楊康， 李景天， 劉祖明， 馬銘， 馬遜，許海園， 謝明達(dá)， 趙冬陽(yáng)

(1.云南師范大學(xué) 太陽(yáng)能研究所,云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650092；2.云南電網(wǎng)公司 大理供電局，云南 大理 671000)

引 言

太陽(yáng)電池表面受到樹(shù)蔭、塵土、房屋等遮擋或者由于組件本身的問(wèn)題導(dǎo)致電池片電阻過(guò)大時(shí)，問(wèn)題電池片或電池組件將會(huì)被當(dāng)作負(fù)載消耗其他有光照的太陽(yáng)電池組件所產(chǎn)生的能量，此時(shí)問(wèn)題電池片將會(huì)發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)[1-4].嚴(yán)重的熱斑效應(yīng)可導(dǎo)致電池組件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[5-6].同時(shí)熱斑會(huì)不同程度的降低組件的輸出功率[7-10]，從而對(duì)系統(tǒng)的發(fā)電量造成影響.因此，熱斑檢測(cè)是考察光伏電站工作狀況的一項(xiàng)重要工作內(nèi)容.

當(dāng)前少有研究人員對(duì)實(shí)際運(yùn)行中的大型光伏電站作熱斑檢測(cè)，對(duì)熱斑問(wèn)題的嚴(yán)重程度了解不多.本文基于光伏電站熱斑的實(shí)地檢測(cè)，對(duì)電站中發(fā)生熱斑的電池組件數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)產(chǎn)生熱斑的原因進(jìn)行分析.

1 光伏電站概況

所檢測(cè)并網(wǎng)光伏電站位于云南省昆明市郊縣，地處高低不平的石漠化荒地，所在區(qū)域年平均日照時(shí)數(shù)2 193.1 h，年平均輻射強(qiáng)度5 608.5 MJ/m2，年平均氣溫15.8 ℃.

圖1 光伏電站形貌

2 檢測(cè)方法

采用意大利HT公司的紅外熱像儀THT-49作為主要檢測(cè)設(shè)備，它利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形，并將其反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng).THT-49的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)為8～14 μm，測(cè)溫范圍為-40～500 ℃，測(cè)溫精度為±3%，溫度分辨率達(dá)0.1 ℃，空間分辨率為1.5 mrad，完全滿足測(cè)試需要.使用THT-49逐個(gè)快速掃描太陽(yáng)電池組件，并獲取表面的清晰紅外圖像及各點(diǎn)溫度，統(tǒng)計(jì)發(fā)生熱斑的組件數(shù)量.排查的同時(shí)，選取幾類(lèi)具有代表性的組件，使用HT公司的I-V400測(cè)試其I-V特性，分析輸出功率、開(kāi)路電壓和短路電流等參數(shù).

3 問(wèn)題組件數(shù)量統(tǒng)計(jì)

該光伏電站共有10個(gè)陣列，每個(gè)陣列有1 MW光伏組件，2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、8號(hào)、10號(hào)為水平單軸跟蹤方陣，1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、9號(hào)為固定傾角方陣.現(xiàn)已完成對(duì)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、9號(hào)共7個(gè)方陣的檢測(cè)，并對(duì)發(fā)生熱斑效應(yīng)電池片數(shù)較多的組件作了I-V曲線測(cè)試.

熱斑效應(yīng)的強(qiáng)烈程度與太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度密切相關(guān)，隨著輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)，熱斑效應(yīng)也隨之愈明顯，在電池組件上表現(xiàn)的溫度也更高，所以出現(xiàn)熱斑效應(yīng)的電池片的熱斑溫度在早上、中午和下午時(shí)差異比較大.經(jīng)過(guò)測(cè)量，早上十點(diǎn)鐘所測(cè)的有熱斑效應(yīng)的電池片溫度為40 ℃左右(周?chē)ｋ姵仄?8 ℃左右，見(jiàn)圖2)，而在中午或者下午，溫度會(huì)達(dá)到75～90 ℃(周?chē)ｋ姵仄?2 ℃，見(jiàn)圖3).也就是說(shuō)，早上出現(xiàn)熱斑效應(yīng)溫度達(dá)到40 ℃左右的電池片和中午出現(xiàn)熱斑效應(yīng)溫度達(dá)到70 ℃以上的電池片同屬問(wèn)題較嚴(yán)重的電池片.因此，統(tǒng)計(jì)與周?chē)姵仄瑴夭畛^(guò)15 ℃的電池片數(shù)量.

