李世民，喜文華

（甘肅省科學(xué)院自然能源研究所，蘭州730000）

隨著太陽能電池的廣泛應(yīng)用，一些影響光伏組件發(fā)電性能及其壽命的不利因素也隨之出現(xiàn)，熱斑就是其中之一。目前很多學(xué)者認(rèn)為光伏組件上的熱斑是由于光伏組件被局部遮陰引起的，而根據(jù)實(shí)際觀察，即便是建設(shè)在毫無任何遮攔的大漠光伏電站組件，熱斑現(xiàn)象也十分普遍。光伏組件上的熱斑對光伏組件的發(fā)電和壽命都有較大的影響。光伏電池的熱斑效應(yīng)是一個(gè)能嚴(yán)重破壞太陽能組件中太陽能電池，并影響組件的發(fā)電性能。

1 熱斑形成的原因和機(jī)理

光伏電池上的熱斑形成有先天性電池間微小差異和后天性由于遮陰等原因造成的［1］。

由于光伏電池在生產(chǎn)過程中的微小差異，導(dǎo)致每一片光伏電池的輸出特性會(huì)有所不同。一塊光伏組件通常是由幾十片光伏電池串聯(lián)而成的，雖然理論上一個(gè)組件內(nèi)的每一片電池的輸出性能都應(yīng)該是基本相同的，但是在實(shí)際組裝太陽能光伏組件的過程中，同一組件電池片還是會(huì)有一定的差異，即便是在同一批生產(chǎn)的光伏電池片之間仍會(huì)有稍微差異 。

光伏熱斑形成的另一個(gè)重要原因是被云、樹葉、鳥糞或其他物體遮擋。由于照射在遮陰電池上的光照強(qiáng)度明顯與相鄰電池不同，其溫度將明顯高于相鄰那些未被遮擋的部分。

光伏電池間的微小差異或被遮陰，導(dǎo)致該電池的特性在串接電路中與整體不協(xié)調(diào)（失諧）。失諧的電池不但對組件輸出貢獻(xiàn)較低，或者沒有貢獻(xiàn)，而且會(huì)消耗其他電池產(chǎn)生的能量，導(dǎo)致局部過熱，這種現(xiàn)象稱為熱斑效應(yīng)。這些有問題的光伏電池處于開路、短路或典型負(fù)載等不同工作狀態(tài)時(shí)，由于光伏電池中流過的電流和內(nèi)阻均有變化，其溫度也有所不同。

2 熱斑對發(fā)電陣列的影響

太陽能光伏電池的等效電路見圖1，其中Iph為恒電流，D為PN結(jié)二極管，Id為流過二極管D的電流，Rs是光伏電池內(nèi)部串聯(lián)電阻，Rsh是并聯(lián)電阻［2］，RL為負(fù)載電阻。

圖1 光伏電池的等效電路

太陽能電池的輸出電流為：

式中：V為輸出電壓。

一個(gè)光伏組件一般由幾十片光伏電池串聯(lián)而成（見圖2），當(dāng)其中某個(gè)電池被遮陰時(shí)，該光伏電池Iph＝0，而該電池的等效二極管D處于反向狀態(tài)，串接電路中相鄰電池所發(fā)出的電力不得不通過組件內(nèi)部電阻Rsh和Rs向外輸出，在該光伏電池內(nèi)部電阻將消耗相鄰光伏電池發(fā)出的電力，并導(dǎo)致該電池片發(fā)熱，其消耗的功率最大將達(dá)到

式中：P為被遮光電池消耗的功率；I為流過的電流。

圖2 光伏組件工作示意圖

假設(shè)組件內(nèi)的某個(gè)電池片被完全遮陰，該電池片將起不到任何發(fā)電的作用，這個(gè)電池片就相當(dāng)于一個(gè)電阻（Rsh＋Rs），該電池片在電路里將成為一個(gè)耗電的電熱部件，耗電發(fā)熱，形成熱斑。

