劉文俊，鄭佳楠，張放心，劉 文，夏小健，程 野

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院，合肥 230000；2.通威太陽能(合肥)有限公司，合肥 230000)

0 引言

在光伏組件的出廠品控檢測(cè)過程中，通常會(huì)利用電致發(fā)光(EL)原理對(duì)光伏組件反向通電，在這一過程中太陽電池會(huì)不斷發(fā)出近紅外光譜，近紅外光譜會(huì)被CCD 相機(jī)捕捉到，從而測(cè)定光伏組件是否存在隱裂、瑕疵。這一過程即為EL 檢測(cè)過程。

EL 的基本原理為：在平衡的p-n 結(jié)中，存在著具有一定寬度和勢(shì)壘高度的勢(shì)壘區(qū)，并相應(yīng)出現(xiàn)了內(nèi)建電場(chǎng)，每一種載流子的擴(kuò)散電流和漂移電流互相抵消；但當(dāng)給太陽電池進(jìn)行反向通電時(shí)，勢(shì)壘高度會(huì)降低，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)會(huì)相應(yīng)減弱，此時(shí)繼續(xù)發(fā)生載流子的擴(kuò)散，即電子由n 區(qū)注入到p 區(qū)，同時(shí)空穴由p 區(qū)注入到n 區(qū)，這些注入p 區(qū)的電子和注入n 區(qū)的空穴都是非平衡少數(shù)載流子，其會(huì)不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光[1]。

本征硅的帶隙約為1.12 eV，據(jù)此可以計(jì)算出晶體硅太陽電池的帶間直接輻射復(fù)合光譜的峰值在1150 nm 附近，所以EL 檢測(cè)的光譜屬于近紅外光[2]。而對(duì)太陽電池反向通電時(shí)其發(fā)出的也是近紅外光，由于近紅外光具有加熱能力，隨著近紅外光的不斷輻射，將帶動(dòng)太陽電池周圍相同頻率的微粒共振，進(jìn)而增大原子或分子的活動(dòng)幅度，從而使太陽電池溫度增加。理論上，對(duì)太陽電池反向通電不但可以加熱電池，還可以向外界輻射熱量。圖1 為反向通電時(shí)太陽電池發(fā)出的光譜[3]。

冬季的積雪覆蓋光伏組件表面后，會(huì)造成光伏組件發(fā)電量下降，這屬于常見現(xiàn)象[4-6]。通常的除雪手段包括人工掃雪、撒鹽除雪、機(jī)器除雪等，此外，還有一種新的除雪方式，即對(duì)光伏組件進(jìn)行通電，使光伏組件成為發(fā)熱負(fù)載，從而達(dá)到除雪的目的[7]；崔凌闖等[8]研究了積雪厚度對(duì)光伏組件自加熱除雪性能的影響。劉恩科等[9]指出半導(dǎo)體材料功耗大可能會(huì)導(dǎo)致p-n 結(jié)的失效和擊穿，也有人指出p-n 結(jié)的發(fā)熱會(huì)降低其壽命[10]。本文通過對(duì)光伏組件進(jìn)行不同電流的反向通電，探究了在通電過程中光伏組件的溫升和功率衰減等情況。

1 不同反向通電電流下光伏組件的發(fā)熱能力

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

隨機(jī)選取4 塊275 Wp、版型為60 片太陽電池的光伏組件作為實(shí)驗(yàn)組件，將實(shí)驗(yàn)組件在封閉的環(huán)境內(nèi)恒溫靜置24 h 后，用測(cè)溫槍測(cè)試實(shí)驗(yàn)組件玻璃面的溫度；然后分別對(duì)其反向通2、4、8、12 A 電流1 h，并記錄4 塊組件玻璃面溫度在反向通電1 h 內(nèi)的變化情況。實(shí)驗(yàn)組件的出廠信息如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)組件的出廠標(biāo)定參數(shù)Table 1 Manufacturer calibration parameters of experimental PV module

實(shí)驗(yàn)中采用恒壓源進(jìn)行測(cè)試，因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程對(duì)實(shí)驗(yàn)組件輸入的電壓保持不變；整個(gè)測(cè)試環(huán)境處于密閉狀態(tài)，主要是為了盡可能減少外界對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響；溫度測(cè)試均由同一人進(jìn)行測(cè)試；在4 塊實(shí)驗(yàn)組件玻璃面上均取9 個(gè)點(diǎn)測(cè)試溫度，上部3 個(gè)點(diǎn)、中部3 個(gè)點(diǎn)，下部3個(gè)點(diǎn)，以減少組件的差異影響。9 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的選取方法如圖2 所示。

