簡述光伏組件熱斑耐久試驗的主要步驟及其原理

仲政祥，胡晉榮，盧 杰，陳 棟，陳 勇

(中認南信檢測技術(shù)有限公司，南京 210023)

0 引言

能源短缺一直是阻礙我國經(jīng)濟發(fā)展的主要瓶頸之一，隨著化石能源的日益匱乏及其對環(huán)境污染的不斷加重，改變能源結(jié)構(gòu)成為我國長期的戰(zhàn)略目標(biāo)。為此，我國逐漸減少了對煤炭等化石能源的使用，并大力開發(fā)了各種清潔的可再生能源。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，光伏發(fā)電是其主要的利用方式之一，而光伏組件是該方式下將太陽能的光能轉(zhuǎn)換為電能的重要設(shè)備。

在我國，以無錫尚德太陽能電力有限公司為代表的光伏企業(yè)自2004年之后如雨后春筍般的出現(xiàn)并迅速發(fā)展，2008年我國光伏組件的出貨量達到全球第一，其中90%的光伏組件出口至國外。但隨著2011年歐洲光伏補貼的減少及美國對我國光伏組件實施的“雙反”政策，國內(nèi)光伏企業(yè)舉步維艱；隨后國家與地方政府均出臺了各種優(yōu)惠及補貼政策，促進了我國國內(nèi)光伏電站的建設(shè)，從西部地區(qū)到東部地區(qū)逐漸建設(shè)了各種集中式和分布式光伏電站。之后，隨著國內(nèi)光伏補貼的減少及光伏扶貧工作的開展，工商業(yè)屋頂光伏電站及扶貧光伏電站逐漸成為國內(nèi)光伏行業(yè)發(fā)展的主流，但由于這2類光伏電站的業(yè)主均不具備相應(yīng)的光伏電站運維知識，電站中常存在建筑物、植物、灰塵等遮擋光伏組件的情況，進而導(dǎo)致被遮擋的光伏組件產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象。而熱斑現(xiàn)象若長期得不到解決，輕則會造成光伏組件的性能衰減，重則會引發(fā)火災(zāi)。基于此，本文首先對光伏組件熱斑現(xiàn)象的產(chǎn)生原因進行了分析，然后針對產(chǎn)生熱斑后光伏組件中太陽電池串的電路情況進行了研究，并闡述了通過熱斑耐久試驗尋找光伏組件中發(fā)生最嚴重?zé)岚攥F(xiàn)象的太陽電池的方法及確定熱斑現(xiàn)象最嚴重的光伏組件遮擋方式。

1 熱斑現(xiàn)象的產(chǎn)生原因

照射在光伏組件上的太陽光一部分會被吸收，而另一部分會被反射，反射的太陽光基本不會對光伏組件的工作溫度產(chǎn)生影響；而被光伏組件吸收的太陽光中，一部分是用于光電轉(zhuǎn)換，另一部分則會產(chǎn)生熱量，使光伏組件的工作溫度上升。在風(fēng)速一定的情況下，正常工作的光伏組件的背面溫度與環(huán)境溫度之間的差值大小一般僅與太陽輻照度有關(guān)，且二者呈線性關(guān)系。通常，光伏組件并網(wǎng)時的背面溫度應(yīng)比其處于開路狀態(tài)時的背面溫度低。

當(dāng)某個串聯(lián)的太陽電池串中存在被遮擋或有缺陷的太陽電池時，該電池將會被當(dāng)作負載來消耗電池串中其他正常接收光照的電池所產(chǎn)生的能量[1]，導(dǎo)致該電池的表面溫度遠高于電池串中其他正常電池的表面溫度，即產(chǎn)生了熱斑現(xiàn)象。熱斑現(xiàn)象會嚴重損壞太陽電池，并會導(dǎo)致光伏組件局部發(fā)熱。由于光伏組件內(nèi)部的太陽電池一般采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，為了防止因某塊電池產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象而導(dǎo)致整個電池串的電流下降，需在組件內(nèi)部每隔數(shù)個電池串并聯(lián)1個旁路二極管，當(dāng)發(fā)生嚴重的光伏組件遮擋情況時，電流會流經(jīng)旁路二極管以避開被遮擋的太陽電池，從而確保光伏組件正常、安全地運行。

