楊江海 龔 露 蔣忠偉 孫小菩

東莞南玻光伏科技有限公司

熱斑效應(yīng)原理簡介及模擬實(shí)驗(yàn)

楊江海 龔 露 蔣忠偉 孫小菩

東莞南玻光伏科技有限公司

熱斑效應(yīng)在太陽電池的實(shí)際應(yīng)用中非常普遍，而且熱斑效應(yīng)嚴(yán)重影響太陽電池的性能和壽命。本文首先介紹了組件產(chǎn)生熱斑效應(yīng)的原因，模擬了組件發(fā)生熱斑效應(yīng)時(shí)遮擋電池片和對應(yīng)二極管的電壓電流曲線以及組件的I-V曲線，并對其進(jìn)行了解釋。最后，通過等效電路在理論上分析了影響組件熱斑效應(yīng)大小的關(guān)鍵因素。

光伏；組件；熱斑效應(yīng)；二極管

1 引言

隨著光伏行業(yè)的迅速發(fā)展，太陽能組件的使用越來越普及。然而光伏組件在使用中容易出現(xiàn)組件局部發(fā)熱甚至燒毀等問題，對光伏組件進(jìn)行失效分析研究迫在眉睫。目前，多數(shù)人認(rèn)為導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因?yàn)榻M件被局部遮擋，而實(shí)際中，正常組件在沒有遮擋的時(shí)候，也出現(xiàn)了熱斑現(xiàn)象。

由于發(fā)生熱斑效應(yīng)嚴(yán)重的地方局部溫度可能較高，有的甚至超過150℃，導(dǎo)致組件局部失效[1～2]。因此，有必要開展一些基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)了解熱斑效應(yīng)產(chǎn)生的原因、熱斑效應(yīng)時(shí)熱斑電池片的電壓電流特性以及電池那些性能參數(shù)會(huì)影響組件熱斑效應(yīng)。

2 熱斑形成的原因

熱斑效應(yīng)是指在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽電池組件，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他有光照的太陽電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮蔽的太陽電池組件此時(shí)會(huì)發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能嚴(yán)重的破壞太陽電池。有光照的太陽電池所產(chǎn)生的部分能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止太陽電池由于熱斑效應(yīng)而遭受破壞，最好在太陽電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被受遮蔽的組件所消耗。

3 組件熱斑時(shí)被遮擋電池片及相應(yīng)旁路二極管的電壓電流曲線

為更清楚的研究并理解熱斑效應(yīng)，我們選用一塊組件在戶外進(jìn)行模擬，主要研究組件安裝旁路二級(jí)管和不安裝旁路二極管兩種條件下，不同遮光比例對遮擋電池片及旁路二極管的電壓電流影響情況。

圖1 不同陰影遮擋下電池工作電壓曲線

圖2 不同陰影遮擋下電池工作電壓曲線

圖1和圖2分別為未安裝二極管和安裝二極管時(shí)，不同遮光比例對遮擋電池片兩端電壓的影響曲線。從圖中可以看出，在未遮擋的情況下，電池兩端的電壓均為單片電池光照時(shí)的工作電壓0.4V，當(dāng)電池被遮擋25%時(shí)，遮擋片兩端的電壓從正向轉(zhuǎn)為反向并迅速增大，未安裝二級(jí)管的為-18.9V，安裝二極管的為-9.5V。隨著遮擋比例的進(jìn)一步增大，電池兩端的電壓略微增大并趨于穩(wěn)定。全部遮擋時(shí)，安裝二極管的為-10.57V，未安裝二極管的為-21.3V。這說明安裝二極管可以降低遮擋電池片上的負(fù)壓從而避免電池片受到較大的反向電壓而導(dǎo)致熱穿擊。

圖3 不同陰影遮擋下二極管工作電壓曲線

圖4 不同陰影遮擋下二極管工作電流曲線

圖3和圖4為不同遮光比例對旁路二極管兩端電壓和電流的影響曲線。可以看出，當(dāng)組件未被遮擋時(shí)旁路二極管兩端上的電壓已經(jīng)達(dá)到了0.26V左右，雖然此時(shí)流經(jīng)二極管的電流很低為0.3A，但這足以說明該串電池組已經(jīng)存在熱斑效應(yīng)了，只是熱斑影響的程度較低。當(dāng)電池片被遮擋25%時(shí)，施加在二極管兩端的電壓和電流分別升高至0.31V和1A。隨著遮光比例的進(jìn)一步增加二極管兩端的電壓逐漸升高并趨于穩(wěn)定，流經(jīng)二極管的電流則線性升高。

