用于优化多结双侧光伏模块的寿命的方法和适于此方法的光伏模块或面板 |
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| 申请号 | CN202280056319.9 | 申请日 | 2022-07-06 | 公开(公告)号 | CN117897907A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 法国电力公司; 国家科学研究中心; 巴黎综合理工学院; 道达尔能源温泰奇公司; 法兰西岛光伏研究所; | 发明人 | 金-巴普蒂斯泰·皮尤埃尔; 阿瑟·朱利恩; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于双侧光伏模 块 的寿命优化的方法，所述双侧光伏模块包括至少一个多结堆叠，其中所述模块的第一侧在所述模块的称为第一寿命 位置 的 基础 位置中在所述模块的寿命开始时面向太阳，所述堆叠的第一结层位于所述第一侧下方，且所述多结堆叠的最后结层布置于所述模块的第二侧下方，所述最后结层接收所述模块下方的漫射和反射光并且还接收穿过所述堆叠的光的一部分，所述方法包括：‑测量(110)完整模块的输出功率PMC；‑计算(130)基于所述模块的称为第二寿命位置的翻转位置中的第一辐照度的所述模块的所述最后结层的估计输出功率PDC，其中所述模块的所述第二侧变为所述模块的上侧且所述模块的所述第一侧变为所述模块的下侧；‑将所述最后结层的所述估计输出功率PDC与当所述第一侧是所述模块的所述上侧时测得的所述完整模块的所述输出功率PMC进行比较(140)，以用于当所述基础位置中的所述完整模块的所述输出功率PMC变为小于所述模块的所述翻转位置中的所述最后结层的所述估计输出功率PDC时发出翻转(150)所述模块的建议。本发明还涉及适合于此方法的模块。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于双侧光伏模块(10、10′)的寿命优化的方法，所述双侧光伏模块包括至少一个多结堆叠(20、20′)，其中所述模块的第一侧在所述模块的称为第一寿命位置的基础位置中在所述模块的寿命开始时暴露于太阳，所述堆叠的第一结层(21)位于所述第一侧下方，且所述多结堆叠的双侧类型的最后结层(30)布置于所述模块的不暴露于太阳的第二侧下方，所述最后结层接收所述模块下方的漫射和反射光并且还接收穿过所述堆叠的光的一部分，其特征在于，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 用于优化多结双侧光伏模块的寿命的方法和适于此方法的光伏模块或面板 技术领域[0001] 本公开涉及一种多结双侧光伏模块，其意指包括电池的模块，所述电池包括结的堆叠，例如包括配备有第一堆叠结的子电池的堆叠，所述第一堆叠结中的放置于后部的最后一个结从前部和后部吸收光。 背景技术[0002] 当今，已到达工业级的多结模块技术由于其高成本而仅用于航天工业。多结模块在用于陆地设施(太阳能农场、屋顶、与构造集成等)的市场上尚未存在，所述陆地设施当前是用基于单晶、多晶或非晶硅电池的单侧或双侧模块制作。已部署许多研究和工业计划以用于使多结技术可用于且有益于几年内的常见用途(光伏农场、个人等)。用于改进这些解决方案的收益性的重要方面是增加其寿命。特定地研究由钙钛矿和硅结构成的多结电池以获得其良好性能。然而，钙钛矿电池当今具有的寿命小于传统的硅电池，所述钙钛矿电池可以与所述硅电池组合以便制作多结模块，且使用此类模块的面板并不具有经优化的寿命。 [0003] 技术问题 [0004] 在此多结模块中，两个结并联连接且光学地结合。由下部结吸收的光被上部结过滤。因此，当上部结降级时，其继续对下部结进行过滤，且除性能降低之外它还干扰此下部结的功能。