光伏組件產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象的常見原因主要包括：1)由光伏組件的生產(chǎn)過程導(dǎo)致。比如，在光伏組件生產(chǎn)時未嚴格篩選太陽電池，導(dǎo)致存在太陽電池黑斑、隱裂及太陽電池串聯(lián)失配等缺陷，造成部分太陽電池的光生電流低于太陽電池串正常狀態(tài)下的工作電流，存在缺陷的電池被迫反向消耗功率，導(dǎo)致其溫度上升幅度較大，從而產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象。2)在光伏組件運輸或安裝過程中因外力造成太陽電池產(chǎn)生裂縫或破碎。3)光伏電站運維不到位，存在建筑物、植物、鳥屎或灰塵等遮擋情況。本文主要針對第3種情況進行分析。

運行的光伏組件被遮擋的實物圖如圖1所示，被遮擋的光伏組件內(nèi)某塊太陽電池產(chǎn)生熱斑后的紅外圖像如圖2所示。結(jié)合圖1、圖2可知，光伏組件被遮擋后，受到遮擋的太陽電池極有可能會產(chǎn)生熱斑。

圖1 運行的光伏組件被遮擋的實物圖Fig.1 Photo of operating PV module being shaded

圖2 產(chǎn)生熱斑的太陽電池的紅外圖像Fig.2 Infrared image of solar cell that produces hot spot

2 產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象的太陽電池串的電路圖

以某廠家生產(chǎn)的晶體硅光伏組件為例。該組件由60片太陽電池組成，每20片太陽電池為1個太陽電池串，每個太陽電池串并聯(lián)1個旁路二極管，共3個旁路二極管。假設(shè)某太陽電池串內(nèi)的某片太陽電池全部被遮擋，并由此產(chǎn)生了熱斑現(xiàn)象，現(xiàn)對該太陽電池串的電路情況進行分析。由于被遮擋的太陽電池與剩余的太陽電池屬于串聯(lián)關(guān)系，因此將19片未被遮擋的太陽電池等效視為1個電源，用S19表示；被遮擋的1片太陽電池用S遮表示。該太陽電池串的電路圖如圖3所示。圖中：Imp為光伏組件的最大功率點電流；Ud為旁路二極管的兩端電壓；Rs19、Rsh19分別為S19的等效串聯(lián)電阻和等效并聯(lián)電阻；Rs遮、Rsh遮分別為S遮的等效串聯(lián)電阻和等效并聯(lián)電阻；ψ1、ψ2、ψ3、ψ4分別為太陽電池內(nèi)的各點電勢，對于正常狀態(tài)的太陽電池，其電勢升高方向應(yīng)與內(nèi)部的電流方向一致，即ψ4>ψ3，但由于S遮相當(dāng)于負載，因此該電池電勢升高方向與內(nèi)部的電流方向相反，即ψ1>ψ2。

圖3 存在熱斑現(xiàn)象的太陽電池串的電路圖Fig.3 Circuit diagram of solar cell string with hot spot phenomenon

由于該太陽電池串并聯(lián)了1個旁路二極管，則該旁路二極管的兩端電壓Ud可表示為：

式中：U19為S19的光生電壓；U遮為S遮的反向電壓。

當(dāng)通過電路中的電流I發(fā)生改變時，U遮會隨之發(fā)生改變，相應(yīng)的Ud也會發(fā)生改變。

當(dāng)Ud>0時，旁路二極管被反向截止，此時Ud的值越高，U遮的絕對值就越低。

當(dāng)Ud=0時，U遮=-U19，此時S遮兩端的電壓最大，S19所產(chǎn)生的光生電壓全部加載至S遮的兩端，此時S遮消耗的功率Q可表示為：

當(dāng)Ud<0時，由于旁路二極管一般為鍺二極管，直到Ud=-0.3 V時旁路二極管全部被導(dǎo)通。通常，單片晶體硅太陽電池的光生電壓約為0.7 V。

