高功率組件熱斑風(fēng)險(xiǎn)研究

鄧士鋒，許 濤，夏正月，邢國強(qiáng)

(常熟阿特斯陽光電力科技有限公司，江蘇 常熟 215500)

隨著太陽能行業(yè)的快速發(fā)展，光伏組件用戶側(cè)對(duì)組件的要求也越來越高，對(duì)高功率組件需求越來越多，各大光伏組件廠也開發(fā)出不同技術(shù)的高功率組件，比如單晶PERC組件、HIT組件、雙面雙玻、反光貼膜、半片組件、多主柵組件和疊瓦組件等。伴隨著高功率組件在市場(chǎng)上的應(yīng)用也暴露出一些可靠性問題，其中單晶PERC組件的熱斑溫度已經(jīng)達(dá)到了170℃，有的電池存在點(diǎn)缺陷問題甚至超過200℃，已經(jīng)超過背板的承受溫度范圍，在戶外長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，存在可靠性風(fēng)險(xiǎn)甚至?xí)?dǎo)致火災(zāi)。

為深入研究光伏熱斑熱失效問題，Michael Simon等通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)熱斑現(xiàn)象做了較深入的研究，得出了旁路二極管并聯(lián)電池片數(shù)目、遮擋程度及電池的漏電流對(duì)組件溫度升高的影響程度[1]，張臻等對(duì)光伏組件熱斑案例進(jìn)行了分析，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了研究[2]。Ramspeck等利用紅外熱相技術(shù)測(cè)試反偏下太陽電池溫度分布情況，并通過掃描電子顯微鏡觀測(cè)局部熱點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)，分析晶體缺陷引起的熱斑產(chǎn)生機(jī)理[3]。Katherine A等基于MATLAB/Simulink模擬得出當(dāng)二極管并聯(lián)電池片數(shù)量增加時(shí)組件熱斑風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加[4]。Hamed通過優(yōu)化半片光伏組件的焊帶規(guī)格，優(yōu)化光伏組件的輸出功率[5]。S.Deng等研究了不同功率組件及缺陷類型對(duì)光伏組件熱斑的影響[6]。許濤等研究了半片光伏組件技術(shù)熱斑溫度可以降低20～30 ℃[7]。

本文基于光伏組件熱斑效應(yīng)原理，模擬了不同高效組件，單晶PERC組件350 W，半片多晶350 W組件和大硅片半片多晶400 W組件熱斑溫度，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果有較好的吻合度，半片多晶350 W較單晶PERC低20～30℃；大硅片半片多晶400 W熱斑溫度與半片多晶350 W相當(dāng)。結(jié)果顯示，大硅片半片多晶組件技術(shù)提高組件功率的同時(shí)，降低了高功率組件熱斑風(fēng)險(xiǎn)，提高光伏組件的可靠性。

1 熱斑效應(yīng)原理分析

組件中的一個(gè)電池或一組電池被遮光或損壞時(shí)，當(dāng)其產(chǎn)生的光生電流小于組件工作電流時(shí)，該電池被置于反向偏置狀態(tài)，作為負(fù)載消耗功率，進(jìn)而引起局部溫度過高現(xiàn)象。

一個(gè)由S片電池串聯(lián)的組串，其中一片電池片Y被部分遮擋后，如圖1所示。遮擋電池片Y的光生電流I1小于組件的工作電流I時(shí)，遮擋片Y兩端處于反向偏置狀態(tài)，當(dāng)遮擋片Y嚴(yán)重反向偏置時(shí)，用于保護(hù)光伏電池、防止其產(chǎn)生過高偏置電壓的旁路二極管將處于正向工作導(dǎo)通狀態(tài)。

