帶避雷作用的光伏組件用二極管的研究及設(shè)計(jì)

于　躍，何少茜英利能源（中國(guó)）有限公司

帶避雷作用的光伏組件用二極管的研究及設(shè)計(jì)

于躍，何少茜
英利能源（中國(guó)）有限公司

太陽(yáng)能電池組件在雷雨季節(jié)，由于設(shè)計(jì)缺陷有雷擊損壞的風(fēng)險(xiǎn)。本文通過(guò)分析防雷元件，設(shè)計(jì)了一種新型帶避雷作用的光伏組件專用二極管電路，敘述了電路結(jié)構(gòu)和發(fā)展前景。

光伏；避雷；二極管；設(shè)計(jì)

引言

傳統(tǒng)的光伏組件必須在輸出端安裝有二極管，其作用是利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，防止反向充電損壞光伏電池以及防止一個(gè)單元的光伏電池?cái)嗦吩斐烧麄€(gè)光伏電池組都無(wú)法使用。由于太陽(yáng)能光伏組件都是安裝在比較開(kāi)闊的地段或者較高的位置使用，同時(shí)由于連接部分采用大量金屬材料，所以容易受到雷電的侵?jǐn)_。雷電作用在光伏組件上會(huì)造成組件PN結(jié)間擊穿或防倒流二極管擊穿，使組件不能正常發(fā)電或毀壞。但是在每個(gè)獨(dú)立的光伏電池組件都安裝避雷電設(shè)備并不現(xiàn)實(shí)（造價(jià)高，體積大，施工不方便），所以光伏組件防雷電成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

1、現(xiàn)用光伏組件防雷技術(shù)

現(xiàn)有光伏組件防雷電大多采用匯流箱內(nèi)置防雷模塊，但是防雷模塊不能保護(hù)光伏組件受雷襲擊。匯流箱中的防雷模塊離光伏組件有一定的距離，在組件受到雷擊時(shí)不能夠保護(hù)組件避免損害。另外，由于防雷模塊造價(jià)高、體積大、施工不方便等原因，不適合在每個(gè)獨(dú)立的光伏電池組件上均安裝，這就造成了現(xiàn)有的光伏組件上沒(méi)有防雷保護(hù)，在雷雨季節(jié)極易使組件受到雷擊而損壞。光伏組件的輸出端即接線盒內(nèi)只安裝了二極管防倒流，在組件收到雷擊時(shí)起不到保護(hù)作用。

2、防雷二極管設(shè)計(jì)

2.1防雷元件分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，將光伏組件必備的二極管輔助其他電路改為即保證正常二極管單向?qū)ㄊ褂?，又能夠達(dá)到受到擊中時(shí)，二極管自動(dòng)接地達(dá)到將雷電自動(dòng)引入大地作用，無(wú)雷電時(shí)自動(dòng)恢復(fù)傳統(tǒng)二極管的功能，以起到接地避雷及自恢復(fù)的作用。

常用的防雷、過(guò)電壓保護(hù)元器件有以下幾種:壓敏電阻(mov)、氣體放電(gdt)、齊納二極管和TVS管都是用來(lái)限制電壓的，正常使用時(shí)均是結(jié)成反偏制狀態(tài)的。

齊納二極管和普通整流穩(wěn)壓二極管的區(qū)別是：瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）不會(huì)被擊穿，它能夠在電壓極高時(shí)降低電阻，從而使電流分流或控制其流向，從而保護(hù)電路元件在瞬間電壓過(guò)高的情況下不被燒毀。穩(wěn)壓管能被擊穿，但擊穿后其兩端的電壓保持不變，從而使電路穩(wěn)定，電壓穩(wěn)定，不至于發(fā)生開(kāi)路短路，從而保護(hù)電路元件。瞬態(tài)二極管在防雷中的工作原理——齊納擊穿；瞬態(tài)電壓抑制二極管多用于開(kāi)關(guān)電源，尤其是單端反激開(kāi)關(guān)電源，在開(kāi)關(guān)晶體管關(guān)斷的瞬間由于電磁感應(yīng)會(huì)場(chǎng)生一個(gè)很強(qiáng)的反向峰值電壓，如果不加限制會(huì)擊穿開(kāi)關(guān)晶體管，且這個(gè)反向峰值電壓持續(xù)時(shí)間很小，峰值電壓高，但所含能量不大，所以用瞬態(tài)電壓抑制二極管來(lái)釋放掉這個(gè)電壓尖峰，保護(hù)開(kāi)關(guān)晶體管。

