晶體硅光伏組件的熱斑效應(yīng)詳解

■ 潘文峰 陸晨 王加鴻 謝英豪 裘幼梓

（1.海寧正泰新能源科技有限公司；2.浙江正泰太陽能科技有限公司）

0 引言

能源是人類的一個(gè)永恒話題，從原始人學(xué)會(huì)用火到第一次工業(yè)革命，再到第二次工業(yè)革命，人們對(duì)能源的利用方式發(fā)生了翻天覆地的變化。現(xiàn)在的世界已經(jīng)離不開電，發(fā)電的方式很多，有火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電、光伏發(fā)電等，目前火力發(fā)電占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于煤炭資源有限，所以尋求一種新的能源來代替火力發(fā)電已刻不容緩。由于太陽能資源具備取之不盡用之不竭、清潔無污染、資源分布廣泛的優(yōu)點(diǎn)，光伏發(fā)電正在悄然崛起。但隨著越來越多的光伏電站落成并投入使用，各種問題也接踵而至，熱斑效應(yīng)就是其中一個(gè)棘手的問題。

在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮擋的太陽電池將被當(dāng)作負(fù)載來消耗其他有光照的太陽電池所產(chǎn)生的能量，被遮擋的太陽電池的溫度會(huì)明顯高于其他電池，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重破壞太陽電池，很可能使有光照的太陽電池所產(chǎn)生的部分能量被受遮擋的電池所消耗[1]。遮擋是造成熱斑效應(yīng)最明顯的原因，此外，電池的破碎、低效率電池的混入、焊接等問題也都會(huì)造成熱斑效應(yīng)。本文以遮擋為例來研究熱斑效應(yīng)的影響。為了減少熱斑效應(yīng)對(duì)發(fā)電效率的影響，并防止太陽電池由于熱斑效應(yīng)而遭受破壞，現(xiàn)在的晶體硅光伏組件都會(huì)在電池串的正、負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被受遮擋的組件消耗，并造成被遮擋的電池過熱而損壞。

1 電池發(fā)熱的原因

目前晶體硅太陽電池的效率普遍約為20%，電池表面的減反膜可以使電池對(duì)光的反射率減小到小于10%，剩余的70%的光子能量呢？半導(dǎo)體材料通常能強(qiáng)烈地吸收光能，吸收系數(shù)為105/cm[2]。太陽電池吸收光，一部分用于光伏發(fā)電對(duì)外做功；另一部分則被吸收，表現(xiàn)為熱力學(xué)溫度的升高，即為光吸收發(fā)熱。

理想情況下，太陽電池在正常發(fā)電時(shí)，溫度的升高只來自于光吸收發(fā)熱。但實(shí)際上，太陽電池并不能達(dá)到理想狀況，總是存在著一定的內(nèi)阻，而這些內(nèi)阻會(huì)消耗光伏效應(yīng)產(chǎn)生的能量，使電能轉(zhuǎn)化為熱能。因此，太陽電池發(fā)熱的主要原因是光吸收發(fā)熱和內(nèi)阻對(duì)功率的消耗發(fā)熱。

當(dāng)晶體硅光伏組件中某塊太陽電池被遮擋時(shí)，這塊電池電壓將會(huì)被偏置當(dāng)成負(fù)載，消耗其他電池發(fā)的電。因此，這塊電池的溫度會(huì)比其他電池更高，從而產(chǎn)生熱斑效應(yīng)。

如圖1所示，遮擋電池并短接組件(外接負(fù)載為零時(shí))在陽光下曝曬。揭除遮擋物，立即拍攝電池紅外熱像圖片，結(jié)果如圖2所示，溫度最高的點(diǎn)出現(xiàn)在被遮擋電池上未被遮擋的部分。

圖1 遮擋示意圖

圖2 紅外熱像圖片

2 熱斑耐久試驗(yàn)[3]

IEC 61215-2-2016中條款4.9給出了熱斑耐久試驗(yàn)的測(cè)試方法。如圖3所示，對(duì)于晶體硅光伏組件來說，I-V曲線末端斜率越大，說明被遮擋的太陽電池的漏電流越大，發(fā)生熱斑效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)就越大。