圖1 電池片被部分遮擋

由于不同電池的反向特性差別比較大，主要把電池分成電壓限制型(A類)和電流限制型(B類)兩類。

如圖2所示，其中B類電池電流限制型，反向電壓增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的反向電流急劇升高，容易產(chǎn)生雪崩擊穿效應(yīng)，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致熱斑效應(yīng)。此類電池需要嚴(yán)格控制，至少保證遮擋片之外的(S-1)片電池的反向電壓小于其遮擋片B類電池的擊穿電壓，可以通過控制二極管管控的每串電池片數(shù)量和電池質(zhì)量來管控?zé)岚唢L(fēng)險(xiǎn)，此類電池的熱斑與組件功率沒有非常明顯的關(guān)系，主要與反偏擊穿電壓有關(guān)，本文不做研究。其中A類電池電壓限制型，為低漏電流電池，耐電壓擊穿，雪崩擊穿風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，可以通過電池生產(chǎn)管控得到此類低風(fēng)險(xiǎn)電池，目前行業(yè)內(nèi)量產(chǎn)出貨電池漏電流管控標(biāo)準(zhǔn)多數(shù)為Irev＜1.0 A@-12 V。該類電池與組件功率(遮擋片消耗的能量密度)有關(guān)，即能量密度越大，熱斑風(fēng)險(xiǎn)越高。

圖2 反偏特性

根據(jù)IEC 61215-2：2016熱斑耐久實(shí)驗(yàn)要求，光伏組件短接時(shí)，遮擋片Y消耗的功率近似等于此組串中其他正常電池片提供的功率之和，當(dāng)遮擋片Y的拐點(diǎn)電流(反偏電流)與初始最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Im相等時(shí)，遮擋片Y消耗功率最大，遮擋電池片消耗功率為：

式中：P消耗功率為遮擋電池消耗的功率；S為二極管并聯(lián)電池片數(shù)量；Pm為單片電池最大工作功率；Pph為遮擋電池片光生電流在負(fù)偏壓下消耗功率產(chǎn)生的熱量：

式中：Isc'為遮擋片光生電流；Vm為正常片最大工作點(diǎn)電壓。

Prev為反偏漏電流消耗功率產(chǎn)生的熱量：

式中：Irev為遮擋片反偏漏電流。

電池片反向消耗功率如圖3所示。

圖3 電池片反向消耗功率

組件的溫度除了上述的遮擋電池消耗帶來的溫度，還有光照本身帶來的溫度。轉(zhuǎn)換成組件溫度的功率P為：

Pillu為遮擋電池上光照中不能轉(zhuǎn)換成電能直接轉(zhuǎn)換成熱能的熱量，相當(dāng)于組件開路狀態(tài)下電池吸收的熱量(僅取決于光學(xué)性能，與電學(xué)性能無關(guān))，計(jì)算公式為：

式中：E為輻照強(qiáng)度，W/m2；α為電池吸收系數(shù)；Aeffective為有效接收面積。

選用350 W單晶PERC組件(72片156 mm×156 mm電池串聯(lián)，接線盒設(shè)有3個(gè)旁路二極管)，在短路狀態(tài)下，利用失配模型模擬單片電池片不同比例遮擋下遮擋片發(fā)熱功率，如圖4所示。

圖4 不同遮擋比例熱斑電池發(fā)熱功率

模擬結(jié)果顯示，單片電池遮擋10%左右時(shí)，功率消耗最大，熱斑溫度最嚴(yán)重。Pillu與接收光照面積有關(guān)，隨遮擋面積增加而減小；Pph與其他未遮擋電池片工作狀態(tài)有關(guān)，隨遮擋面積增加，消耗熱功率先增大后減小；Prev與電池缺陷類型和遮擋面積有關(guān)，電池缺陷確定的情況下，隨著遮擋面積增加而增加(反偏電壓和電流均增加)。

2 高效組件熱斑模擬

2.1 不同電池技術(shù)熱斑溫度研究

選用CS6U-350MS和CS3U-350P組件版型進(jìn)行模擬，組件邊界條件如表1所示。

表1 不同電池技術(shù)