圖2 早上測(cè)得的發(fā)熱溫度

圖3 中午測(cè)得的發(fā)熱溫度

各方陣中出現(xiàn)熱斑效應(yīng)的問(wèn)題組件數(shù)、問(wèn)題電池片數(shù)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 各方陣測(cè)量數(shù)據(jù)匯總

從表1中可以看出，出現(xiàn)熱斑效應(yīng)的問(wèn)題組件的總數(shù)為654塊，所占比例為1.68%；出現(xiàn)熱斑效應(yīng)的問(wèn)題電池片總數(shù)為1 717片，所占比例為0.61‰；2號(hào)、4號(hào)單軸跟蹤方陣出現(xiàn)問(wèn)題的比例比9號(hào)固定方陣出現(xiàn)問(wèn)題的比例大.

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，光伏電站的熱斑效應(yīng)問(wèn)題較為嚴(yán)重.對(duì)導(dǎo)致熱斑的原因分析如下：

研究發(fā)熱電池片在電池組件中的位置后發(fā)現(xiàn)，組件傾斜向下的兩個(gè)角落附近的電池片發(fā)熱概率較大，這兩處角落是雨水沖刷灰塵后的必經(jīng)之處，積累了較多灰塵，對(duì)電池表面有一定的遮擋，容易發(fā)生熱斑效應(yīng).

從電站的地形與植被生長(zhǎng)情況可以看出，由植被引起的遮陰不可避免并由此引發(fā)相應(yīng)的熱斑(發(fā)熱問(wèn)題最嚴(yán)重的4號(hào)方陣，部分組件東面植被生長(zhǎng)較為茂盛，早晨會(huì)有大面積的遮陰).

部分組串之間有早上和下午共5個(gè)小時(shí)左右的遮陰(3月17日-4月11日)，這種遮陰和上述的遮陰都是持續(xù)性的、長(zhǎng)時(shí)間的，不僅影響太陽(yáng)電池的發(fā)電量、縮短組件的壽命，高溫的產(chǎn)生甚至?xí)╇姵亟M件，直接導(dǎo)致組件報(bào)廢.

單軸跟蹤方陣出現(xiàn)熱斑的數(shù)量高于固定方陣，原因在于單軸跟蹤方陣除植被遮擋外還存在組串之間的遮擋.

有一部分組件出現(xiàn)了熱擊穿、組件正面玻璃碎裂、柵極燒黑等現(xiàn)象，這些熱斑的產(chǎn)生是由組件的生產(chǎn)過(guò)程中的瑕疵引起的.

4 問(wèn)題組件性能測(cè)試

圖4 問(wèn)題組件紅外熱像圖

為研究熱斑效應(yīng)對(duì)組件發(fā)電量的影響，對(duì)圖4所示發(fā)生熱斑效應(yīng)電池片數(shù)較多(10片左右發(fā)熱電池片)但發(fā)熱溫度并不是很高的組件2、組件4和正常組件1、組件3分別作了I-V曲線測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.

被測(cè)試的四個(gè)組件標(biāo)稱(chēng)峰值功率175 W，開(kāi)路電壓44.4 V，短路電流5.36 A，峰值電壓35.2 V，峰值電流4.97 A.表格中數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)值.

表2 戶外測(cè)試組件性能參數(shù)

通過(guò)與I-V400相匹配的數(shù)據(jù)處理軟件Topview將表2中的實(shí)測(cè)值轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下(標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件：輻照度1 000 W/m2，溫度25 ℃，AM 1.5)的組件參數(shù)，可以更為準(zhǔn)確的反映組件性能.轉(zhuǎn)換結(jié)果見(jiàn)表3.

對(duì)比表2與表3可以發(fā)現(xiàn)，不論是在實(shí)際情況下，還是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，發(fā)熱組件的峰值功率相對(duì)正常組件都有所下降.與其他兩個(gè)沒(méi)有出現(xiàn)熱斑效應(yīng)的組件相比，問(wèn)題組件的光電轉(zhuǎn)換效率降低了大約10%，即組件的輸出功率也降低了大約10%.

表3 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下組件性能參數(shù)

5 結(jié) 論

根據(jù)實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)，熱斑效應(yīng)在目前的光伏電站中存在且影響程度不可忽略.熱斑從一定程度上減少電站的發(fā)電量，同時(shí)也為電站長(zhǎng)期安全運(yùn)行埋下隱患.熱斑現(xiàn)象的產(chǎn)生既有外部因素，也有內(nèi)部因素.對(duì)于內(nèi)部因素，生產(chǎn)廠商要通過(guò)嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝，為用戶提供高質(zhì)量的電池片及組件，而用戶在采購(gòu)時(shí)應(yīng)選用質(zhì)量可靠的電池廠商生產(chǎn)的組件，以將隱患消除在初始階段；對(duì)于外部因素，要對(duì)發(fā)電系統(tǒng)合理布局，合理避免電池組件之間的相互遮擋，及時(shí)清理雜草、灰塵，盡量降低產(chǎn)生熱斑的可能性，減小熱斑的危害性.

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