仲政祥，胡晉榮，盧 杰，陳 棟，陳 勇

(中認(rèn)南信檢測技術(shù)有限公司，南京 210023)

0 引言

能源短缺一直是阻礙我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸之一，隨著化石能源的日益匱乏及其對環(huán)境污染的不斷加重，改變能源結(jié)構(gòu)成為我國長期的戰(zhàn)略目標(biāo)。為此，我國逐漸減少了對煤炭等化石能源的使用，并大力開發(fā)了各種清潔的可再生能源。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，光伏發(fā)電是其主要的利用方式之一，而光伏組件是該方式下將太陽能的光能轉(zhuǎn)換為電能的重要設(shè)備。

在我國，以無錫尚德太陽能電力有限公司為代表的光伏企業(yè)自2004年之后如雨后春筍般的出現(xiàn)并迅速發(fā)展，2008年我國光伏組件的出貨量達(dá)到全球第一，其中90%的光伏組件出口至國外。但隨著2011年歐洲光伏補(bǔ)貼的減少及美國對我國光伏組件實(shí)施的“雙反”政策，國內(nèi)光伏企業(yè)舉步維艱；隨后國家與地方政府均出臺了各種優(yōu)惠及補(bǔ)貼政策，促進(jìn)了我國國內(nèi)光伏電站的建設(shè)，從西部地區(qū)到東部地區(qū)逐漸建設(shè)了各種集中式和分布式光伏電站。之后，隨著國內(nèi)光伏補(bǔ)貼的減少及光伏扶貧工作的開展，工商業(yè)屋頂光伏電站及扶貧光伏電站逐漸成為國內(nèi)光伏行業(yè)發(fā)展的主流，但由于這2類光伏電站的業(yè)主均不具備相應(yīng)的光伏電站運(yùn)維知識，電站中常存在建筑物、植物、灰塵等遮擋光伏組件的情況，進(jìn)而導(dǎo)致被遮擋的光伏組件產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象。而熱斑現(xiàn)象若長期得不到解決，輕則會造成光伏組件的性能衰減，重則會引發(fā)火災(zāi)?；诖?，本文首先對光伏組件熱斑現(xiàn)象的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，然后針對產(chǎn)生熱斑后光伏組件中太陽電池串的電路情況進(jìn)行了研究，并闡述了通過熱斑耐久試驗(yàn)尋找光伏組件中發(fā)生最嚴(yán)重?zé)岚攥F(xiàn)象的太陽電池的方法及確定熱斑現(xiàn)象最嚴(yán)重的光伏組件遮擋方式。

1 熱斑現(xiàn)象的產(chǎn)生原因

照射在光伏組件上的太陽光一部分會被吸收，而另一部分會被反射，反射的太陽光基本不會對光伏組件的工作溫度產(chǎn)生影響；而被光伏組件吸收的太陽光中，一部分是用于光電轉(zhuǎn)換，另一部分則會產(chǎn)生熱量，使光伏組件的工作溫度上升。在風(fēng)速一定的情況下，正常工作的光伏組件的背面溫度與環(huán)境溫度之間的差值大小一般僅與太陽輻照度有關(guān)，且二者呈線性關(guān)系。通常，光伏組件并網(wǎng)時的背面溫度應(yīng)比其處于開路狀態(tài)時的背面溫度低。

當(dāng)某個串聯(lián)的太陽電池串中存在被遮擋或有缺陷的太陽電池時，該電池將會被當(dāng)作負(fù)載來消耗電池串中其他正常接收光照的電池所產(chǎn)生的能量[1]，導(dǎo)致該電池的表面溫度遠(yuǎn)高于電池串中其他正常電池的表面溫度，即產(chǎn)生了熱斑現(xiàn)象。熱斑現(xiàn)象會嚴(yán)重?fù)p壞太陽電池，并會導(dǎo)致光伏組件局部發(fā)熱。由于光伏組件內(nèi)部的太陽電池一般采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，為了防止因某塊電池產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象而導(dǎo)致整個電池串的電流下降，需在組件內(nèi)部每隔數(shù)個電池串并聯(lián)1個旁路二極管，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的光伏組件遮擋情況時，電流會流經(jīng)旁路二極管以避開被遮擋的太陽電池，從而確保光伏組件正常、安全地運(yùn)行。