常規(guī)組件電路連接為純串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖5(a)所示，單片電池遮擋時(shí)，旁路二極管啟動(dòng)，此時(shí)工作狀態(tài)BC區(qū)間：未遮擋的2個(gè)組串電池(正偏壓)工作電流略小于Isc；AB區(qū)間：23片未遮擋電池(正偏壓)工作電流為Im，遮擋片處于反偏狀態(tài)，工作電流為Im(Isc’+Irev)；熱斑電池消耗功率：

由式(6)可知，相同版型，光伏組件熱斑溫度隨組件功率增加而升高。半片組件電路連接為串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖5(b)所示，單片電池遮擋時(shí)，旁路二極管啟動(dòng)，此時(shí)工作狀態(tài)BC區(qū)間：未遮擋組串電池(正偏壓)工作電流略小于0.5Isc；AB區(qū)間：ef，gh段電池(反偏壓)工作電流略大于0.5Isc(電流由BC區(qū)間的電池片提供)；cd段電池(正偏壓)工作電流0.5Im；ab段未遮擋電池(正偏壓)工作電流0.5Im，遮擋電池(反偏壓)工作電流0.5Im。熱斑電池消耗功率：

式中：Pillu'為半片組件中熱斑電池上光照中不能轉(zhuǎn)換成電能直接轉(zhuǎn)換成熱能的熱量；Pm'為半片組件中非熱斑電池單片最大功率。

圖5 組件電路設(shè)計(jì)

假設(shè)電池激光切割前后不改變電池漏電流分布及缺陷面積，如上所述常規(guī)組件熱斑電池消耗功率約為1/3P組件，半片組件熱斑電池消耗功率約為1/6P組件。

利用ANSYS/workbench進(jìn)行有限元分析，由上到下依次為鋼化玻璃、EVA、電池片、EVA和KPF背板，材料屬性如表2所示。

表2 太陽電池組件主要材料的導(dǎo)熱系數(shù)

模擬條件：組件輸出功率350 W，輻照強(qiáng)度1 000 W/m2，環(huán)境溫度設(shè)為(50±10)℃，光伏組件正面和背面的對(duì)流換熱系數(shù)為10 W/(m2?K)，通風(fēng)良好時(shí)，空氣對(duì)光伏組件的換熱系數(shù)為5～15 W/(m2?K)，常規(guī)組件電池156 mm×156 mm，半片組件電池156 mm×78 mm，模擬結(jié)果如圖6所示。

模擬結(jié)果顯示，半片組件較常規(guī)組件熱斑溫度低19℃，這是由于半片組件熱斑消耗功率降為常規(guī)組件的1/2，且電池片內(nèi)橫向?qū)嵝Ч?如圖6中x-y平面)，降低了組件熱斑溫度。圖6(a)，(b)分別為常規(guī)組件及半片組件熱斑模擬結(jié)果，(c)為半片組件等效成常規(guī)組件溫度分布示意圖(y軸方向×2)，由圖6(a)，(b)對(duì)比可知x軸方向散熱基本持平，圖6(a)，(c)對(duì)比可知y軸方向，半片組件較常規(guī)組件散熱更好，高溫度分布面積更大。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，組件熱斑溫度與電池片的散熱條件相關(guān)。熱斑電池表面積/體積比值越大，散熱速度越快，熱斑溫度越低。

圖6 不同電池技術(shù)熱斑模擬

2.2 不同組件技術(shù)熱斑溫度研究

選用CS3U-350P、CS3U-400P和CS3W-400P組件版型進(jìn)行模擬，組件邊界條件如表3所示。

表3 不同組件技術(shù)

CS3W采用大尺寸166 mm×166 mm(半片為166 mm×83 mm)硅片并更改組件版型設(shè)計(jì)，采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同組件技術(shù)熱斑模擬

模擬結(jié)果顯示，CS3U-400P較CS3U-350P熱斑溫度高16.4℃，此部分為組件功率增加帶來的溫升，即功率每增加10 W組件熱斑溫度提升3.28℃；CS3W-400P較CS3U-400P熱斑溫度低13℃，此部分溫度降低是由于硅片變大，散熱條件變好導(dǎo)致。

