熱斑效應(yīng)原理簡介及模擬實(shí)驗(yàn)

1、 東莞南玻光伏科技有限公司技術(shù)工藝部熱斑效應(yīng)原理簡介及模擬實(shí)驗(yàn)楊江海，龔露，蔣忠偉，孫小菩（東莞南玻光伏科技有限公司，東莞，523141）摘要：熱斑效應(yīng)在太陽電池的實(shí)際應(yīng)用中非常普遍，而且熱斑效應(yīng)嚴(yán)重影響太陽電池的性能和壽命，并有很大的危險(xiǎn)性。研究熱斑效應(yīng)的影響因素，降低熱斑效應(yīng)危害性至關(guān)重要。本文首先介紹了組件產(chǎn)生熱斑效應(yīng)的原因，模擬了組件發(fā)生熱斑效應(yīng)時(shí)遮擋電池片和對(duì)應(yīng)二極管的電壓電流曲線以及組件的I-V曲線，并對(duì)其進(jìn)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(yīng)大小的關(guān)鍵因素。關(guān)鍵詞：光伏，組件，熱斑效應(yīng)，二極管引言 隨著太陽能電池的廣泛應(yīng)用，一些影響光伏組件發(fā)電性能及其壽命的

2、不利因素也隨之出現(xiàn)，熱斑效應(yīng)就是其中之一。目前，大部分人認(rèn)為發(fā)生在光伏組件上的熱斑是由于光伏組件被局部遮陰引起的，而根據(jù)實(shí)際觀察，正常組件在毫無遮擋的環(huán)境下，熱斑現(xiàn)象也十分普遍。由于發(fā)生熱斑效應(yīng)嚴(yán)重的地方局部溫度可能較高，有的甚至超過150，導(dǎo)致組件局部區(qū)域燒毀或形成暗斑、焊點(diǎn)融化、封裝材料老化、玻璃炸裂、焊帶腐蝕等永久性破壞，給組件的安全性和可靠性造成極大地的隱患15。因此，有必要開展一些基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)了解熱斑效應(yīng)產(chǎn)生的原因、熱斑效應(yīng)時(shí)熱斑電池片的電壓電流特性以及電池那些性能參數(shù)會(huì)影響組件熱變效應(yīng)。1、熱斑形成的原因熱斑效應(yīng)是指光伏組件處于工作狀態(tài)時(shí)，組件中某個(gè)單體電池或幾個(gè)單體電池由于遮

3、光或本身原因?qū)е码娏鹘档停?dāng)工作電流超過該單體電池或幾個(gè)單體電池時(shí)，則該部分電池被置于反向偏置狀態(tài)，在電路中的功能由電源變?yōu)樨?fù)載，消耗能量，從而在組件內(nèi)部形成局部過熱現(xiàn)象。因此，造成組件產(chǎn)生熱斑效應(yīng)有先天性的電池間微小差異原因（硅片質(zhì)量，電池工藝導(dǎo)致電池EQE曲線不一致即不同光照強(qiáng)度下電池電性能出現(xiàn)差異）和后天性的遮蔽等原因。為減輕、避免熱斑效應(yīng)，組件在制備過程中會(huì)在相鄰串之間反向偏置并聯(lián)一旁路二極管67，如圖1所示。在正常情況下，旁路二極管處于反向偏置狀態(tài)，當(dāng)組件中某一片單體電池或幾片單體電池被遮蔽時(shí)，如果組件工作電流大于遮擋片電流時(shí)則該片電池將處于反向偏置狀態(tài)，當(dāng)該電池片兩端的反向電壓大于

4、該串電池電壓加上二極管啟動(dòng)電壓之和時(shí)，該旁路二極管啟動(dòng)，故障串被隔離出組件。圖1 旁路二極管的連接示意圖2、組件熱斑時(shí)被遮擋電池片及相應(yīng)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(yīng)，我們選用一塊組件在戶外進(jìn)行模擬，主要研究組件安裝旁路二級(jí)管和不安裝旁路二極管兩種條件下，不同遮光比例對(duì)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(shí)，不同遮光比例對(duì)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(shí)的工作電壓0.4V，當(dāng)電池被遮擋

5、25%時(shí)，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(jí)管的為-18.9V，安裝二極管的為-9.5V。隨著遮擋比例的進(jìn)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(shí)，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(fù)壓從而避免電池片受到較大的反向電壓而導(dǎo)致熱穿擊。前已敘述，當(dāng)組件安裝二極管時(shí)，二極管啟動(dòng)的條件為單片電池承受的反向電壓大于二極管的啟動(dòng)電壓和該串所有電池電壓之和，因此遮擋電池片承受的反向電壓最大為該串所有電池電壓之和加上二極管的啟動(dòng)電壓。單串串聯(lián)的電池越多，遮擋片承受的反壓越大。 圖3 不同陰影遮擋下二極管工作電壓曲線

6、 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(duì)旁路二極管兩端電壓和電流的影響曲線。可以看出，當(dāng)組件未被遮擋時(shí)旁路二極管兩端上的電壓已經(jīng)達(dá)到了0.26V左右，雖然此時(shí)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(yīng)了，只是熱斑影響的程度較低。當(dāng)電池片被遮擋25%時(shí)，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(jìn)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(dòng)電壓為20V