圖3 太陽電池漏電流

用脈沖模擬器依次完全遮擋每塊電池來測(cè)試I-V曲線，并將所有I-V曲線整合到一起。在挨著邊框的電池中選擇1塊漏電流最大的電池，記為1#；然后在剩余的所有電池中選擇2塊漏電流次之的電池和1塊漏電流最小的電池，分別記為2#、3#、4#。

在無遮擋的情況下，用脈沖模擬器測(cè)試組件的最大功率，并記錄最大功率點(diǎn)電流Imp。

對(duì)選出來的4塊電池進(jìn)行分別遮擋，用不同的遮擋比例進(jìn)行遮擋后，測(cè)試電池的I-V曲線，直到拐點(diǎn)(旁路二極管工作的臨界點(diǎn))電流值與Imp接近，如圖4所示，此時(shí)的遮擋比例即是最壞的遮擋比例。

圖4 不同遮擋比例下的I-V曲線圖

用上述確定的最壞遮擋比例分別遮擋選出來的4塊電池，短接組件在穩(wěn)態(tài)模擬器下曝曬5 h(曝曬時(shí)僅遮擋1塊電池，共進(jìn)行4次曝曬)，模擬器內(nèi)溫度保持在50±10 ℃。為監(jiān)控每次曝曬熱平衡后組件溫度的分布情況，對(duì)被遮擋電池所在電池串中任意1塊未被遮擋的電池的背板溫度，以及被遮擋電池所遮擋部分的背板溫度和未被遮擋部分的背板溫度進(jìn)行了監(jiān)控，結(jié)果如表1所示。

表1 背板溫度分布情況

從表1可以看出，存在遮擋的電池，其發(fā)熱最嚴(yán)重的地方在其未被遮擋的部分。

3 遮擋比例與電流、電壓特性

3.1 單塊太陽電池被遮擋

目前市場(chǎng)上主流的晶體硅光伏組件普遍采用3串電池串串聯(lián)、每串電池串并聯(lián)1個(gè)旁路二極管的方式來減少熱斑效應(yīng)的影響。當(dāng)其中1串電池串中的某塊電池被遮擋時(shí)，該電池的電流、電壓特性便發(fā)生了變化。該電池的局部電流與電壓之積會(huì)增大，從而產(chǎn)生局部溫升，其他電池串則會(huì)因旁路二極管的保護(hù)而不受影響。為驗(yàn)證被遮擋電池的電流、電壓特性是如何變化的，我們進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

3.1.1 不同遮擋比例對(duì)電流的影響

圖5 不同遮擋比例下的短路電流與最大功率點(diǎn)電流

分析不同遮擋比例對(duì)電流的影響。圖5為去除旁路二極管后所測(cè)得的不同遮擋比例下的短路電流與最大功率點(diǎn)電流。

由圖5可以看出，電流值與遮擋比例呈線性關(guān)系。

3.1.2 不同遮擋比例對(duì)偏置電壓的影響

分析遮擋比例對(duì)偏置電壓的影響，實(shí)驗(yàn)電路示意圖如圖6所示。首先將外接負(fù)載RL調(diào)為“0”，再用不同的遮擋比例去遮擋圖6中的黑色電池，并測(cè)得該電池兩端的電壓值，繪得曲線如圖7所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)電路示意圖

圖7 不同遮擋比例下黑色電池兩端的電壓(負(fù)值代表反向偏置電壓)

光生電壓的計(jì)算公式[2]為：

式中，k0為玻爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；q為電子電荷；IL為光生電流；I為流過外接負(fù)載的電流；IS為電池反向飽和電流。晶體硅太陽電池的開路光生電壓一般約為0.6 V，電壓方向?yàn)閺膎極到p極。

