張棟兵，孟慶法

(無(wú)錫市檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證研究院，無(wú)錫 214101)

0 引言

近年來(lái)，隨著采用高效新技術(shù)的高光電轉(zhuǎn)換效率、高發(fā)電量的光伏組件成為市場(chǎng)主流產(chǎn)品，對(duì)于光伏組件的接線盒旁路二極管(下文簡(jiǎn)稱為“二極管”)等關(guān)鍵零部件提出了更高要求[1]。在整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，接線盒作為光伏組件的重要組成部分，主要作用是將光伏組件產(chǎn)生的電力與外部線路連接，傳導(dǎo)產(chǎn)生的電流，其質(zhì)量是否可靠，直接關(guān)系到光伏組件發(fā)電的穩(wěn)定性與連續(xù)性。文獻(xiàn)[2]的研究表明：在實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)中可能因靜電引起二極管擊穿，從而造成接線盒和光伏組件燒毀。文獻(xiàn)[3]的研究表明：雷電感應(yīng)過(guò)電壓會(huì)導(dǎo)致光伏組件二極管擊穿，但需要出現(xiàn)足夠大且持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)的反灌電流，才能燒毀二極管。文獻(xiàn)[4]的研究表明：高額順向電流有很低的概率會(huì)造成二極管擊穿，過(guò)大電壓沖擊會(huì)導(dǎo)致二極管擊穿失效。文獻(xiàn)[5]的研究表明：戶外光伏電站實(shí)際運(yùn)行中會(huì)因感應(yīng)雷擊導(dǎo)致二極管擊穿失效。上述研究主要是針對(duì)二極管的擊穿進(jìn)行分析測(cè)試，很少?gòu)耐ㄟ^(guò)模擬測(cè)試來(lái)復(fù)現(xiàn)相關(guān)現(xiàn)象的角度來(lái)開展研究?；诖?，本文以中國(guó)西北地區(qū)某戶外光伏電站為例，針對(duì)該電站中光伏組件出現(xiàn)的接線盒鼓包情況，拆取正常光伏組件至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行二極管短路電流下的熱性能、反向電流過(guò)載下的熱性能、熱逃逸性能的模擬測(cè)試分析。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

以中國(guó)西北地區(qū)某戶外光伏電站為例，以從該電站拆回的接線盒無(wú)鼓包的光伏組件作為實(shí)驗(yàn)樣品，重點(diǎn)進(jìn)行光伏組件二極管相關(guān)測(cè)試分析。該光伏組件的銘牌標(biāo)稱信息如表1 所示。

表1 光伏組件的銘牌標(biāo)稱信息Table 1 Nameplate nominal information of PV module

正常與鼓包的光伏組件接線盒的照片如圖1所示。

圖1 正常與鼓包的光伏組件接線盒的照片F(xiàn)ig. 1 Photos of normal and bulging PV module junction boxes

2 測(cè)試設(shè)計(jì)

2.1 短路電流下的熱性能測(cè)試

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，接線盒鼓包主要是因?yàn)閮?nèi)部發(fā)熱引起，因此根據(jù)IEC 61215：2005《Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules ——

Design qualification and type approval》[6]的測(cè)試條件，主要模擬測(cè)試在不同短路電流下二極管表面的溫度變化情況。但在測(cè)試結(jié)束后不再按照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行光伏組件外觀、最大功率和絕緣性能測(cè)試，也不再按照標(biāo)準(zhǔn)中的要求進(jìn)行二極管結(jié)溫、光伏組件功率衰減、絕緣等合格與否的判定，而是僅測(cè)試施加不同倍率的短路電流時(shí)二極管的發(fā)熱性能。

2.1.2 測(cè)試條件

參照IEC 61215：2005[6]，將光伏組件二極管短路，然后將用于溫度測(cè)試的熱電偶粘接在二極管表面，蓋上接線盒盒蓋后將待測(cè)光伏組件放入環(huán)境箱，加熱光伏組件至75 ℃，對(duì)光伏組件二極管分別施加標(biāo)準(zhǔn)條件(1 倍和1.25 倍短路電流)和模擬條件(1.5 倍、2 倍、2.5 倍短路電流)，1 h 后測(cè)試每個(gè)二極管的表面溫度。

測(cè)試時(shí)的接線盒連線圖如圖2 所示，測(cè)試時(shí)的測(cè)試條件如表2 所示。

表2 短路電流下熱性能測(cè)試時(shí)的測(cè)試條件Table 2 Test conditions for thermal performance testing under short-circuit current

