光伏組件熱斑對發(fā)電性能的影響

李世民，喜文華

（甘肅省科學院自然能源研究所，蘭州730000）

隨著太陽能電池的廣泛應用，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。目前很多學者認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)實際觀察，即便是建設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是一個能嚴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過程中的微小差異，導致每一片光伏電池的輸出特性會有所不同。一塊光伏組件通常是由幾十片光伏電池串聯(lián)而成的，雖然理論上一個組件內的每一片電池的輸出性能都應該是基本相同的，但是在實際組裝太陽能光伏組件的過程中，同一組件電池片還是會有一定的差異，即便是在同一批生產的光伏電池片之間仍會有稍微差異 。

光伏熱斑形成的另一個重要原因是被云、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，導致該電池的特性在串接電路中與整體不協(xié)調（失諧）。失諧的電池不但對組件輸出貢獻較低，或者沒有貢獻，而且會消耗其他電池產生的能量，導致局部過熱，這種現(xiàn)象稱為熱斑效應。這些有問題的光伏電池處于開路、短路或典型負載等不同工作狀態(tài)時，由于光伏電池中流過的電流和內阻均有變化，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結二極管，Id為流過二極管D的電流，Rs是光伏電池內部串聯(lián)電阻，Rsh是并聯(lián)電阻［2］，RL為負載電阻。

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。

一個光伏組件一般由幾十片光伏電池串聯(lián)而成（見圖2），當其中某個電池被遮陰時，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部電阻Rsh和Rs向外輸出，在該光伏電池內部電阻將消耗相鄰光伏電池發(fā)出的電力，并導致該電池片發(fā)熱，其消耗的功率最大將達到

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

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

從以上分析可以看出：當光伏組件或陣列處于短路狀態(tài)時，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，內部功率消耗最大，所以組件內的熱斑問題會顯得特別突出，熱斑效應也最嚴重。而在正常運行狀態(tài)下，熱斑問題會有所緩解，當光伏組件進入開路狀態(tài)時，因為無電流回路，所以光伏組件或被遮陰的電池不會出現(xiàn)熱斑現(xiàn)象［3］。

組件中一個或者幾個電池的熱斑問題會導致整個組件工作不正常，會對光伏組件的輸出特性產生重大影響。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

當組件內部的部分電池片被不同程度地遮陰或有熱斑問題時，組件的伏安輸出特性會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的影響十分嚴重。因此要確認光伏系統(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。

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

式中：Vsh是遮陰或熱斑電池兩端產生的電壓；Vi是每個光伏電池正常發(fā)電產生的電壓；Vd是旁路二極管正向導通壓降，一般為0．3～0．6V。

該平衡式的含義是該問題組件被遮陰的電池上產生的壓降要大于該組件其他光伏電池所產生的電壓總和，旁路二極管才能自動投入工作，進而保護該組件。此時，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。

光伏電池的內阻隨光照強度的變化而有所變化，光強實驗測試結果證明：一個105mm×105mm的光伏電池片在遮陰時候的內阻一般為20～50Ω，對于一個峰值輸出電壓為18V的組件，在熱斑電池上產生的功耗將達到5～10W，甚至更高。

3 熱斑效應的危害及檢測手段

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熱斑，并進行故障定量分析。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：當該組件大部分光伏電池溫度處于20～30℃時，該組件有一塊電池進入熱斑狀態(tài)，其電池中心表面溫度已經達到67℃左右。

圖5 光伏組件上的熱斑現(xiàn)象

光伏組件中的電池熱斑效應是一個能嚴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。嚴重的熱斑效應可導致電池局部燒毀或形成暗斑、焊點熔化、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，避免熱斑效應對光伏發(fā)電以及組件壽命的影響，在光伏組件接線盒內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，起到保護組件和提高系統(tǒng)穩(wěn)定工作的作用，對于組件內的個別電池的遮陰或熱斑問題卻不能從根本上起到保護作用。

實際上，一個正常的光伏組件當某一片或幾片電池被遮陰，很難導致光伏組件進入反向狀態(tài)，因為即便是全部電池片被遮陰，也不可能100%處于無光狀態(tài)（光強等于0，輸出電流等于0）。通常情況是組件被局部或全部遮陰時，被遮陰的光伏電池仍然有約20%～30%的散射輻射會照射到組件上，其光伏組件仍會發(fā)微弱的電力，而不會進入反向狀態(tài)，也就是說，如果一塊組件（例如36片電池）只配接一個旁路二極管的話，這個旁路二極管通常幾乎是不起作用的，除非該光伏組件內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。

實驗證明：當對一串聯(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，也就是說，旁路二極管并沒有起到保護作用，只有當該組件約一半以上電池被完全遮擋時，該組件才進入－0．6 Vd的反向導通狀態(tài)，也就是說此時旁路二極管工作，串聯(lián)電路里的電流被該旁路二極管旁路。

5 結語

在光伏組件的輸出端加接一個旁路二極管，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，給每一個光伏電池片并聯(lián)一只二極管，就可以從根本上預防因遮陰而影響整個串聯(lián)組件的問題，同時也避免了因遮陰而導致熱斑的形成，但大大增加組件生產工藝上的復雜性和產品的價格，生產上較難實現(xiàn)。為了防止遮陰導致的熱斑問題，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分組并聯(lián)若干個二極管。

減少熱斑問題的產生還應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．太陽電池熱斑現(xiàn)象的研究［J］．電源技術應用，2008，11（4）：48－51．

［2］楊德仁．太陽電池材料［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2008．

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