從以上分析可以看出：當(dāng)光伏組件或陣列處于短路狀態(tài)時(shí)，由于光伏組件發(fā)出的電力將被全部消耗在有熱斑問題的電池上，內(nèi)部功率消耗最大，所以組件內(nèi)的熱斑問題會(huì)顯得特別突出，熱斑效應(yīng)也最嚴(yán)重。而在正常運(yùn)行狀態(tài)下，熱斑問題會(huì)有所緩解，當(dāng)光伏組件進(jìn)入開路狀態(tài)時(shí)，因?yàn)闊o電流回路，所以光伏組件或被遮陰的電池不會(huì)出現(xiàn)熱斑現(xiàn)象［3］。

組件中一個(gè)或者幾個(gè)電池的熱斑問題會(huì)導(dǎo)致整個(gè)組件工作不正常，會(huì)對光伏組件的輸出特性產(chǎn)生重大影響。光伏組件的工作狀態(tài)見圖3。

圖3 遮陰和熱斑對組件I－V曲線的影響

當(dāng)組件內(nèi)部的部分電池片被不同程度地遮陰或有熱斑問題時(shí)，組件的伏安輸出特性會(huì)隨著遮陰或熱斑的程度有所不同。由圖3可以看到：遮陰和熱斑對組件開路電壓影響較小，輕度的局部遮陰或熱斑甚至不會(huì)直接影響組件的短路電流，因此用簡單的萬用電表很難直接檢測出有問題的組件，但是遮陰和熱斑對光伏組件的最大功率工作點(diǎn)的影響十分嚴(yán)重。因此要確認(rèn)光伏系統(tǒng)中的組件是否工作正?；蛴袩o熱斑問題，僅測量其開路電壓和短路電流是無法檢測的，需要用專用的I－V曲線特性儀器才能正確檢測。

對于一個(gè)串接在系統(tǒng)里的光伏組件，當(dāng)由于某種原因，某電池被完全遮陰或部分遮陰，直至該光伏組件進(jìn)入逆反狀態(tài)，旁路二極管功能啟動(dòng)，該組件電壓平衡為：

式中：Vsh是遮陰或熱斑電池兩端產(chǎn)生的電壓；Vi是每個(gè)光伏電池正常發(fā)電產(chǎn)生的電壓；Vd是旁路二極管正向?qū)▔航?，一般?．3～0．6V。

該平衡式的含義是該問題組件被遮陰的電池上產(chǎn)生的壓降要大于該組件其他光伏電池所產(chǎn)生的電壓總和，旁路二極管才能自動(dòng)投入工作，進(jìn)而保護(hù)該組件。此時(shí)，陣列中串接的其他組件所發(fā)出的電力將大部分通過旁路二極管流出，但也有部分電流通過了被遮陰的光伏電池上，見圖4。

圖4 光伏陣列中個(gè)別電池被遮陰后對陣列輸出的影響

光伏電池片上的消耗功率為：

式中：Vsh為被遮陰光伏電池兩端電壓；Rsh為被遮陰光伏電池并聯(lián)電阻；Rs為其串聯(lián)電阻。

光伏電池的內(nèi)阻隨光照強(qiáng)度的變化而有所變化，光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果證明：一個(gè)105mm×105mm的光伏電池片在遮陰時(shí)候的內(nèi)阻一般為20～50Ω，對于一個(gè)峰值輸出電壓為18V的組件，在熱斑電池上產(chǎn)生的功耗將達(dá)到5～10W，甚至更高。

3 熱斑效應(yīng)的危害及檢測手段

采用紅外熱像儀器拍攝紅外圖像是有效在線測量光伏組件運(yùn)行狀態(tài)和熱斑分布及熱斑溫度的途徑，可以非接觸方式快速發(fā)現(xiàn)并定位在大面積光伏陣列中的電池?zé)岚?，并進(jìn)行故障定量分析。圖5為一幅用紅外熱像儀測到的光伏組件上的熱斑現(xiàn)象。由圖5可見：當(dāng)該組件大部分光伏電池溫度處于20～30℃時(shí)，該組件有一塊電池進(jìn)入熱斑狀態(tài)，其電池中心表面溫度已經(jīng)達(dá)到67℃左右。

