太阳能光伏组件热斑效应的检测与控制措施研究

2017-03-28贾力

山东工业技术 2017年4期

摘要：在光伏组件长期运行过程中，会出现一些影响光伏组件性能的质量问题，如“热斑效应”、“EVA黄变”、“隐裂”等，直接影响到光伏组件的发电效率和使用寿命，从光伏组件性能的统計数据来分析，其中“热斑效应”对光伏组件性能影响最大，已成为导致光伏组件损坏、发生火灾、发电功率下降的主要因素，对光伏发电项目经济效益，光伏电站安全运行等都带来了严重影响。因此，为了控制“热斑效应”的危害，我们通过仿真实验、研究分析其形成原因，制定有效的控制措施，保证光伏光伏组件发电项目的安全、高效运行。

关键词：光伏组件；热斑效应；控制措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.062

1 引言

能源是推动当今社会前进的动力，传统的煤炭、石油、天然气等化石能源及新兴的核能、风能、太阳能、地热能源等共同推动着社会的进步，现当人们拼命消耗能源，发展经济时，我们也面临着一个新的困境，一是传统能源数量逐渐减少，二是在使用这些传统能源时，这些能源所产生的排放物对环境造成的危害问题也变得日益突出。在这个时候，人们都希望有一种无污染、无排放、可再生的能源，希望可以通过这种能源来替代原有的类的能源供给结构，以保障今后的可持续发展。这时太阳能获得了人们的关注，这主要因为太阳能资源丰富，取之不尽、用之不竭、无污染且能为人类自由开发利用的天然资源。

太阳能光伏发电就是利用太阳能组件直接将太阳能转变成电能，运用的是光生伏特效应原理，根据此原理，太阳能组件吸收太阳辐射能量，将太阳光能转化为电能，最后通过一系列的转变处理，将此电能转换成我们可以直接利用的电能的过程。光伏发电系统中的主要设备包括光伏组件、汇流箱、逆变器、升压变压器、电力电缆及监控系统等，而在这些设备里，光伏组件是光伏发电系统中最核心的设备，光伏组件光电转换率的高低和使用寿命直接决定了太阳能光伏发电阵列发电量和经济效益的多少，因此提高光伏组件的光电转换效率和使用寿命是太阳能光伏发电项目成功的关键。

在光伏组件长期运行过程中，会出现一些影响光伏组件性能的质量问题，如“热斑”、“EVA黄变”、“隐裂”等，直接影响到光伏组件的发电效率和使用寿命，从光伏组件性能的统计数据来分析，其中“热斑效应”对光伏组件性能影响最大，已成为导致光伏组件损坏、发生火灾、发电功率下降的主要因素，对光伏发电项目经济效益，光伏电站安全运行等都带来了严重影响。因此，为了控制“热斑效应”的危害，我们通过仿真实验、研究分析其形成原因，制定有效的控制措施，保证光伏光伏组件发电项目的安全、高效运行。

2 “热斑效应”的概念

当光伏组件中一串联支路中出现被遮蔽、裂纹、气泡、脱层、脏污、内部连接失效的情况后，相应的这一串联支路的电流与电压之积增大，而该光伏组件串被当作负载消耗了其它有光照的光伏组件串所产生的能量后，从而在这些光伏组件串上产生了局部温升，这种现象我们称之为“热斑效应”。

“热斑效应”是影响光伏组件使用寿命和输出功率的重要因素，可造成电池永久性损坏，造成组件封装材料老化、焊点熔化、破坏栅线、局部烧毁形成暗斑等缺陷，据相关统计数据，“热斑效应”能减少10%以上的太阳能光伏组件使用寿命，是产生光伏组件安全隐患和整个方阵失效的重要因素，是光伏组件内阻和暗电流变化的主要原因。

3 “热斑效应”的成因

（1）硅材料自身的质量问题引起的电池性能不一致，产生“热斑效应”。

（2）电池制造工艺不符合标准，由电池质量缺陷引起的“热斑效应”。

（3）电池被阴影遮蔽，引起的“热斑效应”。

本文主要研究光伏组件被阴影遮蔽时，引起的“热斑效应”。

3.1 光伏组件发电原理

如果太阳光照射在光伏组件上，并且光现在界面层被吸收后，将在硅半导体的PN结上产生电子-空穴对，P型硅半导体端产生空穴，N型硅半导体端产生电子，在PN结内部电场的作用下，光生空穴流向P区，光生电子流向N区，并且空穴和电子分别在硅导体两端聚集，产生电位差，这时将导体两端用电极接通后，系统就形成了一个闭合回路，就有电流产生，这就是硅电池PN结的光生伏特效应。当具体说，当光伏组件在界面层吸收到足够的能量后，就能激发出P型硅半导体和N型硅半导体共价键中的电子，产生电子-空穴对现象，由于受到内部电场的作用，N区带正电聚集了电子，P区带负电聚集了空穴，即在P区和N区之间产生了电压。通过光伏组件所吸收的能量来分析，吸收的能量越多，产生的电子-空穴对就越多，电流就越大。光伏组件的面积越大，形成的电流也越大。下图为硅半导体P区、N区的电荷运动情况图1：