光伏組件產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象的常見原因主要包括：1)由光伏組件的生產(chǎn)過程導(dǎo)致。比如，在光伏組件生產(chǎn)時未嚴(yán)格篩選太陽電池，導(dǎo)致存在太陽電池黑斑、隱裂及太陽電池串聯(lián)失配等缺陷，造成部分太陽電池的光生電流低于太陽電池串正常狀態(tài)下的工作電流，存在缺陷的電池被迫反向消耗功率，導(dǎo)致其溫度上升幅度較大，從而產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象。2)在光伏組件運(yùn)輸或安裝過程中因外力造成太陽電池產(chǎn)生裂縫或破碎。3)光伏電站運(yùn)維不到位，存在建筑物、植物、鳥屎或灰塵等遮擋情況。本文主要針對第3種情況進(jìn)行分析。

運(yùn)行的光伏組件被遮擋的實(shí)物圖如圖1所示，被遮擋的光伏組件內(nèi)某塊太陽電池產(chǎn)生熱斑后的紅外圖像如圖2所示。結(jié)合圖1、圖2可知，光伏組件被遮擋后，受到遮擋的太陽電池極有可能會產(chǎn)生熱斑。

圖1 運(yùn)行的光伏組件被遮擋的實(shí)物圖Fig.1 Photo of operating PV module being shaded

圖2 產(chǎn)生熱斑的太陽電池的紅外圖像Fig.2 Infrared image of solar cell that produces hot spot

2 產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象的太陽電池串的電路圖

以某廠家生產(chǎn)的晶體硅光伏組件為例。該組件由60片太陽電池組成，每20片太陽電池為1個太陽電池串，每個太陽電池串并聯(lián)1個旁路二極管，共3個旁路二極管。假設(shè)某太陽電池串內(nèi)的某片太陽電池全部被遮擋，并由此產(chǎn)生了熱斑現(xiàn)象，現(xiàn)對該太陽電池串的電路情況進(jìn)行分析。由于被遮擋的太陽電池與剩余的太陽電池屬于串聯(lián)關(guān)系，因此將19片未被遮擋的太陽電池等效視為1個電源，用S19表示；被遮擋的1片太陽電池用S遮表示。該太陽電池串的電路圖如圖3所示。圖中：Imp為光伏組件的最大功率點(diǎn)電流；Ud為旁路二極管的兩端電壓；Rs19、Rsh19分別為S19的等效串聯(lián)電阻和等效并聯(lián)電阻；Rs遮、Rsh遮分別為S遮的等效串聯(lián)電阻和等效并聯(lián)電阻；ψ1、ψ2、ψ3、ψ4分別為太陽電池內(nèi)的各點(diǎn)電勢，對于正常狀態(tài)的太陽電池，其電勢升高方向應(yīng)與內(nèi)部的電流方向一致，即ψ4>ψ3，但由于S遮相當(dāng)于負(fù)載，因此該電池電勢升高方向與內(nèi)部的電流方向相反，即ψ1>ψ2。

圖3 存在熱斑現(xiàn)象的太陽電池串的電路圖Fig.3 Circuit diagram of solar cell string with hot spot phenomenon

由于該太陽電池串并聯(lián)了1個旁路二極管，則該旁路二極管的兩端電壓Ud可表示為：

式中：U19為S19的光生電壓；U遮為S遮的反向電壓。

當(dāng)通過電路中的電流I發(fā)生改變時，U遮會隨之發(fā)生改變，相應(yīng)的Ud也會發(fā)生改變。

當(dāng)Ud>0時，旁路二極管被反向截止，此時Ud的值越高，U遮的絕對值就越低。

當(dāng)Ud=0時，U遮=-U19，此時S遮兩端的電壓最大，S19所產(chǎn)生的光生電壓全部加載至S遮的兩端，此時S遮消耗的功率Q可表示為：

當(dāng)Ud<0時，由于旁路二極管一般為鍺二極管，直到Ud=-0.3 V時旁路二極管全部被導(dǎo)通。通常，單片晶體硅太陽電池的光生電壓約為0.7 V。