圖5 光伏組件上的熱斑現(xiàn)象

光伏組件中的電池?zé)岚咝?yīng)是一個(gè)能嚴(yán)重破壞光伏組件中的光伏電池，并影響組件發(fā)電性能的不利因素。嚴(yán)重的熱斑效應(yīng)可導(dǎo)致電池局部燒毀或形成暗斑、焊點(diǎn)熔化、封裝材料老化或蓋板玻璃炸裂等永久性損壞，降低光伏組件輸出功率和使用壽命。

4 熱斑問題的解決辦法

為減輕或消除遮陰影響，避免熱斑效應(yīng)對光伏發(fā)電以及組件壽命的影響，在光伏組件接線盒內(nèi)接入集成旁路二極管（見圖2和圖4中的旁路二極管Dp），可以在大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)中，特別是直流端電壓較高的系統(tǒng)中起到非常積極的作用，大大減輕由于整個(gè)組件被遮陰對系統(tǒng)的影響，但是組件接線盒中的旁路二極管只能解決組件大面積遮陰對組件輸出的影響，起到保護(hù)組件和提高系統(tǒng)穩(wěn)定工作的作用，對于組件內(nèi)的個(gè)別電池的遮陰或熱斑問題卻不能從根本上起到保護(hù)作用。

實(shí)際上，一個(gè)正常的光伏組件當(dāng)某一片或幾片電池被遮陰，很難導(dǎo)致光伏組件進(jìn)入反向狀態(tài)，因?yàn)榧幢闶侨侩姵仄徽陉帲膊豢赡?00%處于無光狀態(tài)（光強(qiáng)等于0，輸出電流等于0）。通常情況是組件被局部或全部遮陰時(shí)，被遮陰的光伏電池仍然有約20%～30%的散射輻射會(huì)照射到組件上，其光伏組件仍會(huì)發(fā)微弱的電力，而不會(huì)進(jìn)入反向狀態(tài)，也就是說，如果一塊組件（例如36片電池）只配接一個(gè)旁路二極管的話，這個(gè)旁路二極管通常幾乎是不起作用的，除非該光伏組件內(nèi)部電池由于熱斑等故障，出現(xiàn)電池片燒毀開路或者引線脫焊或斷裂故障，旁路二極管才起到旁路的作用。

實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)對一串聯(lián)電壓400V的光伏陣列中的某一光伏組件中的某一片電池完全遮擋（不透光），該組件電壓將從18V降至7V，但并沒有發(fā)生逆轉(zhuǎn)，也就是說，旁路二極管并沒有起到保護(hù)作用，只有當(dāng)該組件約一半以上電池被完全遮擋時(shí)，該組件才進(jìn)入－0．6 Vd的反向?qū)顟B(tài)，也就是說此時(shí)旁路二極管工作，串聯(lián)電路里的電流被該旁路二極管旁路。

5 結(jié)語

在光伏組件的輸出端加接一個(gè)旁路二極管，可以有效防止該組件損壞后影響陣列串接回路中的其他組件的正常發(fā)電，但是不能有效防止和徹底解決遮陰和熱斑問題。

理論上講，給每一個(gè)光伏電池片并聯(lián)一只二極管，就可以從根本上預(yù)防因遮陰而影響整個(gè)串聯(lián)組件的問題，同時(shí)也避免了因遮陰而導(dǎo)致熱斑的形成，但大大增加組件生產(chǎn)工藝上的復(fù)雜性和產(chǎn)品的價(jià)格，生產(chǎn)上較難實(shí)現(xiàn)。為了防止遮陰導(dǎo)致的熱斑問題，可盡可能地加大旁路二極管的接入密度，在一塊組件的電池串內(nèi)分組并聯(lián)若干個(gè)二極管。

減少熱斑問題的產(chǎn)生還應(yīng)該避免使用短路型控制器和逆變器，避免光伏陣列出現(xiàn)短路狀況。

［1］王軍，王鶴，楊宏，等．太陽電池?zé)岚攥F(xiàn)象的研究［J］．電源技術(shù)應(yīng)用，2008，11（4）：48－51．

［2］楊德仁．太陽電池材料［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

［3］劉平，王雪冬．太陽電池陰影效應(yīng)及熱斑［J］．物理實(shí)驗(yàn)，1998（2）：42－43．