此外，上部结随着其降级且变得越来越不透明而可能失去其过滤能力，从而进一步干扰下部结。 [0005] 此外，当今可能设计包括具有高双侧速率的结的电池：在结的后部处采集的光是以与在此结的前部处收集的光一样好的产率被转换。发明内容 [0006] 本公开提出一种方法，其目的是增加多结和包括多结的面板的寿命且给予其第二寿命。 [0007] 更精确地说，本公开涉及一种用于双侧光伏模块的寿命优化的方法，所述双侧光伏模块包括至少一个多结堆叠，其中所述模块的第一侧在所述模块的称为第一寿命位置的基础位置中在所述模块的寿命开始时暴露于太阳，所述堆叠的第一结层位于所述第一侧下方，且所述多结堆叠的双侧类型的最后结层布置于所述模块的不暴露于太阳的第二侧下方，所述最后结层接收所述模块下方的漫射和反射光并且还接收穿过所述堆叠的光的一部分，此方法包括： [0008] a.当所述模块的所述第一侧暴露于太阳时，测量所述模块的暴露于太阳的侧上的第一辐照度IRup和所述模块的不暴露于太阳的侧上的第二辐照度IRlow； [0009] b.测量来自完整模块的输出功率PFM； [0010] c.当所述第一侧是暴露于太阳的侧时计算个别地取得的所述多结堆叠的每个结层的估计输出功率PE1； [0011] d.计算随所述模块的称为第二寿命位置的翻转位置中的所述第一辐照度而变的所述模块的所述最后结层的估计输出功率PLL，其中所述模块的所述第二侧变为暴露于太阳的侧且所述模块的所述第一侧变为不暴露于太阳的侧； [0012] e.将所述最后结层的所述估计输出功率PLL与当所述第一侧是所述模块的暴露于太阳的侧时测得的所述完整模块的所述输出功率PFM进行比较； [0013] 以当所述基础位置中的所述完整模块的所述输出功率PFM变为小于所述模块的所述翻转位置中的所述最后结层的所述估计输出功率PLL时提供翻转所述模块的建议。 [0014] 本公开的方法用以延长光伏面板的寿命，所述光伏面板包括具有至少两个堆叠结的光伏模块，其中当模块的上部的光伏结的降级变得太大，同时下部结保持以足够产率可用时，上部结或上部结堆叠通过将其翻转而允许光谱的一部分朝向双侧类型下部结传递。 [0015] 在下文段落中提出的特性对应于可彼此独立或彼此组合地实施的实施例： [0016] 所述方法可以包括在基础位置中，来自所述结堆叠的估计输出功率P堆叠与在相同辐照度IRref下来自所述结堆叠的初始输出功率数据Pini的比较，以便确定所述结堆叠的降级。 [0017] 这用以改进当翻转是合意时的时间的确定。 [0018] 初始输出功率数据是在存储在模块的寿命开始时针对所述结的各种辐照度值获得的辐照度/所得功率对的先前步骤期间可获得的辐照度IRref/功率Pini对。 [0019] 这用以确定模块针对各种辐照度的产率。 [0020] 所述方法可以生成对操作者的警示停止，但有利地可以包括翻转模块的步骤。 [0021] 所述方法还可以包括监测来自所述翻转模块的产率的改进的周期以及随所述产率是否改进而变验证或不验证所述翻转的步骤。这可允许例如在第一模块或面板上测试翻转，然后进行太阳能农场的其它面板的翻转，以便限制操作的成本。 [0022] 本公开进一步涉及一种适合于所述方法的多结光伏模块，所述多结光伏模块包括所述模块的第一侧下方的第一结层和所述模块的第二侧下方的双面结的最后层的第一堆叠，其中所述第一层允许光谱的一部分朝向第二层传递，或所述多结光伏模块包括从所述第一侧开始具有减小带隙的多个结层的第二堆叠，其中第一层是所述模块的布置于所述第一侧下方的第一层，其中所述第二堆叠布置于所述模块的双面结的最终层下方且允许光谱的一部分从所述第一层朝向所述最后层传递，且所述多结光伏模块包括禁用装置，当所述模块在所述最后层暴露于太阳的翻转位置中时，所述禁用装置在除所述最后层外的所述层的输出端子中的至少一个处。 [0023] 所述禁用装置可用于避免在翻转之后已失去其效率且位于面板下方的电池对在翻转之后面对太阳的电池的操作的中断。 [0025] 所述层中的每一个的结可以连接成串联或串联/并联网络，以便实施每层具有两个输出端子的网络，其中所述串联/并联网络适合于当所述网络并联连接时并且当所述第一层暴露于太阳且所述最后层不暴露于太阳时平衡所述层中的每一个的电压。 [0026] 所述禁用装置可以由二极管构成，所述二极管插入于来自所述最后层的所述网络的输出端子与来自所述多结堆叠的所述一个或多个其它层的所述输出端子之间。此二极管被定向以便在面对太阳的位置中当其它层在此情况下位于最后层下方时阻挡电流从最后层的移动。 [0028] 所述模块优选地使得所述模块的所述层之间的相对老化特性使得通过翻转所述模块，所述最后层适合于当整个模块的随时间而变的产率曲线在面对太阳的位置中变为小于所述最后层的产率时递送大于所述整个模块的标称功率。 [0029] 本公开进一步涉及一种光伏面板，其包括至少一个例如上文所定义的光伏模块，且包括来自所述模块的上表面和下侧的所述一个或多个模块的网络的输出衬垫或触点。这简化了在两个安装方向上的面板的连接。 [0030] 面板可以包括包围所述模块的框架，其中所述框架具备具有翼形部的对称构型，所述翼形部从所述模块的厚度的两侧延伸以便作出低构型框架，所述低构型框架限制了当所述面板在基础位置时和当所述面板在翻转位置时由所述框架投射的阴影。以此方式，与初始位置相比，当在翻转位置中时框架的翼形部并不产生更多阴影。 [0031] 所述框架的翼形部有利地可以具备用于收纳接线盒的空间，所述接线盒适合于连接到所述模块的上侧上的所述输出衬垫或触点或连接到所述模块的下侧上的所述输出衬垫或触点，以便限制所述接线盒对所述面板的包括所述结的侧的部分的覆盖。如同基础位置中那样，这在翻转位置中再次限制了遮蔽现象。 [0033] 所述一对辐照度传感器可以位于所述面板的外侧上的臂上。 [0034] 本公开进一步涉及一种计算机程序，其包括用于在此程序由处理器执行时实施所述方法的指令。 [0036] 读者从以下对非限制性实施方案实例的详细描述以及附图的分析中将明了本发明的其它特性、细节和优点，在附图中： [0037] 图1A、图1B和图1C在垂直于模块的平面的截面中示出在寿命的三个阶段期间且根据第一实施例的模块的细节； [0038] 图1D在根据处于第一位置的模块的实施例的截面中示出模块的细节； [0039] 图2A示出根据本公开的过程步骤的第一序列图； [0040] 图2B示出根据本公开的过程步骤的第二序列图； [0041] 图3示出堆叠光伏结层的第一实例； [0042] 图4示出堆叠光伏结层的第二实例； [0043] 图5示出面板的第一实施方案； [0044] 图6示出处于其连接中的面板的第二实施方案。 具体实施方式[0045] 以下附图和说明含有可不仅用以较好地理解本发明而且在适当时有助于其定义的要素。 [0046] 多结光伏模块是包括电池的光伏模块，所述电池包括不同技术的结的两个堆叠层，称为串叠型电池，如文献US 9,287,431 B1中所描述，或包括结的多于两个层的堆叠，例如硅上的III‑V材料的多结电池的技术，例如GaInP/AlGaAs/Si。当最后的结层是双侧的时此光伏模块是双侧的，意指其包括双面结，所述双面结可以吸收由上部层过滤的和入射于后侧上的光。多结堆叠包括组合具有不同带隙的若干能量吸收材料的结的堆叠，例如由不同堆叠半导体材料构成的pn型的结，其中所述不同层适合于响应于从直接暴露于光的第一结层朝向最后的深结层具有增加波长的光谱的部分而产生电流。最后的双侧层随后响应于宽谱而通过其两个表面吸收光，这允许模块通过吸收穿过其暴露于太阳的表面和穿过堆叠的光，且通过吸收穿过其不暴露于太阳的接收所述漫射光(例如由地面反射)的表面的光来产生电力。 [0047] 对于此模块，暴露于直射日光的侧上的结的所述一个或多个层将比不暴露于太阳的前侧上的最后结层更快地降级。