從圖7可以看出，在未被遮擋時(shí)，黑色電池兩端電壓方向與光生電壓方向一致。但當(dāng)該電池被遮擋時(shí)，其兩端電壓被偏置，電壓方向與光生電壓方向相反，并且偏置電壓數(shù)值也發(fā)生驟變，隨著遮擋面積的增大，偏置電壓呈對(duì)數(shù)型增長(zhǎng)，曲線形狀與光生電壓相似。當(dāng)完全遮擋時(shí)，黑色電池兩端電壓為-14.46 V；由于本實(shí)驗(yàn)用的組件每串有24片電池，因此每串電池的開路電壓理論值為14.4 V，當(dāng)電池被完全遮擋時(shí)，光生電流幾乎為零，相當(dāng)于開路狀態(tài)，此時(shí)黑色電池相當(dāng)于一個(gè)無窮大的負(fù)載。

光伏組件I-V曲線的形成過程，實(shí)際上就是外接負(fù)載從零變到無窮大的一個(gè)過程。隨著遮擋比例的增加，回路電流減小，當(dāng)遮擋達(dá)到一定程度時(shí)，可將被遮擋的電池等效看成一個(gè)負(fù)載，被遮擋電池兩端電壓不斷增大，可等效看成是負(fù)載增加的效果，曲線形狀也呈對(duì)數(shù)型，其與圖7存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2 多塊太陽電池被遮擋

為分析多塊太陽電池被遮擋的情況，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。

將圖6中的黑色電池遮擋30%，該串中另一塊電池遮擋40%，此時(shí)測(cè)得黑色電池兩端的電壓為0.43 V；再將遮擋比例調(diào)換，即黑色電池遮擋40%，另一塊電池遮擋30%，此時(shí)測(cè)得黑色電池兩端的電壓為-13.2 V；再將2塊電池都遮擋40%，此時(shí)測(cè)得黑色電池兩端的電壓為-6.7 V。由此可見，遮擋造成的電池串內(nèi)電壓偏置并不服從歐姆定律，在出現(xiàn)多處不同遮擋面積的情況時(shí)，熱斑效應(yīng)只突出表現(xiàn)在被遮擋面積最大的電池上；但是當(dāng)出現(xiàn)相同遮擋面積的情況時(shí)，電池串內(nèi)部偏置電壓被均分。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，偏置電壓對(duì)遮擋面積的差異反應(yīng)非常敏感，2塊電池遮擋面積稍有差異，偏置電壓就會(huì)倒向遮擋面積較大的一處。將上排任意某塊電池遮擋30%，下排任意某塊電池遮擋40%，短接組件在陽光下曝曬后拍攝紅外圖像，如圖8所示；再在上下排電池中各任選一塊電池進(jìn)行遮擋，遮擋比例一致，短接組件在陽光下曝曬后拍攝紅外圖像，如圖9所示。紅外圖像的顯示結(jié)果，驗(yàn)證了之前的結(jié)論。

圖8 不同遮擋比例下電池的紅外圖像

圖9 相同遮擋比例下電池的紅外圖像

將被遮擋的電池等效看成一個(gè)負(fù)載，外接負(fù)載的變化對(duì)被遮擋電池的偏置電壓造成影響，結(jié)果如表2所示。

表2 外接負(fù)載對(duì)偏置電壓的影響

由表2可以看出，被遮擋電池的偏置電壓對(duì)外接負(fù)載也很敏感。在遮擋面積一定時(shí)，當(dāng)外接負(fù)載小于某個(gè)界限值時(shí)，熱斑效應(yīng)始終存在；但當(dāng)外接負(fù)載大于某個(gè)界限值時(shí)，遮擋便不會(huì)造成熱斑效應(yīng)；這個(gè)界限值取決于遮擋面積的大小。

在光伏組件實(shí)際發(fā)電中，外接負(fù)載點(diǎn)總是處于最大功率跟蹤(MPPT)點(diǎn)；那么反過來，在MPPT點(diǎn)，只要遮擋面積不超過一定的比例，被遮擋電池也不會(huì)被偏置，即遮擋也不會(huì)產(chǎn)生熱斑效應(yīng)。