7、左右，擊穿電壓大于25V。在組件設(shè)計(jì)時(shí)，為保證組件的安全性和可靠性，設(shè)計(jì)電壓一般選擇為10V，按照單片電池最大功率點(diǎn)工作電壓0.5V計(jì)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(dòng)電壓約為0.3V，當(dāng)二極管上施加的電壓超過0.4V時(shí)，二極管的導(dǎo)電能力急劇增加。3、遮光組件的IV曲線分析 圖7 不同遮光比例下組件的IV曲線 圖7是使用同一組件（6×10規(guī)格）對(duì)固定位置的電池片進(jìn)行不同比例遮光后測試的IV曲線。從圖中可以看出，電池遮擋25%、50%、75%時(shí)組件的IV曲線都呈現(xiàn)階梯狀，三條IV曲線在臺(tái)階升高部分和

8、遮擋100%的IV曲線重合，且在臺(tái)階拐角處對(duì)應(yīng)的電流分別約為未遮擋組件短路電流的1/4、1/2、3/4。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因?yàn)楫?dāng)組件工作電流低于遮擋電池片的短路電流時(shí)遮擋電池片處于發(fā)電狀態(tài)，相當(dāng)于直流電源。而當(dāng)組件工作電流大于遮擋電池片短路電流后，遮擋電池片開始承受負(fù)壓，此時(shí)并聯(lián)在該串上的旁路二極管開始啟動(dòng)，當(dāng)加載在單片電池上的負(fù)壓超過二極管啟動(dòng)電壓和該串電池電壓后，二極管相當(dāng)于導(dǎo)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(tái)階區(qū)域重合部分的曲線為二極管的IV曲線，因此相一致。另外，從圖中還可以看出，單片電池遮擋25%、50%、75%時(shí)組件的開路電壓基本相同，而遮擋100%時(shí)組件的開

9、路電壓約為其它情況的下的2/3。這是因?yàn)殡m然遮光比例不同，但電池的開路電壓變化不大，而當(dāng)單片電池全部遮擋時(shí)，組件的旁路二極管啟動(dòng)，被遮光電池在內(nèi)的電池串被旁路，組件電壓減少1/3。4、電池影響組件產(chǎn)生熱斑效應(yīng)的因素圖9 電池正偏及反偏時(shí)的等效電路圖為研究清楚電池那些性能參數(shù)會(huì)影響組件產(chǎn)生熱斑效應(yīng)的大小程度，下文將以太陽電池的等效電路圖來進(jìn)行說明。圖9為單體太陽電池的等效電路圖，當(dāng)外加反向電壓時(shí)，其等效電路如圖（b)所示，反偏時(shí)流過晶體硅太陽電池中的電流為： （1）式中，為晶體硅太陽電池加上一定的反向電壓時(shí)，流過電池中的逆電流；為流過太陽電池等效二極管的反向電流；為流過并聯(lián)電阻的電流；為串聯(lián)電阻

10、，為并聯(lián)電阻。經(jīng)過等式變化上式可以寫成： （2） 由于遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于，上式可變化為： （3）從上式可以看出，無論飽和電流的增加或的減少都將引起晶體硅電池在特定下逆電流的增大。 如果不考慮電池作為二極管消耗的功率，遮擋電池片消耗的總功率可寫成： （4） 從（3）、（4）式可以看出，如果電池的并聯(lián)電阻值越小，該片電池?zé)岚邥r(shí)逆電流也越大，消耗的功率也越多，對(duì)組件的危害也越大。另外，不能使用反向電流過大的電池，如果電池的反向電流太大，熱斑效應(yīng)時(shí)加載在遮擋電池片上的反向電壓將降低，從而可能使旁路二極管失去保護(hù)作用。有資料提出，實(shí)際應(yīng)用中太陽電池的暗電流在12V時(shí)應(yīng)低于1.5A。5、 結(jié)論 為降低組件熱斑風(fēng)險(xiǎn)建

11、議以下措施： （1）盡量選用相一致EQE曲線的電池，避免正常情況下產(chǎn)生熱斑效應(yīng)； （2）與旁路二極管并聯(lián)的電池串電池?cái)?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(dǎo)致電池被熱擊穿； （3）不能使用反向電流過大的電池，盡量提高電池的并聯(lián)電阻。如果電池的反向電流太大，熱斑效應(yīng)時(shí)加載在遮擋電池片上的反向電壓將降低，從而可能使旁路二極管失去保護(hù)作用。有資料提出，實(shí)際應(yīng)用中太陽電池的暗電流在12V時(shí)應(yīng)低于1.5A。 （4）優(yōu)先選用啟動(dòng)電壓較低的肖特基二極管，當(dāng)組件被遮擋時(shí)二極管更早啟動(dòng)，盡量降低組件熱斑效應(yīng)。參考文獻(xiàn)1.田琦,趙爭鳴,鄧夷,袁立強(qiáng),賀凡波. 光伏電池反向模型仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究J. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,23:121-128. 2.李劍,汪義川,李華,周豪浩,溫建軍,施正榮. 單晶硅太陽電池組件的熱擊穿J. 太陽能學(xué)報(bào),2011,05:690-693. 3.伊紀(jì)祿,劉文祥,馬洪斌,王晟. 太陽電池?zé)岚攥F(xiàn)象和成因的分析J. 電源技術(shù),2012,06:816-818. 4.李松麗,張俊,陳有余. 新版熱斑