3.2 “热斑效应”形成原因

太阳能电池局部被遮挡后，电池不能正常吸收光能，就阻断了硅半导体光电效应的发生，遮挡部位的电池片PN结就保持了电中性，处于禁止状态；而与其相邻电池组正常发生光电效应，就产生了硅半导体P极电压高于N极电压的现象，在遮挡电池片两侧形成了电位差，产生了电压；被遮挡电池片的内阻和暗电流也发生了明显变化，成为了耗电部件，产生了P极向N极的正向导通电流，电流通过耗电部件（即内阻）就会产生热量，电池片在长时间遮挡过程中，就会被积累的热量烧毁，导致整个电池组串停止供电，从而影响光伏组件的正常运行。

3.3 “热斑效应”发生时的光伏组件上电流变化情况

当发生“热斑效应”时，光伏组件遮挡部位不能正常吸收光能，电池产生的电流变小，当该光伏组件产生的电流小于电路的电流时，光伏组件成为串联电路的接入负载，消耗能量，产生热量，从而产生“热斑效应”。

为了分析“热斑效应”发生时的电流变化情况，我们利用等效电路的数学模型进行电池内阻和暗电流变化的情况分析，具体如下图2所示：

“热斑效应”电流公式如下式（1）：

IPh=IL+Id+Ipa+Ise （1）

式中所示，当光伏组件正常工作时，光生电流IPh在三个环节被消耗了，一是負载消耗了（IL），二是内阻消耗了（Ipa+Ise），三是等效二极管消耗了（Id），当出现热斑现象时，光生电流Ipa、Ise、Id增大，三者之和增加至一定值时，单体电池片就会被击穿。

4 光伏组件热斑检测

4.1 检测工具及条件

红外热成像仪：就是将被测目标的不可见红外线辐射能量分布状态，通过红外探测器和光学成像物镜反映到红外探测器的光敏元件上，将其转化为红外热像图，使热像图与被测物体表面的能量分布状态相一致，并用不同颜色表示被测物体的不同温度，方便仪器操作者观察被测物体的能量分布状态。组件热成像如下图3。

光伏组件在检测热斑前，要清除组件表面的污物，并擦拭干净；要避免异物、检测仪器、测试人员等对测试组件的遮挡；选择温度为：25度，空气质量为：AM1.5。

光照强度为：1000w/m2左右的环境条件进行试验，试验人员在规定的时间内，用热成像仪对运行中的光伏组件进行热斑检测，记录测量数据；通常在夏季、秋初的上午11时---下午16时之间的时间段内进行热斑检测最好，由于各区域的地理分布不同，太阳辐照度、环境温度等也有不同，热斑检测的最佳时间段也会相应不同。

4.2 热斑判断

光伏组件在正常工作时的温度是不稳定的，通常认为在30℃±6时，当局部温度与相邻区域的温差>6℃时，可认为组件局部为热斑区域；由于组件热斑检测在辐照度、环境温度、组件输出功率、热斑形成原因、组件工作温度等因素的影响下，可能会出现判断误差，因此，我们应依据热成像仪上采集的数据进行分析。光伏组件被长时间遮挡的热斑成像、组件烧损处的热斑成像和组件裂纹处的热斑成像图互不相同。（以下图片为组件局部的热斑成像图4-图6）

4.3 热斑效应“耐久试验”的检测

为保证光伏组件使用的可靠性和耐久性，需要对太阳能光伏组件进行检测，检测其承受热斑加热的能力，这种检测光伏组件承受热斑加热能力的试验叫热斑“耐久试验”。热斑“耐久试验”内容需严格遵循标准GB/T9535的要求进行，当检测结果满足试验以下二个条件时，才可判定组件“热斑效应”检测合格，条件如下：

a）太阳光伏组件无严重外观缺陷；

b）太阳光伏组件最大输出功率的衰减不超过试验前测试值的5%；

5 控制“热斑效应”的措施

在光伏组件上加装旁路二极管。为避免产生“热斑效应”，光伏组件在制备过程中会在相邻组串之间反向偏置并联一旁路二极管。一般情况下，旁路二极管处于反偏压，对光伏组件的正常工作无影响，当光伏组件被遮挡时，二极管导通，避免了光伏组件的过热损坏，并且被遮挡光伏组件串只影响所在一块光伏组件的发电能力。

（1）为证明加装二级管对控制热斑的有效性，进行仿真试验，根据仿真试验，测得试验数据如下：

从试验数据来看，加装二极管可明显降低遮挡电池两侧电压，避免过大电流通过，产生高热，击穿电池片。

（2）加装二极管后，光伏组件的I-V变化趋势如下图7。

通过图示可明确反映电压和电流的变化关系，加装二极管后电流减小幅度明显。

6 结论

本文通过对光伏组件“热斑效应”产生的原因，物理学原理，电流变化情况分析、热斑检测方法、耐久试验检测方法等方面进行了分析与研究，提出了加装二极管控制热斑效应的措施，并通过仿真试验验证了二极管控制组件热斑效应的有效性，为 “热斑效应”提出了有效的控制措施。