3 高效組件熱斑實(shí)驗(yàn)

3.1 熱斑測(cè)試方法

根據(jù)IEC61215-2：2016熱斑測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行選片(選出前三大漏電流電池片及最小漏電流電池片)，選面積(將選出的四片電池片依次按照5%、10%…25%面積遮蓋電池，選出最嚴(yán)酷遮擋面積)，選熱點(diǎn)(用最嚴(yán)酷遮蓋面積遮擋非熱點(diǎn)區(qū)域)和曝曬[光強(qiáng)800～1 000 W/m2，溫度(50±10)℃，輻照1 h以上，用熱電偶監(jiān)測(cè)組件熱斑溫度]。

3.2 不同高效電池技術(shù)熱斑實(shí)驗(yàn)

選用主流檔單晶PERC和多晶電池片若干片(電池漏電流＜1.0 A@-12 V)，其余BOM材料均相同，分別制作CS6U-350MS和CS3U-350P組件各3件，在短路狀態(tài)下，進(jìn)行組件熱斑測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果顯示，CS6U-350MS組件溫度均在170℃以上，封裝材料出現(xiàn)不同程度的損壞，樣件1溫度達(dá)175℃，接線盒翹起，如圖8(a)所示；樣件2溫度達(dá)171℃，背板出現(xiàn)鼓包，如圖8(b)所示；樣件3溫度達(dá)170℃，組件背板出現(xiàn)發(fā)亮/脫層現(xiàn)象，如圖8(c)所示。

圖8 CS6U-MS組件背板外觀

CS3U-350P組件熱斑溫度均在150℃左右，較單晶PERC組件降低20～30℃，主要由于半片多晶的組件為串并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，單片電池功率消耗為原來的1/2，且具有較好的散熱效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 組件熱斑溫度(CS6U-350MS vs.CS3U-350P)

3.3 不同高效組件技術(shù)熱斑實(shí)驗(yàn)

選用同一批次，主流檔多晶156 mm×156 mm(半片為156 mm×78 mm)電池和多晶166 mm×166 mm(半片為166 mm×83 mm)電池若干片(電池漏電流＜1.0 A@-12 V)，其余BOM材料均相同，分別制作CS3U-350P和CS3W-400P組件各3件，在短路狀態(tài)下，進(jìn)行組件熱斑測(cè)試(圖10)。

圖10 組件熱斑溫度(CS3U-350 vs.CS3W-400P)

測(cè)試結(jié)果顯示，大硅片多晶CS3W-400P組件熱斑溫度均在156℃左右，較CS3U-350P組件熱斑溫度高5℃左右，組件外觀均沒有明顯異常，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果具有較好的吻合性，絕對(duì)值差異在3℃以內(nèi)，偏差在2%以內(nèi)，如圖11所示。

圖11 高效組件熱斑實(shí)驗(yàn)與模擬值

4 總結(jié)

基于光伏組件熱斑原理，通過有限元模擬不同高功率組件熱斑溫度，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)具有較好的一致性，結(jié)果表明：

(1)相同功率檔組件，半片多晶較單晶PERC組件熱斑溫度低20～30℃，其中350 W單晶PERC組件熱斑溫度達(dá)到170℃，光伏組件出現(xiàn)不同程度的失效，存在可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

(2)一般來說隨著組件功率增加熱斑風(fēng)險(xiǎn)增大。阿特斯多晶高功率組件一方面通過優(yōu)化串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，降低熱斑功率，一方面通過增大電池面積，提高熱斑散熱效率，實(shí)驗(yàn)證明熱斑溫度可以控制在156℃左右。該熱斑溫度與阿特斯350 W常規(guī)多晶半片類似，說明阿特斯的高功率多晶組件設(shè)計(jì)，在增加光伏組件功率的同時(shí)沒有增加光伏組件熱斑風(fēng)險(xiǎn)，顯著提高了光伏組件可靠性，是高功率組件一條可行之路。