因此，U遮=Ud–U19=(-0.3)–19×0.7=-13.6 V。

但此時通過S遮的電流為零，因此這時這片被遮擋的太陽電池不發(fā)熱。

3 光伏組件熱斑耐久試驗(yàn)的步驟與方式

隨著光伏組件的封裝工藝不斷提升，封裝較好的光伏組件應(yīng)具備較大的并聯(lián)電阻和較低的串聯(lián)電阻。通常，在光伏組件的使用過程中，無論組件中哪片太陽電池被遮擋均會使光伏組件產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象，當(dāng)旁路二極管即將被導(dǎo)通時，被遮擋太陽電池在發(fā)熱時其反向電壓最高。光伏組件熱斑耐久試驗(yàn)的步驟主要包括尋找最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的太陽電池和尋找熱斑現(xiàn)象最嚴(yán)重的光伏組件遮擋方式。

3.1 尋找最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的太陽電池

尋找最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的太陽電池的方法為：按照IEC 61215: 2005[2]的要求，根據(jù)太陽電池的特性，一般可將光伏組件內(nèi)部的太陽電池分為A類和B類，因此在進(jìn)行熱斑耐久試驗(yàn)時，先要判定太陽電池的種類。對于A類太陽電池而言，最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的是并聯(lián)電阻最小的太陽電池；對于B類太陽電池而言，最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的是并聯(lián)電阻最大的太陽電池。

正常運(yùn)行的光伏組件的I-V曲線示意圖如圖4所示。圖中，I-V曲線與橫軸交匯處的切線的斜率的倒數(shù)為電路中的串聯(lián)電阻Rs，當(dāng)Rs趨向零時，這條切線垂直于橫軸；I-V曲線與縱軸交匯處的切線的斜率的倒數(shù)為電路中的并聯(lián)電阻Rsh，當(dāng)Rsh趨向無窮大時，這條切線趨于水平。

圖4 正常運(yùn)行的光伏組件的I-V曲線示意圖Fig.4 Schematic diagram of I-V curve of PV module in normal operation

填充因子FF的高低是考核太陽電池性能好壞的因素之一，其值越高，表示太陽電池的性能越好。由圖4可知，當(dāng)Rsh值越大、Rs值越小時，太陽電池的FF也就越高，但其值總是小于1。

根據(jù)IEC 61215: 2005[2]中的熱斑耐久試驗(yàn)要求可知，當(dāng)1串太陽電池串(電池數(shù)量為s)中某片太陽電池被全部遮擋時，該片太陽電池的兩端電壓為(s-1)片太陽電池產(chǎn)生的光生電壓。當(dāng)被遮擋太陽電池的反向I-V曲線先與(s-1)片太陽電池的最大功率點(diǎn)電壓Vmp相交時，將此類太陽電池定義為“A類太陽電池”，此類電池的并聯(lián)電阻較大；若被遮擋太陽電池的反向I-V曲線先與(s-1)片太陽電池的短路電流Isc相交時，將此類太陽電池定義為“B類太陽電池”，此類電池的并聯(lián)電阻較小。分類具體如圖5所示。

圖5 被遮擋太陽電池的分類Fig.5 Classification of shaded solar cells

隨著太陽電池技術(shù)不斷提升，光伏組件的并聯(lián)電阻也越來越高，因此光伏組件采用的是A類太陽電池的概率較高。對于A類太陽電池而言，光伏組件的并聯(lián)電阻越低，其越容易產(chǎn)生熱斑；對于B類太陽電池而言，光伏組件的并聯(lián)電阻越高，其越容易產(chǎn)生熱斑。

