热斑效应原理简介及模拟实验

2017-11-22杨江海蒋忠伟孙小菩

绿色环保建材 2017年8期

关键词：太阳电池旁路二极管

杨江海龚露蒋忠伟孙小菩

东莞南玻光伏科技有限公司

热斑效应原理简介及模拟实验

杨江海龚露蒋忠伟孙小菩

东莞南玻光伏科技有限公司

热斑效应在太阳电池的实际应用中非常普遍，而且热斑效应严重影响太阳电池的性能和寿命。本文首先介绍了组件产生热斑效应的原因，模拟了组件发生热斑效应时遮挡电池片和对应二极管的电压电流曲线以及组件的I-V曲线，并对其进行了解释。最后，通过等效电路在理论上分析了影响组件热斑效应大小的关键因素。

光伏；组件；热斑效应；二极管

1 引言

随着光伏行业的迅速发展，太阳能组件的使用越来越普及。然而光伏组件在使用中容易出现组件局部发热甚至烧毁等问题，对光伏组件进行失效分析研究迫在眉睫。目前，多数人认为导致此现象的原因为组件被局部遮挡，而实际中，正常组件在没有遮挡的时候，也出现了热斑现象。

由于发生热斑效应严重的地方局部温度可能较高，有的甚至超过150℃，导致组件局部失效[1～2]。因此，有必要开展一些基础性实验，详细了解热斑效应产生的原因、热斑效应时热斑电池片的电压电流特性以及电池那些性能参数会影响组件热斑效应。

2 热斑形成的原因

热斑效应是指在一定条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应。这种效应能严重的破坏太阳电池。有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏，最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。

3 组件热斑时被遮挡电池片及相应旁路二极管的电压电流曲线

为更清楚的研究并理解热斑效应，我们选用一块组件在户外进行模拟，主要研究组件安装旁路二级管和不安装旁路二极管两种条件下，不同遮光比例对遮挡电池片及旁路二极管的电压电流影响情况。

图1 不同阴影遮挡下电池工作电压曲线

图2 不同阴影遮挡下电池工作电压曲线

图1和图2分别为未安装二极管和安装二极管时，不同遮光比例对遮挡电池片两端电压的影响曲线。从图中可以看出，在未遮挡的情况下，电池两端的电压均为单片电池光照时的工作电压0.4V，当电池被遮挡25%时，遮挡片两端的电压从正向转为反向并迅速增大，未安装二级管的为-18.9V，安装二极管的为-9.5V。随着遮挡比例的进一步增大，电池两端的电压略微增大并趋于稳定。全部遮挡时，安装二极管的为-10.57V，未安装二极管的为-21.3V。这说明安装二极管可以降低遮挡电池片上的负压从而避免电池片受到较大的反向电压而导致热穿击。

图3 不同阴影遮挡下二极管工作电压曲线

图4 不同阴影遮挡下二极管工作电流曲线

图3和图4为不同遮光比例对旁路二极管两端电压和电流的影响曲线。可以看出，当组件未被遮挡时旁路二极管两端上的电压已经达到了0.26V左右，虽然此时流经二极管的电流很低为0.3A，但这足以说明该串电池组已经存在热斑效应了，只是热斑影响的程度较低。当电池片被遮挡25%时，施加在二极管两端的电压和电流分别升高至0.31V和1A。随着遮光比例的进一步增加二极管两端的电压逐渐升高并趋于稳定，流经二极管的电流则线性升高。

图5 多晶电池暗特性曲线

图6 二极管IV曲线

图5为使用我司恒压源测试的多晶156电池的电压电流特性曲线，从图中可以看出，多晶硅电池的启动电压为20V左右，击穿电压大于25V。在组件设计时，为保证组件的安全性和可靠性，设计电压一般选择为10V，按照单片电池最大功率点工作电压0.5V计算，与旁路二极管并接的最大电池片数量约为20片。图6是采用恒压源测试的二极管的电压电流曲线，可以看出，该肖特基二极管的启动电压约为0.3V，当二极管上施加的电压超过0.4V时，二极管的导电能力急剧增加。

图7 不同遮光比例下组件的IV曲线

4 遮光组件的IV曲线分析

图7是使用同一组件（6×10规格）对固定位置的电池片进行不同比例遮光后测试的IV曲线。从图中可以看出，不同电池遮挡比例下组件的IV曲线均表现出阶梯状，三种遮挡比例下的IV曲线和未遮挡的曲线末端重合，曲线转弯点为电流的1/4、1/2、3/4处。此时二极管有部分电流流出，随着遮挡比例的进一步提高，二极管启动，此时二极管相当于导线，问题组件串被短路隔离出组件，组件电流升高并趋于稳定。台阶区域的曲线为二极管的IV曲线，因此曲线形状相一致。从上述图片还能看出，不同电池遮挡比例下组件的开路电压相同，全部遮挡时组件的开路电压是其他情况下的66.7%。这是因为虽然遮光比例不同，但电池的开路电压变化不大，而当单片电池全部遮挡时，组件的旁路二极管启动，被遮光电池在内的电池串被旁路，组件电压减少1/3。