熱斑效應原理簡介及模擬實驗

楊江海 龔 露 蔣忠偉 孫小菩

東莞南玻光伏科技有限公司

熱斑效應原理簡介及模擬實驗

楊江海 龔 露 蔣忠偉 孫小菩

東莞南玻光伏科技有限公司

熱斑效應在太陽電池的實際應用中非常普遍，而且熱斑效應嚴重影響太陽電池的性能和壽命。本文首先介紹了組件產(chǎn)生熱斑效應的原因，模擬了組件發(fā)生熱斑效應時遮擋電池片和對應二極管的電壓電流曲線以及組件的I-V曲線，并對其進行了解釋。最后，通過等效電路在理論上分析了影響組件熱斑效應大小的關鍵因素。

光伏；組件；熱斑效應；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，對光伏組件進行失效分析研究迫在眉睫。目前，多數(shù)人認為導致此現(xiàn)象的原因為組件被局部遮擋，而實際中，正常組件在沒有遮擋的時候，也出現(xiàn)了熱斑現(xiàn)象。

由于發(fā)生熱斑效應嚴重的地方局部溫度可能較高，有的甚至超過150℃，導致組件局部失效[1～2]。因此，有必要開展一些基礎性實驗，詳細了解熱斑效應產(chǎn)生的原因、熱斑效應時熱斑電池片的電壓電流特性以及電池那些性能參數(shù)會影響組件熱斑效應。

2 熱斑形成的原因

熱斑效應是指在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽電池組件，將被當作負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會發(fā)熱，這就是熱斑效應。這種效應能嚴重的破壞太陽電池。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而遭受破壞，最好在太陽電池組件的正負極間并聯(lián)一個旁路二極管，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 組件熱斑時被遮擋電池片及相應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，我們選用一塊組件在戶外進行模擬，主要研究組件安裝旁路二級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，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的工作電壓0.4V，當電池被遮擋25%時，遮擋片兩端的電壓從正向轉(zhuǎn)為反向并迅速增大，未安裝二級管的為-18.9V，安裝二極管的為-9.5V。隨著遮擋比例的進一步增大，電池兩端的電壓略微增大并趨于穩(wěn)定。全部遮擋時，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壓從而避免電池片受到較大的反向電壓而導致熱穿擊。

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?？梢钥闯?，當組件未被遮擋時旁路二極管兩端上的電壓已經(jīng)達到了0.26V左右，雖然此時流經(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)存在熱斑效應了，只是熱斑影響的程度較低。當電池片被遮擋25%時，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，多晶硅電池的啟動電壓為20V左右，擊穿電壓大于25V。在組件設計時，為保證組件的安全性和可靠性，設計電壓一般選擇為10V，按照單片電池最大功率點工作電壓0.5V計算，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電壓約為0.3V，當二極管上施加的電壓超過0.4V時，二極管的導電能力急劇增加。

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)彎點為電流的1/4、1/2、3/4處。此時二極管有部分電流流出，隨著遮擋比例的進一步提高，二極管啟動，此時二極管相當于導線，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，全部遮擋時組件的開路電壓是其他情況下的66.7%。這是因為雖然遮光比例不同，但電池的開路電壓變化不大，而當單片電池全部遮擋時，組件的旁路二極管啟動，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)生熱斑效應的因素

圖9 電池正偏及反偏時的等效電路圖

為研究清楚電池那些性能參數(shù)會影響組件產(chǎn)生熱斑效應的大小程度，下文將以太陽電池的等效電路圖來進行說明。當外加反向電壓時，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，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 結論

為降低組件熱斑風險建議以下措施：

（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。

（2）與旁路二極管并聯(lián)的電池串電池數(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作用。

（4）優(yōu)先選用啟動電壓較低的肖特基二極管，當組件被遮擋時二極管更早啟動，盡量降低組件熱斑效應。

[1]田琦,趙爭鳴,鄧夷,袁立強,賀凡波.光伏電池反向模型仿真分析及實驗研究[J].中國電機工程學報,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,2010(2):181～185.