在同一塊光伏組件中，不同品質(zhì)的太陽電池具備不同的并聯(lián)電阻，因此根據(jù)IEC 61215-2:2016[3]，通過將該光伏組件中不同的整片太陽電池依次進(jìn)行全部遮擋來測試該光伏組件的I-V特性，并將得到的所有I-V曲線集中至同一張圖中，如圖6所示。從圖6可知，太陽電池依次被全部遮擋時生成的光伏組件I-V曲線不是平滑的曲線，全部出現(xiàn)了較大的拐角，在拐角處旁路二極管被導(dǎo)通；并且旁路二極管被導(dǎo)通時的最大導(dǎo)通電流遠(yuǎn)低于太陽電池未被遮擋時生成的Imp。由此可知，此光伏組件采用的是A類太陽電池，而旁路二極管的導(dǎo)通電流最大時對應(yīng)的太陽電池即為并聯(lián)電阻最小的太陽電池，也是最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的太陽電池。

圖6 不同情況下的光伏組件I-V曲線Fig.6 I-V curves of PV modules in different situations

3.2 尋找熱斑現(xiàn)象最嚴(yán)重的光伏組件遮擋方式

由上文可知，對于A類太陽電池而言，可通過全部遮擋組件中某片太陽電池并測試遮擋后光伏組件的I-V特性來尋找并聯(lián)電阻最小的太陽電池，從而確定最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的太陽電池。而當(dāng)逐漸減少遮擋面積后，隨著遮擋面積的減小，流經(jīng)旁路二極管的電流不斷增大，當(dāng)旁路二極管全部被導(dǎo)通時的導(dǎo)通電流與Imp相等時，此種情況下對應(yīng)的太陽電池的單位面積發(fā)熱量最多，而該遮擋面積下的太陽電池發(fā)生的熱斑現(xiàn)象最嚴(yán)重。不同太陽電池遮擋面積下的光伏組件I-V特性如圖7[3]所示。

圖7 不同太陽電池遮擋面積下的光伏組件I-V特性Fig.7 I-V characteristics of PV modules under different shaded areas of solar cells

進(jìn)行熱斑耐久試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，光伏組件采用A類太陽電池時居多。單片A類太陽電池最嚴(yán)重的遮擋情況一般是出現(xiàn)在電池遮擋面積為5%～10%時。以單片太陽電池面積243 cm2為例，其Imp一般為8.0～8.5 A，本文取8 A。以上文的20片電池中1片被全部遮擋時的情況為例，則按照式(2)可得到Q=106.4 W。

若電池遮擋面積為5%時，則該片電池上未被遮擋的面積A的單位面積上的熱功率密度J可表示為：

式中，A=243×5%=12.15 cm2，代入相關(guān)數(shù)值后可得J=8.8 W/cm2。由此可知，發(fā)生熱斑現(xiàn)象時太陽電池單位面積上的發(fā)熱量較高，若熱量長期聚集，將嚴(yán)重影響組件中的電池壽命，同時還會造成背板黃變和EVA性能退化，降低光伏組件的使用年限。

若某光伏組件采用的均為B類太陽電池，可根據(jù)遮擋太陽電池后旁路二極管的導(dǎo)通電流等于Imp來確定熱斑現(xiàn)象最嚴(yán)重的遮擋方式。當(dāng)某片太陽電池被全部遮擋時，旁路二極管的導(dǎo)通電流大于Imp；若減少該片太陽電池的被遮擋面積，旁路二極管的導(dǎo)通電流會更大于Imp。因此需要增加太陽電池的遮擋數(shù)量來降低旁路二極管的導(dǎo)通電流，直到太陽電池的被遮擋面積大到可使旁路二極管的導(dǎo)通電流等于Imp時，此時才是B類太陽電池?zé)岚攥F(xiàn)象最嚴(yán)重的光伏組件遮擋方式。

4 結(jié)論

本文對熱斑耐久試驗(yàn)的主要步驟進(jìn)行了簡述，揭示了各個操作步驟的原理，根據(jù)A類太陽電池和B類太陽電池所表現(xiàn)出的特性，指出了尋找這2類太陽電池中最易發(fā)生熱斑現(xiàn)象的太陽電池的方式。太陽電池產(chǎn)生熱斑后，輕則會造成光伏組件性能衰減，重則會引發(fā)火災(zāi)，因此在光伏電站實(shí)際運(yùn)行過程中，應(yīng)盡可能避免各種因素造成的光伏組件中的太陽電池遮擋情況。