这特定地是归因于用于暴露于太阳的表面的高产率多结技术比传统硅技术更快地降级的电池技术，而且是由于暴露于直接来自太阳的光。本公开旨在即使当第一结层故障时也能利用最后结层的性能。为此，模块初始定位于称为“第一寿命位置”的基础位置，其中串叠型电池的第一层或多结层前侧暴露于太阳且双面结的最后层在不暴露于太阳的模块侧下方，并且接着模块被翻转且安装于称为“第二寿命位置”的翻转位置，其中双面结的层现在是暴露于太阳的前侧，且其它多结层随后优选地被去活。 [0048] 图1A到1C在垂直于模块的平面的截面中示意性地示出多结模块片段10。 [0049] 图1A中示出处于第一寿命位置的模块区段的截面。模块10包括由透明材料制成的第一侧1，其在所述第一寿命位置中面对太阳。多结堆叠20的第一结层21位于第一侧下方。堆叠包括随着远离第一侧而具有减小带隙的结层21、22、23、24，其中下部层吸收未被先前层吸收的增加波长。所述模块包括以透明材料制作的第二侧2，双面结的最终层30位于所述第二侧下方(通常，即使最后层的图式的定向示出于第二侧上方，也使用术语“其下方”)。最后结层30因此定位于堆叠20的最后层25与模块的第二侧2之间。 [0050] 在模块的寿命开始时，结的组产生电力，由+号表示，堆叠20的结层以在前侧上接收的光3产生电力，且双面结层30以穿过堆叠的光的部分以及从通过第二侧2在模块下方到达的例如漫射和反射光4的光产生电力。 [0051] 当堆叠20的结如图1B中所示降级时，由这些层产生的电力如‑号所示下降，而双面结的层30继续从在后侧上接收的光产生电力。 [0052] 这也适用于根据图1D的具备串叠型电池的模块10′，其中示出于第一寿命的初始位置的多结堆叠20′仅包括第一结层21′和第二最后结层30′。下文在表1中结合串叠型模块或面板的降级模拟实例给出对方法的关注，所述模块或面板意指在基础位置或第一寿命位置中在暴露于太阳的侧上包括允许光谱的一部分通过的第一结层且在不暴露于太阳的侧上包括双面结层的模块。此实例模拟了将模块或面板翻转是合意的时刻。 [0053] 在此模拟实例中，具有20％产率的堆叠的上部层或结(例如钙钛矿结层)的降级速率例如是每年约1.7％。具有21％产率的堆叠的下部层或子电池(例如硅结层)的降级速率例如是每年0.5％，且下部层具有高双侧速率。在此情况下，可估计如表1所示在某一数目的年的操作之后可能关注翻转模块位置，第二寿命位置，所述表给出当模块翻转且所述层面对太阳时上部结层的效率、下部结层的效率、两个层一起的效率和单独下部层的效率。 [0054] 此估计取决于考虑的子电池、在涉及的模块的真实条件下观察到的实际降级速率、双侧速率和其它参数。 [0055] [表1] [0056] [0057] 因此在第一寿命位置配置中的某个操作时间之后，关注于仅利用下部层且其性能保持完整以用于在第二寿命位置配置中转换暴露于太阳的表面上的光。在此配置中，堆叠的下部层随后定位于顶部上，使得其可有效地转换从暴露于太阳的侧接收的所有光；随后不再使用未暴露的侧上的反射光的贡献。 [0058] 在来自上表的实例中，变为翻转的第二寿命位置理论上从第26年开始是有利的。然而，随模块的实际使用条件而变，不可能仅基于理论降级速率来预测翻转模块是合意的时刻。 [0059] 此实例可针对具有双侧下部层的任何多结配置进行一般化。 [0060] 本公开提出一种用以确定模块或面板必须翻转的时刻的方法。所述方法使用在模块的前侧和后侧上接收的辐照度测量和基于所使用结技术的计算；本公开特定来说提出计算由层供应的电力和双面结层基础30在其为前侧的情况下将供应的电力，且确定何时翻转面板是有利的，以便变为图1C的翻转面板配置，其中双面结层30放置于暴露于太阳的前部，且因此优化模块或包括模块的面板的寿命。 [0061] 用于进行此做法的方法包括图2A中描述的步骤且特定来说包括： [0062] a.