势图

由图2可见，随着X的增大，C也线性增大。

以透光率与成本（元/W）为坐标轴作图。

根据图1，图2，做出组件透光率和成本之间的关系图3。

图3组件透光率与组件成本（元/W）的关系图

由图3可见，在Q点位置，经过原点的直线的斜率最大，即透光率/成本的值最大，性价比最佳。

组件透光率与组件成本（元/W）的关系图，对所有透明组件应该具有普适性。

2.3组件透光率、型号一定，电池片功率不定，确定最佳性价比

当组件透光率确定后（电池片的数量和组件尺寸也确定），此时变化电池片的功率，研究成本（元/W）和透光率的变化趋势，确定最佳的性价比。

C成本（元/W）=（电池片+其它物料成本）/组件瓦数
             =电池片/组件瓦数 + 其它物料成本/组件瓦数

令：a=电池片/组件瓦数---定值

b=其它物料成本/组件瓦数, 由于其它物料成本不变，所以随着组件瓦数的增加，b值减小。即C减小，而透光率不变。

如图4所示，

图4 透光率与成本之间的关系图

由图4可见，当电池片的功率增加时，组件的功率增加，C（元/W）减小，透光率不变，性价比增加。

因此，提高电池片功率，有利于提高性价比。

2.4透光率、电池片型号一定，组件大小不定，比较性价比

在电池片功率型号一定，透光率一定，电池片数量不同的情况下，比较大组件和小组件之间性价比（透光率/成本（元/W））的变化趋势。

成本C=（电池片+接线盒+条形码+标贴+其它物料成本）/组件瓦数
     =（接线盒+条形码+标贴）/组件瓦数 + （电池片+其它物料成本）/组件瓦数

令：a=（接线盒+条形码+标贴）/组件瓦数
    b=（电池片+其它物料成本）/组件瓦数

即成本C= a+b

其中，a 随着组件的功率增大，而减小。b 基本不变。 所以，在电池片功率型号一定，透光率一定，电池片数量不同的情况下，大组件性价比（透光率/成本（元/W））高于小组件性价比。

2.5透光率、尺寸、功率相同、比较单多晶组件性价比

当单晶和多晶组件的尺寸、透光率、功率相同的情况下，由于多晶的价格低于单晶的价格，因此，多晶组件的性价比高于单晶组件的性价比。

结语

任意透明组件，当电池片规格数量一定，随着组件尺寸的增大，透光率将增大，成本相应增加。以透光率与成本（元/W）为坐标轴作图可以得到最佳的性价比的点。

当组件透光率、电池片数量、组件尺寸一定，电池片功率越大，组件的性价比越高（透光率的变化趋势/成本（元/W））。

当电池片功率型号一定，透光率一定，电池片数量不同的情况下，大组件性价比（透光率/成本（元/W））高于小组件性价比。

当单晶组件和多晶组件的尺寸、透光率、功率相同的情况下，多晶组件的性价比高于单晶组件的性价比（透光率/成本（元/W））。

常规组件

常规组件的原材料必须符合材料符合组件工厂材料导入的标准，材料测试符合性能质量要求，参考标准可以根据原材料的规格书、认证信息，以及工厂根据IEC61215或UL1703演化而来的原材料测试。或特殊要求的，如针对沿海地区或海岛，组件要满足防盐雾IEC61701的标准要求。针对农业地区，组件需要满足抗氨气腐蚀IEC62716的标准。

常规组件的性价比：成本/功率即元/W。

电池片数量一定，组件尺寸一定，随着电池片功率的增加，组件的性价比增加。

电池片型号一定，电池片数量不定。随着组件尺寸的增加，性价比（元/W）增加。

单晶组件和多晶组件，尺寸、功率相同，多晶组件性价比高于单晶组件性价比（元/W）。

无框常规组件

性价比（元/W）规律与常规组件相同。

无框透明组件和双玻组件

性价比（透光率/成本（元/W））规律与透明组件相同。

组件图纸设计及实验流程

以上组件在进行性价比的规律确定后，进行实际设计及实验。

如图5所示：

结论

本文重点分析了常规组件、透明组件、无框组件（常规和透明）、双玻组件的设计流程中的前期最佳的性价比设计，该设计中充分结合了成本的核算。

当最佳性价比设计设计完成后，进入后续的常规流程即：原材料检测、工业设计组件的图纸、整理BOM表、制作组件、对组件样品进行相关的IEC/UL标准实验检测、小批量实验、价格制定、认证宣传、正式量产。

可以根据客户的定制，定制的组件可以参考最佳性价比的设计，进行对比。