因此，U遮=Ud–U19=(-0.3)–19×0.7=-13.6 V。

但此時通過S遮的電流為零，因此這時這片被遮擋的太陽電池不發(fā)熱。

3 光伏組件熱斑耐久試驗的步驟與方式

隨著光伏組件的封裝工藝不斷提升，封裝較好的光伏組件應(yīng)具備較大的并聯(lián)電阻和較低的串聯(lián)電阻。通常，在光伏組件的使用過程中，無論組件中哪片太陽電池被遮擋均會使光伏組件產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象，當(dāng)旁路二極管即將被導(dǎo)通時，被遮擋太陽電池在發(fā)熱時其反向電壓最高。光伏組件熱斑耐久試驗的步驟主要包括尋找最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的太陽電池和尋找熱斑現(xiàn)象最嚴重的光伏組件遮擋方式。

3.1 尋找最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的太陽電池

尋找最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的太陽電池的方法為：按照IEC 61215: 2005[2]的要求，根據(jù)太陽電池的特性，一般可將光伏組件內(nèi)部的太陽電池分為A類和B類，因此在進行熱斑耐久試驗時，先要判定太陽電池的種類。對于A類太陽電池而言，最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的是并聯(lián)電阻最小的太陽電池；對于B類太陽電池而言，最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的是并聯(lián)電阻最大的太陽電池。

正常運行的光伏組件的I-V曲線示意圖如圖4所示。圖中，I-V曲線與橫軸交匯處的切線的斜率的倒數(shù)為電路中的串聯(lián)電阻Rs，當(dāng)Rs趨向零時，這條切線垂直于橫軸；I-V曲線與縱軸交匯處的切線的斜率的倒數(shù)為電路中的并聯(lián)電阻Rsh，當(dāng)Rsh趨向無窮大時，這條切線趨于水平。

圖4 正常運行的光伏組件的I-V曲線示意圖Fig.4 Schematic diagram of I-V curve of PV module in normal operation

填充因子FF的高低是考核太陽電池性能好壞的因素之一，其值越高，表示太陽電池的性能越好。由圖4可知，當(dāng)Rsh值越大、Rs值越小時，太陽電池的FF也就越高，但其值總是小于1。

根據(jù)IEC 61215: 2005[2]中的熱斑耐久試驗要求可知，當(dāng)1串太陽電池串(電池數(shù)量為s)中某片太陽電池被全部遮擋時，該片太陽電池的兩端電壓為(s-1)片太陽電池產(chǎn)生的光生電壓。當(dāng)被遮擋太陽電池的反向I-V曲線先與(s-1)片太陽電池的最大功率點電壓Vmp相交時，將此類太陽電池定義為“A類太陽電池”，此類電池的并聯(lián)電阻較大；若被遮擋太陽電池的反向I-V曲線先與(s-1)片太陽電池的短路電流Isc相交時，將此類太陽電池定義為“B類太陽電池”，此類電池的并聯(lián)電阻較小。分類具體如圖5所示。

圖5 被遮擋太陽電池的分類Fig.5 Classification of shaded solar cells

隨著太陽電池技術(shù)不斷提升，光伏組件的并聯(lián)電阻也越來越高，因此光伏組件采用的是A類太陽電池的概率較高。對于A類太陽電池而言，光伏組件的并聯(lián)電阻越低，其越容易產(chǎn)生熱斑；對于B類太陽電池而言，光伏組件的并聯(lián)電阻越高，其越容易產(chǎn)生熱斑。

