光伏電站熱斑測試研究

楊康， 李景天， 劉祖明， 馬銘， 馬遜，許海園， 謝明達， 趙冬陽

(1.云南師范大學 太陽能研究所,云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室，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

太陽電池表面受到樹蔭、塵土、房屋等遮擋或者由于組件本身的問題導致電池片電阻過大時，問題電池片或電池組件將會被當作負載消耗其他有光照的太陽電池組件所產(chǎn)生的能量，此時問題電池片將會發(fā)熱，這就是熱斑效應[1-4].嚴重的熱斑效應可導致電池組件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[5-6].同時熱斑會不同程度的降低組件的輸出功率[7-10]，從而對系統(tǒng)的發(fā)電量造成影響.因此，熱斑檢測是考察光伏電站工作狀況的一項重要工作內(nèi)容.

當前少有研究人員對實際運行中的大型光伏電站作熱斑檢測，對熱斑問題的嚴重程度了解不多.本文基于光伏電站熱斑的實地檢測，對電站中發(fā)生熱斑的電池組件數(shù)量進行統(tǒng)計，并對產(chǎn)生熱斑的原因進行分析.

1 光伏電站概況

所檢測并網(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)域年平均日照時數(shù)2 193.1 h，年平均輻射強度5 608.5 MJ/m2，年平均氣溫15.8 ℃.

圖1 光伏電站形貌

2 檢測方法

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

3 問題組件數(shù)量統(tǒng)計

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

熱斑效應的強烈程度與太陽光輻射強度密切相關(guān)，隨著輻射強度的增強，熱斑效應也隨之愈明顯，在電池組件上表現(xiàn)的溫度也更高，所以出現(xiàn)熱斑效應的電池片的熱斑溫度在早上、中午和下午時差異比較大.經(jīng)過測量，早上十點鐘所測的有熱斑效應的電池片溫度為40 ℃左右(周圍正常電池片18 ℃左右，見圖2)，而在中午或者下午，溫度會達到75～90 ℃(周圍正常電池片42 ℃，見圖3).也就是說，早上出現(xiàn)熱斑效應溫度達到40 ℃左右的電池片和中午出現(xiàn)熱斑效應溫度達到70 ℃以上的電池片同屬問題較嚴重的電池片.因此，統(tǒng)計與周圍電池片溫差超過15 ℃的電池片數(shù)量.

圖2 早上測得的發(fā)熱溫度

圖3 中午測得的發(fā)熱溫度

各方陣中出現(xiàn)熱斑效應的問題組件數(shù)、問題電池片數(shù)等統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1.

表1 各方陣測量數(shù)據(jù)匯總

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

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，光伏電站的熱斑效應問題較為嚴重.對導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，對電池表面有一定的遮擋，容易發(fā)生熱斑效應.

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

部分組串之間有早上和下午共5個小時左右的遮陰(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、長時間的，不僅影響太陽電池的發(fā)電量、縮短組件的壽命，高溫的產(chǎn)生甚至會燒穿電池組件，直接導致組件報廢.

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)過程中的瑕疵引起的.

4 問題組件性能測試

圖4 問題組件紅外熱像圖

為研究熱斑效應對組件發(fā)電量的影響，對圖4所示發(fā)生熱斑效應電池片數(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曲線測試，測試結(jié)果見表2.

被測試的四個組件標稱峰值功率175 W，開路電壓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)為實測值.

表2 戶外測試組件性能參數(shù)

通過與I-V400相匹配的數(shù)據(jù)處理軟件Topview將表2中的實測值轉(zhuǎn)換到標準測試條件下(標準測試條件：輻照度1 000 W/m2，溫度25 ℃，AM 1.5)的組件參數(shù)，可以更為準確的反映組件性能.轉(zhuǎn)換結(jié)果見表3.

對比表2與表3可以發(fā)現(xiàn)，不論是在實際情況下，還是在標準測試條件下，發(fā)熱組件的峰值功率相對正常組件都有所下降.與其他兩個沒有出現(xiàn)熱斑效應的組件相比，問題組件的光電轉(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 標準測試條件下組件性能參數(shù)

5 結(jié) 論

根據(jù)實地測量數(shù)據(jù)，熱斑效應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，同時也為電站長期安全運行埋下隱患.熱斑現(xiàn)象的產(chǎn)生既有外部因素，也有內(nèi)部因素.對于內(nèi)部因素，生產(chǎn)廠商要通過嚴格控制生產(chǎn)工藝，為用戶提供高質(zhì)量的電池片及組件，而用戶在采購時應選用質(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；對于外部因素，要對發(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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