当第一侧是模块的在称为第一寿命位置的基础位置中暴露于太阳的侧时，测量100模块的暴露于太阳的侧上的第一辐照度IRup和模块的无阴影侧的第二辐照度IRlow。此测量将以包括模块10的面板40的前侧和后侧上的辐照度传感器50、51以及框架41来完成，例如图6中所示。 [0063] b.通过仍根据图6的包括模块10的面板的电压V的测量18和输出电流I的测量17完成测量110完整模块的输出功率PFM； [0064] c.当第一侧是模块的暴露于太阳的侧时计算120从多结堆叠个别地取得的每一层结的估计输出功率PE1；此计算将考虑结的物理特性，所述物理特性决定随辐照度而变从每一层返回的功率； [0065] d.计算130随模块的称为第二寿命位置的翻转位置中的第一辐照度而变的模块的所述最后结层的估计输出功率PLL，其中模块的第二侧变为暴露于太阳的表面且模块的第一侧变为不暴露于太阳的表面。此计算将考虑所述最后层的物理特性和暴露于太阳的表面的辐照度； [0066] e.将所述最后结层的所述估计输出功率与当第一侧是模块的暴露于太阳的侧时测得的完整模块的输出功率进行比较140。 [0067] 这些测量和计算允许步骤150当处于基础位置中的完整模块的输出功率变为小于在模块的第二寿命位置中所述最后结层的估计输出功率时发出翻转模块的建议。 [0068] 当方法已确定翻转模块是有利的时，例如当公园的面板的组或一部分将达到足够降级时可以完成或规划翻转160模块的步骤。 [0069] 本公开的方法用以改进在实际使用条件中何时翻转模块是合意的确定，这是从暴露于太阳的表面和不暴露于太阳的表面上的辐照度以及构成电池的结的物理特性是已知的时刻开始。 [0070] 为了改进在第一寿命位置中所述一个或多个上部层的劣化的估计且因此更好地界定何时翻转是合意的，可以做出来自所述结堆叠的估计输出功率P堆叠与用参考辐射IRref在预备步骤90中测得的来自结的初始输出功率数据Pini的比较，以便确定结的第一层的劣化，例如发起前述的估计计算。图2B示出此过程，其中步骤90是测量和存储随一个或多个参考辐照度IRref而变的一个或多个初始功率Pini，在测量来自完整模块的功率的步骤110之后，在步骤112中是测得的上部辐射IRup与参考辐射IRref的一致性的验证，在一致的情况下，进行计算堆叠的功率的步骤114，并且接着是堆叠的功率与初始功率Pini的百分比60％(根据实例而不是限制性的)的比较，以便启动是否需要翻转的计算。 [0071] 初始输出功率数据是在存储在模块的寿命开始时针对所述结的各种辐照度值获得的辐照度/所得功率对的先前步骤期间可获得的辐照度/功率对。 [0072] 所述方法可以接着包括监测来自翻转模块的产率的改进的周期165以及验证或不验证所述翻转的步骤170。如果产率未改进，则在此情况下可以通过用测得的产率或功率数据改变用于模块或面板的模型计算参数190而回到第一寿命位置中的配置。 [0073] 如果产率改进，则保持翻转和第二寿命位置配置180。 [0074] 模块是专门设计的，使得其可处于基础位置或者翻转且安装于第二寿命位置配置。为此，已经实施各种解决方案且在下文详细描述。 [0075] 如前所见，模块面板包括通过堆叠结层形成的电池，所述堆叠结层从第一侧开始具有减小的带隙，其中来自此堆叠的结允许光谱的一部分从上部层朝向下部层传递，且其中所述堆叠放置于模块的双面结的最终层上。 [0076] 根据来自图3的实例，来自各个层的结布置于不同表面积的子电池中，以便平衡每个层的输出电压以便能够将层并联连接。 [0077] 在此实施例中，模块包括双侧层300上的三个层210、220、230的堆叠，其中可以具有不同表面积的每一层的结21a、22a和23a连接成在用于通过层实施两端子输出网络的层附近的串联/并联网络11、12以及在层之间的并联网络13，使得所述串联/并联网络适合于当所述网络并联连接时并且当第一层面对太阳且最后层接收模块下方的反射光时平衡来自每一层的电压。 [0078] 如上根据本公开所见，模块的层之间的相对老化特性使得通过翻转模块，最后的层，双侧层适合于当整个模块的随时间而变的产率曲线在面对太阳的位置中变为小于最后层的产率时递送大于整个模块的标称功率。 [0079] 当模块被翻转且来自多结堆叠的所述一个或多个结不再产生电力时，需要避免双侧层的操作的中断。为此，根据实例，当模块被定位成最后层面对太阳放置时，用于禁用多结堆叠的层(所述最后层除外)的输出端子中的至少一个的装置在此处由二极管14构成。 [0080] 所述禁用装置也可以由可移除的条带或开关构成。 [0081] 图4示出通过其电气示意图示出的另一实施例，其中结21b、22b、23c和30c每层具有相同数目且在层中串联连接，且多结堆叠的层211、221、231通过连接13并联连接，且用于多结堆叠的层和双面结的层300的连接之间的二极管14用以通过输出端子15、16来禁用当翻转模块或面板时的非作用层及其连接。 [0082] 取决于使用的结技术，与图3和4的配置不同的配置是可能的，且特定来说模块可以包括堆叠于双面结层上的多于或少于三个结层，且堆叠于双面结层上的结的连接的布置和层中的结的连接的布置可以根据结的输出电压、使用的材料和制造方法而不同。 [0083] 图5以截面中的侧视图表示根据本公开的光伏面板40的实例，所述光伏面板具备包括结堆叠的一个或多个光伏模块10a、10b。面板包括一对辐照度传感器50、51以便测量用于所述方法的辐照度。所述一对传感器的传感器布置于面板的平面P的每一侧上且定位于面板的不具有结的部分上，以便减少遮蔽风险。这些传感器连接到计算构件，例如图6的构件60，以便允许方法计算辐照度且实施方法。 [0084] 再次，为了减少遮蔽现象而且减少当面板被翻转时框架的直接辐射，面板的框架41包括围绕面板的平面P对称的翼形部。类似地，为了允许通过下表面的面板的连接，面板包括用于模块的上表面15、16和下表面15′、16′上的网络的输出衬垫或触点。 [0085] 框架因此是低构型框架，其限制了当面板在第一寿命位置时和当面板在第二寿命位置时由框架投射的阴影。 [0086] 根据图5，框架41的翼形部41a、41b具备用于收纳接线盒42的空间，所述接线盒适合于连接到模块的上侧上的输出衬垫或触点，以及连接到模块的下侧上的输出衬垫或触点。这再次限制了所述接线盒对面板的包括结的侧的一部分的覆盖，且减少遮蔽面板的风险。 [0087] 接线盒连接到控制模块19，所述控制模块具备电流测量构件17和电压测量构件18以及计算构件：处理器、程序存储器、工作存储器和计算机程序，所述计算机程序包括用于当此程序由所述处理器执行时实施所述方法的指令，其中所述计算构件收纳或可以包括其上记录程序的非易失性计算机可读记录介质，所述程序用于当此程序由所述处理器执行时实施所述方法。 [0088] 在图6的实施例中，所述一对辐照度传感器50′、51′位于面板的外侧上的臂52上，其中传感器分别布置于面板的平面P的两侧上。此配置进一步限制了在第一寿命和第二寿命配置中遮蔽面板的所述一个或多个模块的风险。 [0089] 除了所述方法之外，本公开因此提出一种光伏系统、面板或模块，其可以根据模块的性能在两个配置中使用：第一寿命位置或第二寿命位置。其被设计成在两个配置中最优地操作以延长系统的寿命。 [0090] 本发明不限于仅作为实例的上文描述的实例，但其在所寻求的保护范围内涵盖所属领域的技术人员可以构想的所有变体，且举例来说，描述的面板可以定向于一个或两个旋转轴线上，以便根据在上表面和下表面上接收的辐照度来跟踪和优化面板的产率。 [0091] 鉴于应用或市场，本公开的方法以及模块和面板同样良好地适用于例如太阳能农场类型的地面太阳能设施以及例如屋顶上的光伏设施的在高处的设施，这表示额外的优点。 |
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