不同遮擋情況下半片組件及二極管的分析研究

吳 兢，楊振威，杜 歡，趙興國,2

(1.江蘇輝倫太陽能科技有限公司國機新能源研究院，江蘇南京 210061；2.江蘇蘇美達能源控股有限公司，江蘇南京 210061)

當組件在電站應用時常常因鳥糞、落葉遮陰以及灰塵等因素，造成光伏組件熱斑[1]，而光伏組件中的旁路二極管對減少熱斑具有關鍵作用，IEC61215：2016 標準[2]中也單獨設計了實驗驗證旁路二極管長期工作的可靠性。二極管具有單向導電性的特點，在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極管就會導通，這種連接方式，稱為正向偏置；在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止狀態(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。利用此特性，在光伏組件中，二極管正常情況下處于截止狀態(tài)，當組件中存在遮擋、熱斑或其他故障導致組件失效時，旁路二極管可以導通，起到電路隔離的作用[3]，讓光伏組件的其他電池片正常工作[4]。

目前，國內外大量的分析表明，在每串光伏電池組都反向并聯了一個旁路二極管的情況下，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擊穿[5]。對于半片組件而言，每個二極管并聯了兩串光伏電池組，電路變得更為復雜，根據文獻[6]分析的情況，只有遮擋二極管并聯的每條支路上的一塊或多塊電池片時，旁路二極管才導通，遮擋不同二極管并聯的電池片、遮擋二極管并聯的部分支路中的電池片會使IV 曲線發(fā)生彎曲。而現在所有的組件都是半片組件，二極管位于組件中間位置，如果要滿足每條支路上的電池片同時被遮擋，旁路二極管才導通，條件過于苛刻，則二極管的功能未被好好利用。

本文針對半片組件，對不同遮擋情況下的二極管兩端電壓進行測試，結合組件發(fā)熱IR 分析情況，以及組件接入固定負載下功率情況，分析單個二極管在與兩個支路并聯的情況下，不同遮擋情況下二極管的狀態(tài)，并通過在不同遮擋情況下的模擬器功率測試來驗證前實驗結果的正確性。

1 二極管的啟動條件

半導體二極管具有單向導電性，當PN 結外加正向電壓(正向偏置)時，耗盡區(qū)變窄，有電流通過，電阻值很小，PN 結導通；而當外加反向電壓(反向偏置)時，耗盡區(qū)變寬，沒有電流通過或電流極小，電阻值很大，PN 結截止，這是二極管最重要的特性[7]。所以當某個電池串發(fā)生遮擋現象時，電池片發(fā)生反向偏置，承受較大的反偏電壓[8]，當組件中二極管兩端電位由反向偏置轉為正向偏置，且兩端電壓產生的壓降≥二極管導通電壓時，則二極管導通，該二極管啟動條件的電壓如式(1)所示：

正常狀況，Udiode=∑Un=nUn

當有陰影遮擋時，旁路二極管開啟的條件為：

式中：Udiode為二極管兩端壓降；Un為無遮擋單個電池電壓；n為電池片的數量；Ushade為遮擋電池片電壓。

2 半片組件遮擋實驗

2.1 儀器

FLUCK Ti300-14040258 紅外熱成像儀，對工作狀態(tài)下組件的發(fā)熱情況進行拍照，可查看組件各位置的溫度情況。

梅耶博格國際貿易(上海)有限公司PASAN-PAA0631 I-V測試系統，可以模擬在1 000 W/m2的輻照度下，不同遮擋情況對應的組件電性能數據和IV 曲線。

M9712B/Maynuo DC ELECTRONIC LOAD 可編程直流電子負載，根據組件電參數和連接線纜電阻設定電子負載阻值為3.4 Ω，并與實驗組件串聯，在光照情況下，可以采集實驗組件的實時輸出功率、工作電壓和工作電流。

電阻負載阻值設置公式：

安捷倫數據采集儀，用于采集二極管兩端電壓。

2.2 樣品準備

實驗選用單面PERC 單晶硅電池作為組件的基本的單元。半片電池片的尺寸為182 mm×91 mm，單件組件由144片半片電池組成，組件內部的每12 個半片電池片串聯編制為1 個電池串，整個組件共有6 個相互串聯的電池串，每2 個串聯的電池串并聯1 個反向二極管作為保護電路，電路示意圖如圖1 所示。

圖1 實驗組件的電路示意圖

2.3 組件在不同遮擋情況下的實驗研究

2.3.1 單個半片內遮擋不同面積的組件實驗

將實驗組件分別遮擋單個半片的20%、60%、100%，組件外接3.4 Ω 的負載，30 min 后使用紅外熱成像儀測試組件發(fā)熱情況，并用數據采集儀記錄測試對應二極管遮擋前后的電壓變化，遮擋示意圖如圖2 所示。

圖2 單個半片內遮擋不同面積的組件示意圖

圖3 為單個半片內遮擋不同面積時組件的熱成像圖，當遮擋單個半片的20%時，其熱成像顯示遮擋區(qū)域發(fā)熱明顯，形成熱斑；當遮擋單個半片的60%時，其熱成像顯示單個半片電池片內未遮擋區(qū)域發(fā)熱明顯，形成熱斑；當遮擋單個半片的100%時，其熱成像顯示遮擋區(qū)域不發(fā)熱，整件組件無異常發(fā)熱區(qū)域，不形成熱斑。