在穩(wěn)定條件下，測(cè)試組件當(dāng)前的最大功率，再將實(shí)驗(yàn)組件連接可變電阻并監(jiān)控回路電流；從零開始逐漸增大黑色電池的遮擋面積，且在此過程中調(diào)節(jié)可變電阻，使回路電流始終保持在最大功率點(diǎn)電流狀態(tài)，然后記錄被遮擋電池的電壓值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 最大功率點(diǎn)電流值下不同遮擋比例對(duì)偏置電壓的影響

由表3可知，組件在正常工作時(shí)，只要電池被遮擋的比例較小，即便存在局部遮擋，也不會(huì)造成熱斑效應(yīng)。

綜上所述，電流隨著遮擋面積的增大呈線性下降，偏置電壓則隨著遮擋面積的增大呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)；熱斑效應(yīng)發(fā)熱最嚴(yán)重時(shí)，是流經(jīng)被遮擋電池的電流與偏置電壓之積最大時(shí)。

4 改進(jìn)方式

目前，降低熱斑效應(yīng)影響的有效方式是在每串電池串的兩端并聯(lián)1個(gè)旁路二極管。旁路二極管的工作原理為：以常規(guī)的72片電池組成的晶體硅光伏組件為例，每串有24片電池；如圖10所示，正常工作時(shí)，A點(diǎn)電勢(shì)低于B點(diǎn)，因此旁路二極管截止，不起任何作用；圖中的黑色電池被遮擋或出現(xiàn)其他問題，導(dǎo)致該電池處于反向偏置的狀態(tài)，此時(shí)C點(diǎn)電勢(shì)高于D點(diǎn)；對(duì)于其他電池串的電池來說，黑色電池所在回路處于高阻限流狀態(tài)，旁路二極管具有正向?qū)ㄐ?，此時(shí)旁路二極管相當(dāng)于導(dǎo)線，起到分流的作用，A點(diǎn)與B點(diǎn)的電勢(shì)差只有1個(gè)二極管的壓降，其他兩路正常電池串所產(chǎn)生的光生電壓依然可被外接負(fù)載所利用。

圖10 組件電路示意圖

解決熱斑效應(yīng)問題，除了增加旁路二極管以外，還應(yīng)在光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造時(shí)合理設(shè)計(jì)方陣間距，避免出現(xiàn)方陣之間相互遮擋的情況；要合理設(shè)計(jì)支架離地面的高度，對(duì)于存在植被的地面，要定期處理，防止植被過于茂盛而導(dǎo)致遮擋；對(duì)周邊環(huán)境要多加考慮，以避免建筑物對(duì)光伏方陣造成遮擋。運(yùn)維方面也要定期對(duì)組件表面進(jìn)行清洗，以免不均勻的積塵、過大的鳥糞的遮擋，從而造成熱斑效應(yīng)。

5 總結(jié)

電池被遮擋會(huì)引起局部電壓偏置，導(dǎo)致晶體硅光伏組件局部溫度升高，從而引起熱斑效應(yīng)；溫度最高點(diǎn)在被遮擋電池的未被遮擋部分，發(fā)熱的多少取決于偏置電壓與流經(jīng)被遮擋電池電流大小的乘積，且偏置電壓隨著遮擋面積的增大呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，電流隨著遮擋面積的增大呈線性下降。若同一串電池中存在多處遮擋，熱斑效應(yīng)僅會(huì)發(fā)生在被遮擋面積最大的電池處。處于正常發(fā)電情況下的組件，只要電池被遮擋比例較小，即便存在局部遮擋，也不會(huì)造成熱斑效應(yīng)。

為減少熱斑效應(yīng)對(duì)光伏方陣發(fā)電的總體影響，目前的晶體硅光伏組件都會(huì)在每串電池串兩端并聯(lián)1個(gè)旁路二極管，以起到局部分流的作用。當(dāng)然最根本的解決方法還是要在電站設(shè)計(jì)建造時(shí)避免方陣之間相互遮擋，以及避免建筑物或植被對(duì)方陣的遮擋。