1.2 數(shù)據(jù)分析

不同反向通電電流下4 塊實(shí)驗(yàn)組件的輸入電壓和輸入功率情況如表2 所示。

表2 不同反向通電電流時(shí)組件的輸入電壓和輸入功率Table 2 Input voltage and input power of PV modules at different reverse power currents

由表2 可知，4 塊實(shí)驗(yàn)組件的反向通電電流分別為2、4、8、12 A 時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入電壓分別是31、33、37、 41 V，電流與所對(duì)應(yīng)的輸入電壓的變化規(guī)律明顯不是呈線性關(guān)系，這是由于太陽電池本質(zhì)上是p-n 結(jié)，因此此種變化規(guī)律比較符合p-n 結(jié)的I-V特性曲線，具體如圖3 所示。圖中，UBR為反向擊穿電壓。

在環(huán)境溫度為22 ℃時(shí)，對(duì)4 塊實(shí)驗(yàn)組件分別反向通2、4、8、12 A 電流1 h 后，取實(shí)驗(yàn)組件表面9 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度平均值作為實(shí)驗(yàn)組件表面溫度。1 h 內(nèi)不同反向通電電流時(shí)實(shí)驗(yàn)組件表面溫度的變化情況如圖4 所示。

通常情況下，光伏組件的輸入功率越大，組件的溫升越快、越明顯。由圖4 可知，反向通電一段時(shí)間后，實(shí)驗(yàn)組件表面的溫度逐漸趨于穩(wěn)定，反向通2、4、8、12 A 電流1 h 后，實(shí)驗(yàn)組件表面的溫度與其通電前相比分別約升高了3、7、11、16 ℃。

理論情況下，光伏組件輸入功率和光伏組件表面溫度之間存在直接關(guān)系，二者關(guān)系可表示為：

式中，Pheat為光伏組件的輸入功率，W；Poutput為恒壓源輸出功率，W；Ploss為其他材料造成的功率損失，包括線纜損失、接線盒損失、電池?fù)p失和其他損失，W；TPV為光伏組件表面溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；ρPV-a為光伏組件與環(huán)境之間的熱阻，℃/W。

不同反向通電強(qiáng)度下，通電后實(shí)驗(yàn)組件的表面溫度與其通電前的表面溫度的溫差變化曲線如圖5 所示。由圖5 可知，隨著通電時(shí)間的累積，通電后的前幾分鐘，實(shí)驗(yàn)組件的表面溫度與其通電前的差值較大，溫差變化幅度較為明顯；之后，二者的溫差變化幅度逐漸減小，且趨于穩(wěn)定；其中，在12 A 的反向通電強(qiáng)度下，二者的溫差最大值達(dá)16.2 ℃；另外，反向通電電流越大，實(shí)驗(yàn)組件的表面溫度上升速度越快。

在不同通電強(qiáng)度下連續(xù)通電1 h 后，4 塊實(shí)驗(yàn)組件表面的上部、中部和下部的溫度也發(fā)生了變化，具體的溫度變化曲線如圖6 所示。

由圖6 可知，隨著通電時(shí)間增長，實(shí)驗(yàn)組件表面上部的溫度略高于下部的。這是由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境是密閉空間，隨著時(shí)間增長，空氣中的熱量不斷積累，熱空氣向上移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)組件上部所處的環(huán)境溫度相對(duì)較高，導(dǎo)致組件上部的溫度會(huì)比下部的略高。此外，光伏組件的接線盒位于組件上部，也可能會(huì)對(duì)組件溫度造成影響，但筆者未對(duì)此進(jìn)行深入探索。

測(cè)試結(jié)束時(shí)對(duì)4 塊實(shí)驗(yàn)組件的反向通電電流進(jìn)行復(fù)測(cè)，具體如表3 所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)組件反向通電電流都會(huì)比實(shí)驗(yàn)開始時(shí)通入的電流略高。

表3 實(shí)驗(yàn)前、后組件的電流與電壓情況Table 3 Current and voltage of PV modules before and after experiment

隨著組件溫度的提升，根據(jù)不同組件溫度時(shí)p-n結(jié)的I-V特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，相同反向偏壓下，當(dāng)組件溫度升高后，反向通電電流會(huì)隨組件溫度的升高而增大，具體如圖7 所示。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)采用恒壓源，所以才出現(xiàn)了電流增加的情況。隨著組件溫度的提升，組件的等效電阻將會(huì)變小，組件的輸入功率將會(huì)有略微提升。

2 反向通電對(duì)光伏組件性能的影響

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)采用的光伏組件均依據(jù)通威太陽能(合肥)有限公司(下文簡(jiǎn)稱“通威太陽能”)的封裝工藝和技術(shù)要求生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)組件的標(biāo)定功率均為275 Wp，型號(hào)為TW275PW-60，規(guī)格尺寸為1650 mm×992 mm×35 mm。實(shí)驗(yàn)組件的主要原材料信息如表4 所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

