太陽能組件的旁路二極管導通實驗研究

朱華，肖奇峰，安超

(蘇州UL美華認證有限公司，江蘇 蘇州 215122)

0 引言

當煤炭、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，對環(huán)境造成的危害也日益突出，能源問題已成為制約國際社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸時，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)，維持長遠的可持續(xù)發(fā)展。越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力。

太陽能電池具有質(zhì)量輕、使用安全、不污染環(huán)境、工作時不產(chǎn)生熱量等優(yōu)點，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、光化學發(fā)電、光感應發(fā)電和光生物發(fā)電。隨著國際油價居高不下，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，中國國家能源局發(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，這意味著今年我國光伏發(fā)電裝機量同比增長近24%。

隨著太陽能電池的廣泛應用，一些影響電池壽命的因素不得不引起人們的重視，熱斑效應就是其中之一，因此，對太陽能電池的熱斑效應實驗研究具有極其重要意義。

圖1 太陽能電池的分類

1 熱斑效應現(xiàn)象及原理

1.1 熱斑效應現(xiàn)象

由于單個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”。［1］

圖2 熱斑效應現(xiàn)象

1.2 熱斑效應原理

當連接負載的太陽能電池受到光照時，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 實際的太陽電池等效電路

因此流過負載的電流為:

其中，飽和漏電流ID大約為10-11A/cm2數(shù)量級，可忽略不計。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，電池a所消耗的功率為，主要是并聯(lián)的貢獻，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)個電池串聯(lián)所產(chǎn)生能量的負載電阻。

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

2 熱斑效應實驗研究

熱斑效應將導致電池局部燒毀形成暗斑、焊點熔化、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其不同比例的遮擋，分別進行其熱斑效應實驗研究。

2.1 實驗研究

實驗中采用穩(wěn)態(tài)太陽模擬器4600SLP模擬太陽光照射，分別對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，利用計算機完成數(shù)據(jù)采集、處理、結(jié)果顯示，如圖4所示。

圖4 實驗數(shù)據(jù)曲線

2.2 實驗結(jié)果及分析

1)根據(jù)實驗檢測結(jié)果顯示，隨著單個組件內(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，特別是當單個電池片被遮擋60%以上時，功率降低明顯。

2)當單片電池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〞r(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一步降低功率，從而保護其他沒有問題的電池串。

圖5 組件電池熱斑效應圖

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

3 結(jié)論

由實驗現(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)只有當組件遮擋到一定面積時，旁路二極管才會導通;

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

［1］李松麗，張俊，陳有余.光伏組件熱斑耐久試驗方法探討［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］.太陽能學報，2011(5):690-693.