朱華，肖奇峰，安超

(蘇州UL美華認(rèn)證有限公司，江蘇 蘇州 215122)

0 引言

當(dāng)煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，傳統(tǒng)的燃料能源正在日益減少，對(duì)環(huán)境造成的危害也日益突出，能源問題已成為制約國(guó)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸時(shí)，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)，維持長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展。越來越多的國(guó)家開始實(shí)行“陽光計(jì)劃”，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。

太陽能電池具有質(zhì)量輕、使用安全、不污染環(huán)境、工作時(shí)不產(chǎn)生熱量等優(yōu)點(diǎn)，是一種電壓穩(wěn)定性良好的純直流電源。其產(chǎn)品主要分為晶體硅電池、薄膜電池兩類，如圖1所示。

太陽能發(fā)電是指無需通過加熱過程直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式，它包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。隨著國(guó)際油價(jià)居高不下，太陽能電池產(chǎn)業(yè)已成為近幾年最火產(chǎn)業(yè)。2014年5月22日，中國(guó)國(guó)家能源局發(fā)布消息稱，2014年全年光伏發(fā)電新增備案總規(guī)模1.4×107kW，其中分布式8×106kW，光伏電站6×106kW，這意味著今年我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)量同比增長(zhǎng)近24%。

隨著太陽能電池的廣泛應(yīng)用，一些影響電池壽命的因素不得不引起人們的重視，熱斑效應(yīng)就是其中之一，因此，對(duì)太陽能電池的熱斑效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究具有極其重要意義。

圖1 太陽能電池的分類

1 熱斑效應(yīng)現(xiàn)象及原理

1.1 熱斑效應(yīng)現(xiàn)象

由于單個(gè)硅晶體太陽能電池能得到的最大電壓約為0.6 V，最大電流約為30 mA/cm2，因此太陽能電池很少單個(gè)使用，而是串聯(lián)或并聯(lián)起來使用，以獲得所期望的電壓或電流。為了達(dá)到較高轉(zhuǎn)換效率，光伏組件中的單體電池須具有相似的特性。在實(shí)際使用過程中，可能出現(xiàn)電池裂紋或不匹配、內(nèi)部連接失效、局部被遮光或弄臟等情況，導(dǎo)致電池板中某些電池的電流I、電壓V發(fā)生變化，結(jié)果使電池板局部電流與電壓之積增大，導(dǎo)致這些電池片局部溫度過高而出現(xiàn)燒壞的暗斑(如圖2 所示)，這種現(xiàn)象稱為“熱斑效應(yīng)”。［1］

圖2 熱斑效應(yīng)現(xiàn)象

1.2 熱斑效應(yīng)原理

當(dāng)連接負(fù)載的太陽能電池受到光照時(shí)，太陽能電池可用恒流源Iph、P-N結(jié)二極管D、電極等引起的串聯(lián)電阻Rs和相當(dāng)于PN結(jié)泄漏電流的并聯(lián)電阻Rsh組成的電路來表示，其等效電路如圖3所示。［2］

圖3 實(shí)際的太陽電池等效電路

因此流過負(fù)載的電流為:

其中，飽和漏電流ID大約為10-11A/cm2數(shù)量級(jí)，可忽略不計(jì)。為了使電池輸出更大功率，必須盡量減小串聯(lián)電阻Rs，增大并聯(lián)電阻Rsh。晶體硅太陽能電池的串聯(lián)電阻通常小于1 Ω，而并聯(lián)電阻一般為幾千歐。在短路情況下(U=0)，電池消耗的功率，其主要作用是串聯(lián)電阻，因此正常工作條件下太陽能電池的內(nèi)阻很小(約等于串聯(lián)電阻Rs)。

在n個(gè)電池串聯(lián)的組件中，其中電池a被遮光，則其處于反向偏置狀態(tài)。組件短路時(shí)，電池a所消耗的功率為，主要是并聯(lián)的貢獻(xiàn)，即電池a的內(nèi)阻增加幾千倍(約等于并聯(lián)電阻Rsh)，成為消耗(n-1)個(gè)電池串聯(lián)所產(chǎn)生能量的負(fù)載電阻。

如電池a被部分遮光時(shí)，其阻抗與被遮擋面積成正比，在適當(dāng)?shù)恼诠獗壤掠锌赡芘c(n-1)個(gè)電池串的內(nèi)阻形成最佳匹配，則此時(shí)電池消耗功率最大，熱斑效應(yīng)最顯著。

2 熱斑效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

熱斑效應(yīng)將導(dǎo)致電池局部燒毀形成暗斑、焊點(diǎn)熔化、封裝材料老化等永久性損壞，是影響光伏組件輸出功率和使用壽命的主要因素，甚至導(dǎo)致安全隱患。［3］因此，選擇了一塊多晶硅太陽電池組件中的兩片電池通過對(duì)其不同比例的遮擋，分別進(jìn)行其熱斑效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)中采用穩(wěn)態(tài)太陽模擬器4600SLP模擬太陽光照射，分別對(duì)太陽電池組件完全無遮擋和遮擋某一電池片的15%、40%、100%及一片遮100%，另一片遮75%，最后遮擋兩片電池，利用計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)采集、處理、結(jié)果顯示，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果顯示，隨著單個(gè)組件內(nèi)的電池片發(fā)生遮擋面積增大，組件的輸出功率逐漸降低，使組件的發(fā)電效率降低，特別是當(dāng)單個(gè)電池片被遮擋60%以上時(shí)，功率降低明顯。

2)當(dāng)單片電池R被遮擋面積增加到讓S2串電池片組的旁路二極管D2由截止變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)(如圖5)，該S2串電池片組被旁路二極管D2短路，組件功率將不再降低，所以旁路二極管能有效防止組件在熱斑條件下進(jìn)一步降低功率，從而保護(hù)其他沒有問題的電池串。

圖5 組件電池?zé)岚咝?yīng)圖

3)在組件電池片遮擋沒有達(dá)到旁路二極管工作時(shí)，整個(gè)組件輸出電流隨著遮擋面積的增大，輸出電流逐漸減少;當(dāng)旁路二極管工作時(shí)，組件輸出電流恢復(fù)到?jīng)]有遮擋前的正常電流。

3 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以得出如下結(jié)論:

1)隨著組件中電池片遮擋面積增加，電流及功率損耗逐漸明顯增加;

2)只有當(dāng)組件遮擋到一定面積時(shí)，旁路二極管才會(huì)導(dǎo)通;

3)當(dāng)組件電池片遮擋面積增加到旁路二極管工作時(shí)，組件電流才會(huì)恢復(fù)到額定值。然而在旁路二極管沒有導(dǎo)通之前，其組件的功率損耗將使封裝材料接受嚴(yán)重考驗(yàn)，隨著時(shí)間積累到一定時(shí)間后，將會(huì)對(duì)電池片的焊料產(chǎn)生氧化、脫焊、打弧燃燒等危險(xiǎn)，會(huì)對(duì)EVA、背板產(chǎn)生脫層、鼓泡、氧化甚至燃燒危險(xiǎn)。

［1］李松麗，張俊，陳有余.光伏組件熱斑耐久試驗(yàn)方法探討［J］.電源技術(shù)，2013，37(5):778-780.

［2］楊金煥，于化叢，葛亮.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［3］李劍，汪義川，李華，等.單晶硅太陽電池組件的熱擊穿［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2011(5):690-693.