隨機(jī)挑選4 塊已經(jīng)進(jìn)行過室外曝曬的光伏組件，編號(hào)為1#～4#，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的檢驗(yàn)；將這4 塊組件串聯(lián)后的正極接外接電源的正極，負(fù)極接外接電源的負(fù)極，然后進(jìn)行反向通電(見圖8)，通電電流為6.67 A，通電時(shí)長為500 h，平均環(huán)境溫度為23 ℃；實(shí)驗(yàn)后檢驗(yàn)光伏組件是否出現(xiàn)缺陷。

表4 實(shí)驗(yàn)組件主要原材料清單Table 4 List of main raw materials of experimental PV modules

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)前、后的實(shí)驗(yàn)組件進(jìn)行EL 測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表5 所示。

觀察實(shí)驗(yàn)前、后組件的EL 圖片可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)后組件無新增隱裂和黑片，且有部分組件經(jīng)過反向通電后比通電前還要明亮，這說明這些組件的功率較實(shí)驗(yàn)前有些許提升。為了能更清楚地檢查組件是否存在隱裂等瑕疵，雖然檢測(cè)設(shè)備本身可以調(diào)整曝光度，進(jìn)而調(diào)整組件的亮度，但按照一般企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)可以認(rèn)為組件EL 檢測(cè)未出現(xiàn)新瑕疵。

表5 實(shí)驗(yàn)前、后組件的EL 測(cè)試結(jié)果Table 5 EL test results of PV modules before and after experiment

在太陽輻照度1000 W/m2、環(huán)境溫度25 ℃、大氣質(zhì)量AM1.5 的測(cè)試條件下，測(cè)試實(shí)驗(yàn)前、后4 塊組件的I-V電性能情況，結(jié)果如表6 所示。

表6 實(shí)驗(yàn)前、后組件的I-V 測(cè)試結(jié)果Table 6 I-V test results of PV modules before and after experiment

由表6 可知，實(shí)驗(yàn)后，有2 塊實(shí)驗(yàn)組件的最大功率出現(xiàn)了小幅下降，但下降幅度最高才0.02%；其余2 塊實(shí)驗(yàn)組件的最大功率出現(xiàn)了上升，且升幅達(dá)0.31%，具體如表7 所示。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)組件反向通電500 h(通電電流為6.67 A)，未發(fā)現(xiàn)新的外觀缺陷和組件EL 缺陷，且組件最大功率的變化范圍均小于0.5%。

表7 實(shí)驗(yàn)前、后組件的最大功率變化Table 7 Change of maximum power of PV modules before and after experiment

根據(jù)表7 中的數(shù)據(jù)可知，反向通電對(duì)光伏組件最大功率的影響符合IEC 61215:2005《地面用晶體硅光伏組件——設(shè)計(jì)鑒定和定型》中規(guī)定的組件缺陷功率衰減范圍(5%)[11]，但還需要進(jìn)一步檢驗(yàn)組件的干濕漏電、絕緣耐壓，特別是接線盒相關(guān)性能是否受到損害。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)光伏組件反向通2、4、8、12 A電流且連續(xù)通電1 h 后發(fā)現(xiàn)，不同電流強(qiáng)度下光伏組件玻璃表面的溫度均會(huì)有所提升，并且電流越大，溫升越快、越明顯。由于實(shí)驗(yàn)是在密閉環(huán)境中進(jìn)行，隨著時(shí)間的推移，空氣被加熱后會(huì)對(duì)光伏組件表面的溫升產(chǎn)生干擾；由于實(shí)驗(yàn)使用恒壓源設(shè)備，即輸出電壓基本恒定，因此隨著組件溫度的升高，反向通電電流也會(huì)略微升高，這和不同組件溫度時(shí)p-n 結(jié)的I-V特性曲線相呼應(yīng)。對(duì)實(shí)驗(yàn)組件反向通電500 h(通電電流為6.67A)后，未發(fā)現(xiàn)組件有明顯的外觀瑕疵和功率損失，且2塊組件的最大功率還略微上升，最大升幅為0.31%，變化幅度均在0.5%以內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范的要求。

綜上所述可知，短期對(duì)光伏組件反向通電，可以使光伏組件發(fā)熱，且對(duì)光伏組件最大功率的影響較小。在高緯度地區(qū)，積雪對(duì)光伏組件的影響十分明顯，相較于機(jī)械、人工等除雪方式，通過對(duì)光伏組件自身加熱而進(jìn)行除雪不僅可減少除雪成本，還可有效提升光伏組件發(fā)電量；此方式還可以應(yīng)用在需要加熱的光伏建筑一體化項(xiàng)目或需要給屋頂加熱的項(xiàng)目中。