在同一塊光伏組件中，不同品質(zhì)的太陽電池具備不同的并聯(lián)電阻，因此根據(jù)IEC 61215-2:2016[3]，通過將該光伏組件中不同的整片太陽電池依次進行全部遮擋來測試該光伏組件的I-V特性，并將得到的所有I-V曲線集中至同一張圖中，如圖6所示。從圖6可知，太陽電池依次被全部遮擋時生成的光伏組件I-V曲線不是平滑的曲線，全部出現(xiàn)了較大的拐角，在拐角處旁路二極管被導(dǎo)通；并且旁路二極管被導(dǎo)通時的最大導(dǎo)通電流遠低于太陽電池未被遮擋時生成的Imp。由此可知，此光伏組件采用的是A類太陽電池，而旁路二極管的導(dǎo)通電流最大時對應(yīng)的太陽電池即為并聯(lián)電阻最小的太陽電池，也是最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的太陽電池。

圖6 不同情況下的光伏組件I-V曲線Fig.6 I-V curves of PV modules in different situations

3.2 尋找熱斑現(xiàn)象最嚴重的光伏組件遮擋方式

由上文可知，對于A類太陽電池而言，可通過全部遮擋組件中某片太陽電池并測試遮擋后光伏組件的I-V特性來尋找并聯(lián)電阻最小的太陽電池，從而確定最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的太陽電池。而當(dāng)逐漸減少遮擋面積后，隨著遮擋面積的減小，流經(jīng)旁路二極管的電流不斷增大，當(dāng)旁路二極管全部被導(dǎo)通時的導(dǎo)通電流與Imp相等時，此種情況下對應(yīng)的太陽電池的單位面積發(fā)熱量最多，而該遮擋面積下的太陽電池發(fā)生的熱斑現(xiàn)象最嚴重。不同太陽電池遮擋面積下的光伏組件I-V特性如圖7[3]所示。

圖7 不同太陽電池遮擋面積下的光伏組件I-V特性Fig.7 I-V characteristics of PV modules under different shaded areas of solar cells

進行熱斑耐久試驗時發(fā)現(xiàn)，光伏組件采用A類太陽電池時居多。單片A類太陽電池最嚴重的遮擋情況一般是出現(xiàn)在電池遮擋面積為5%～10%時。以單片太陽電池面積243 cm2為例，其Imp一般為8.0～8.5 A，本文取8 A。以上文的20片電池中1片被全部遮擋時的情況為例，則按照式(2)可得到Q=106.4 W。

若電池遮擋面積為5%時，則該片電池上未被遮擋的面積A的單位面積上的熱功率密度J可表示為：

式中，A=243×5%=12.15 cm2，代入相關(guān)數(shù)值后可得J=8.8 W/cm2。由此可知，發(fā)生熱斑現(xiàn)象時太陽電池單位面積上的發(fā)熱量較高，若熱量長期聚集，將嚴重影響組件中的電池壽命，同時還會造成背板黃變和EVA性能退化，降低光伏組件的使用年限。

若某光伏組件采用的均為B類太陽電池，可根據(jù)遮擋太陽電池后旁路二極管的導(dǎo)通電流等于Imp來確定熱斑現(xiàn)象最嚴重的遮擋方式。當(dāng)某片太陽電池被全部遮擋時，旁路二極管的導(dǎo)通電流大于Imp；若減少該片太陽電池的被遮擋面積，旁路二極管的導(dǎo)通電流會更大于Imp。因此需要增加太陽電池的遮擋數(shù)量來降低旁路二極管的導(dǎo)通電流，直到太陽電池的被遮擋面積大到可使旁路二極管的導(dǎo)通電流等于Imp時，此時才是B類太陽電池?zé)岚攥F(xiàn)象最嚴重的光伏組件遮擋方式。

4 結(jié)論

本文對熱斑耐久試驗的主要步驟進行了簡述，揭示了各個操作步驟的原理，根據(jù)A類太陽電池和B類太陽電池所表現(xiàn)出的特性，指出了尋找這2類太陽電池中最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的太陽電池的方式。太陽電池產(chǎn)生熱斑后，輕則會造成光伏組件性能衰減，重則會引發(fā)火災(zāi)，因此在光伏電站實際運行過程中，應(yīng)盡可能避免各種因素造成的光伏組件中的太陽電池遮擋情況。