壓敏電阻是一種以氧化鋅為主要成份的金屬氧化物半導(dǎo)體非線性電阻元件；電阻對(duì)電壓較敏感，當(dāng)電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，電阻迅速導(dǎo)通。由于壓敏電阻具有良好的非線特性、通流量大、殘壓水平低、動(dòng)作快和無(wú)續(xù)流等特點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備防雷。

氣體放電管是一種間隙式防雷保護(hù)元器件，由于放電管具有絕緣電阻大，寄生電容小，通流量大、對(duì)高頻電子信號(hào)干擾小的一系列特點(diǎn)；因此被廣泛應(yīng)用于電力、通信等重要領(lǐng)域。

瞬態(tài)抑制二極管(TVS管)在承受瞬間高能量脈沖時(shí)，能在極短的內(nèi)由原來(lái)的高阻抗?fàn)顟B(tài)變?yōu)榈妥杩梗央妷后橹频教囟ǖ乃?，從而有效的保護(hù)用戶的設(shè)備和元器件不受損壞。由于其具有箝位電壓低、動(dòng)作時(shí)間快等特點(diǎn)；因此比較適合于多級(jí)保護(hù)電路的末級(jí)保護(hù)。此外也能與其它保護(hù)元件配合使用，組成專用的防雷裝置。

2.2電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)分為兩部分：肖特基二極管和防雷電路。

肖特基二極管屬于一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件，反向恢復(fù)時(shí)間極短（可以小到幾納秒），是光伏組件常用的一種二極管。主要作用是防止反向充電損壞光伏電池以及防止一個(gè)單元的光伏電池?cái)嗦吩斐烧麄€(gè)光伏電池組都無(wú)法使用。

防雷電路由壓敏電阻與陶瓷氣體放電管串聯(lián)組成，正常工作時(shí)陶瓷氣體放電管不導(dǎo)通，壓敏電阻沒(méi)有漏電流，可以大大延長(zhǎng)使用壽命；受雷電沖擊時(shí)，陶瓷氣體放電管首先擊穿，壓敏電阻器阻值迅速下降，導(dǎo)通大電流，從而保護(hù)光伏組件；沖擊過(guò)去后，由于壓敏電阻限制了電流，放電管不能維持導(dǎo)通而熄弧，恢復(fù)為正常工作狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)示意圖

3、新型二極管的發(fā)展前景

新型二極管主要有兩大優(yōu)勢(shì)：保護(hù)功能，二極管具有正向?qū)嫦蚪刂棺饔茫乐狗聪虺潆?。同時(shí)當(dāng)某串電池片損壞發(fā)生斷路時(shí)，可通過(guò)二極管形成導(dǎo)通路徑，不影響使用。受雷電沖擊時(shí)，陶瓷氣體放電管及壓敏電阻器動(dòng)作，使大電流流入大地，保護(hù)了光伏組件；自恢復(fù)功能，雷電沖擊過(guò)去后，由于壓敏電阻限制了電流，放電管不能維持導(dǎo)通而熄弧，恢復(fù)為正常工作狀態(tài)。

由上所述，太陽(yáng)能電池組件采用此種二極管后，將大大的降低了雷電對(duì)太陽(yáng)能電池組件的損壞，減少了設(shè)備維修故障率，有很大的市場(chǎng)前景。