圖3 單個半片內遮擋不同面積時組件的熱成像圖

此時，如表1 所示，當遮擋單個半片的20%和60%時，其二極管兩端電壓出現下降，當遮擋達1 個半片電池片時，二極管兩端電壓降低約初始電壓的一半。

表1 單個半片內遮擋不同面積的二極管電壓記錄表 V

可見，當遮擋達1 個半片電池片時，二極管已啟動，此時存在遮擋的電池片組串被旁路，進而熱斑現象消失，但是此時二極管兩端測試仍然有電壓，將通過IV 測試對此現象進行研究分析。

2.3.2 不同遮擋情況下的IV 測試

結合上述實驗結果，選用同規(guī)格的組件，每件組件有3 個二極管，選擇對其中兩個二極管(二極管1、二極管2)分別進行20%、60%、100%的遮擋，選取實驗組件其中的2 個二極管，在瞬態(tài)光源下，進行IV 測試分析，測試功率值如表2 所示，IV 曲線如圖4 所示。

表2 不同遮擋情況下組件電性能數據記錄表

圖4 同遮擋情況下組件IV曲線

通過分析上述電性能數據，(b)輸出功率與(e)基本一致，說明當其中一個支路遮擋1 片時，另一個支路是否遮擋對功率輸出無影響；(b)、(e)的輸出功率約為標準條件(a)的2/3，說明被遮擋的兩個并聯支路無功率輸出。(c)、(d)與(b)相比，輸出功率略有降低，說明二極管2 雖然存在遮擋，但是仍然有較大功率輸出。

當組件的I-V 特性曲線呈膝形，說明旁路二極管未啟動，當I-V 曲線會出現階梯狀變化時，但趨勢仍為膝形，表示二極管啟動[9]。結合實測的IV 曲線，表示當遮擋1 個半片電池片時，二極管啟動，當遮擋不足1 個半片電池片時，二極管未啟動。

由此可以表明，在半片組件中，單個二極管對應的兩個支路，當單個支路中遮擋面積不足1 個半片時，二極管未啟動，此時功率正常輸出；當單個支路中遮擋1 個半片電池片時，此時二極管已啟動，與之相并聯的支路被短路，無功率輸出。

2.3.3 遮擋多個半片電池片的組件實驗

在半片組件中，選擇單個二極管下并聯的兩個支路，分別遮擋單個支路中N個半片電池片(N=1～12)、同時遮擋兩個支路，遮擋電池片數量分別用N1、N2個半片電池片(N1/N2=1～12)，使用紅外熱成像儀測試組件發(fā)熱情況，并用數據采集儀記錄測試對應二極管遮擋前后的電壓變化。圖5 為不同的遮擋方式。

圖5 遮擋多個半片電池片的組件示意圖

通過熱成像測試發(fā)現，均無熱斑現象。

通過測量二極管兩端電壓，發(fā)現在單個支路下，N為1～12之間任意情況，其二極管兩端電壓基本固定；當兩個支路均進行遮擋時，兩個并聯支路內均遮擋2 個半片電池片時，二極管兩端電壓急劇下降，當遮擋達3 個半片電池片時，二極管兩端電壓降至最低，由此認為，當單個支路中遮擋大于等于3 個半片電池片時，該支路兩端無電壓差，結合熱成像結果，即認為此時該支路為斷路狀態(tài)。

表3 為遮擋多個半片電池片時二極管兩端電壓記錄表。

表3 遮擋多個半片電池片時二極管兩端電壓記錄表 V

為驗證上述結論，在戶外同一輻照度下，測試組件外接3.4 Ω 負載，未進行任何遮擋下，組件輸出功率為186 W；當半片組件一側遮擋2 排半片電池片時，也就是每個二極管下均有1 個支路被遮擋4 個半片電池片，另一個支路均無遮擋，此時輸出功率為72.3 W；當半片組件兩側均遮擋2 排半片電池片時，也就是每個二極管下的2 個支路均被遮擋4 個半片電池片，此時輸出功率為0.38 W。

由此可見，當單個支路中遮擋達3 個半片電池片時，支路處于斷路狀態(tài)，與之相并聯的支路正常工作，功率正常輸出。

3 結論

根據實驗結果可以得出以下結論：

(1)在半片組件中，當單個支路中遮擋面積不足1 個半片時，二極管未啟動，為反向偏置，導致被遮擋電池片出現不同位置的熱斑。

(2)在半片組件中，當單個支路中遮擋1 個半片電池片時，電池片不發(fā)熱，此時二極管已啟動，為正向偏置，與之相并聯的支路被短路，無功率輸出。

(3)在半片組件中，當單個支路中遮擋達3 個半片電池片時，支路處于斷路狀態(tài)，二極管仍然為反向偏置，與之相并聯的支路正常工作，功率正常輸出。

由此可見，半片組件中的二極管并聯兩個支路的情況下，其中一個支路出現遮擋問題時，二極管仍然具有保護作用；且當某一側出現大面積遮擋時，另一側仍然正常輸出功率，而對于整片組件，出現大面積遮擋時，則整個組串無功率輸出。所以在電站實際應用時，半片組件的發(fā)電量更高。