圖5 多晶電池暗特性曲線

圖6 二極管IV曲線

圖5為使用我司恒壓源測試的多晶156電池的電壓電流特性曲線，從圖中可以看出，多晶硅電池的啟動(dòng)電壓為20V左右，擊穿電壓大于25V。在組件設(shè)計(jì)時(shí)，為保證組件的安全性和可靠性，設(shè)計(jì)電壓一般選擇為10V，按照單片電池最大功率點(diǎn)工作電壓0.5V計(jì)算，與旁路二極管并接的最大電池片數(shù)量約為20片。圖6是采用恒壓源測試的二極管的電壓電流曲線，可以看出，該肖特基二極管的啟動(dòng)電壓約為0.3V，當(dāng)二極管上施加的電壓超過0.4V時(shí)，二極管的導(dǎo)電能力急劇增加。

圖7 不同遮光比例下組件的IV曲線

4 遮光組件的IV曲線分析

圖7是使用同一組件（6×10規(guī)格）對固定位置的電池片進(jìn)行不同比例遮光后測試的IV曲線。從圖中可以看出，不同電池遮擋比例下組件的IV曲線均表現(xiàn)出階梯狀，三種遮擋比例下的IV曲線和未遮擋的曲線末端重合，曲線轉(zhuǎn)彎點(diǎn)為電流的1/4、1/2、3/4處。此時(shí)二極管有部分電流流出，隨著遮擋比例的進(jìn)一步提高，二極管啟動(dòng)，此時(shí)二極管相當(dāng)于導(dǎo)線，問題組件串被短路隔離出組件，組件電流升高并趨于穩(wěn)定。臺(tái)階區(qū)域的曲線為二極管的IV曲線，因此曲線形狀相一致。從上述圖片還能看出，不同電池遮擋比例下組件的開路電壓相同，全部遮擋時(shí)組件的開路電壓是其他情況下的66.7%。這是因?yàn)殡m然遮光比例不同，但電池的開路電壓變化不大，而當(dāng)單片電池全部遮擋時(shí)，組件的旁路二極管啟動(dòng)，被遮光電池在內(nèi)的電池串被旁路，組件電壓減少1/3。

5 電池影響組件產(chǎn)生熱斑效應(yīng)的因素

圖9 電池正偏及反偏時(shí)的等效電路圖

為研究清楚電池那些性能參數(shù)會(huì)影響組件產(chǎn)生熱斑效應(yīng)的大小程度，下文將以太陽電池的等效電路圖來進(jìn)行說明。當(dāng)外加反向電壓時(shí)，被遮擋電池片消耗的功率可用如下公式表示：

式中，Ish為流過并聯(lián)電阻的電流；Rsh為并聯(lián)電阻；Irev為晶體硅太陽電池加上反向電壓UR時(shí)，流過電池中的逆電流；IR為流過太陽電池等效二極管的反向電流；Rs為串聯(lián)電阻。

從上式可以看出，隨著電池并聯(lián)電阻值的越小，該電池逆電流也越大，消耗的功率也越多。

6 結(jié)論

為降低組件熱斑風(fēng)險(xiǎn)建議以下措施：

（1）盡量選用電性能相一致的電池片，避免正常情況下產(chǎn)生熱斑效應(yīng)。

（2）與旁路二極管并聯(lián)的電池串電池?cái)?shù)量不能太多，否則施加在遮擋電池片上的反向電壓太大，導(dǎo)致電池被熱擊穿。

（3）盡量提高電池的并聯(lián)電阻，減少電池反向電流，否則容易使旁路二極管失去保護(hù)作用。

（4）優(yōu)先選用啟動(dòng)電壓較低的肖特基二極管，當(dāng)組件被遮擋時(shí)二極管更早啟動(dòng)，盡量降低組件熱斑效應(yīng)。

[1]田琦,趙爭鳴,鄧夷,袁立強(qiáng),賀凡波.光伏電池反向模型仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011(23):121～128.

[2]孔凡建.太陽電池組件I-V特性曲線異常[J].電源技術(shù),2010(2):181～185.