圖2 測(cè)試時(shí)的接線盒連線圖Fig. 2 Wiring photo of junction box during testing

2.2 反向電流過(guò)載下的熱性能測(cè)試

2.2.1 測(cè)試內(nèi)容

分別進(jìn)行不同倍率最大保護(hù)電流條件下的反向電流過(guò)載測(cè)試，評(píng)估光伏組件在反向電流過(guò)載下的熱性能，判斷是否會(huì)發(fā)生起火或燃燒等危險(xiǎn)情況。

2.2.2 測(cè)試條件

環(huán)氧樹脂混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用前景十分可觀，具有耐久性好、韌性強(qiáng)的特點(diǎn)，且環(huán)氧樹脂混凝土的強(qiáng)度比一般的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)速度快，對(duì)于溫度的要求沒有普通混凝土嚴(yán)格，在低溫或者常溫下也可以進(jìn)行固化。環(huán)氧樹脂混凝土是一種有機(jī)復(fù)合材料，混凝土保留了原有的特性，同時(shí)環(huán)氧樹脂混凝土的黏附性很好，是一種適合橋梁快速修補(bǔ)的材料[5]。

參照IEC 61730-2：2004《Photovoltaic(PV)

module safety qualification—— Part 2: requirements for testing》[7]，光伏組件朝下放置在松木板上，背面覆蓋棉花布面織物，短路所有二極管，分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件(1.35 倍最大保護(hù)電流)和模擬條件(1.5 倍、2 倍、2.5 倍最大保護(hù)電流)下的反向電流過(guò)載測(cè)試，每次測(cè)試持續(xù)2 h 后查看光伏組件是否有異常。測(cè)試時(shí)的測(cè)試條件如表3 所示。

表3 反向電流過(guò)載下熱性能測(cè)試時(shí)的測(cè)試條件Table 3 Test conditions for thermal performance testing under reverse current overload

2.3 熱逃逸性能測(cè)試

2.3.1 測(cè)試內(nèi)容

在反向偏置電流增加的情況下，光伏組件二極管溫度會(huì)升高，持續(xù)漏電流會(huì)造成二極管溫度增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)闇厣吐╇娏髟斐啥O管損壞。本測(cè)試是為了驗(yàn)證二極管工作時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)失效，從而無(wú)法恢復(fù)其性能。

2.3.2 測(cè)試條件

參 照IEC 62979：2017《Photovoltaic modules——Bypass diode：thermal runaway test》[8]進(jìn)行二極管熱逃逸測(cè)試。在室溫下，給二極管施加反向偏壓(即二極管所在光伏組串在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的開路電壓，約12.7 V)，并測(cè)量初始反向電流Irev1；給二極管施加正向1.25 倍短路電流，挑選溫度最高的二極管為待測(cè)二極管；將待測(cè)二極管放入90 ℃環(huán)境箱中，同時(shí)給二極管施加正向1.25 倍短路電流，保持40 min；然后在10 ms 內(nèi)給二極管施加同樣的反向偏壓，并觀察被測(cè)二極管的反向電流和溫度的變化；最后將二極管樣品從環(huán)境箱中取出，待樣品降至室溫后，施加同樣的反向偏壓，并測(cè)量最終的反向電流Irev2。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 短路電流下熱性能測(cè)試的測(cè)試結(jié)果分析

不同短路電流下1#～3#二極管的熱性能測(cè)試的測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同短路電流下3 根二極管的熱性能測(cè)試的測(cè)試結(jié)果Fig. 3 Test results of thermal performance testing of three diodes under different short-circuit currents

從圖3 可以看出：隨著加載電流(Isc、1.25Isc、1.50Isc、2.00Isc、2.50Isc)的增加，二極管表面最高溫度呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在施加高倍短路電流(2.50Isc)作用下，3 根二極管表面最高溫度均在190.0 ℃以上，最高達(dá)到222.5 ℃，此時(shí)二極管引腳均出現(xiàn)發(fā)黑，灌封膠出現(xiàn)熔化和結(jié)晶現(xiàn)象，如圖4 所示。上述測(cè)試結(jié)果表明：在2.50Isc作用下，二極管易產(chǎn)生極高溫度，引發(fā)接線盒灌封膠高溫熔化，最終導(dǎo)致接線盒鼓包，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)二極管燒穿，光伏組件燒壞失效的情況。

圖4 2.50Isc 作用下接線盒的內(nèi)部狀況Fig. 4 Internal condition of junction box under action of 2.50Isc

3.2 反向電流過(guò)載下熱性能測(cè)試的測(cè)試結(jié)果分析

分別進(jìn)行不同倍率最大保護(hù)電流(1.35IF、1.50IF、2.00IF、2.50IF)條件下的反向電流過(guò)載測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：不同倍率最大保護(hù)電流測(cè)試后的接線盒能夠正常工作，二極管壓降依舊正常，正向?qū)ǎ聪蚪刂?，也未發(fā)生接線盒鼓包或燒穿現(xiàn)象，性能均合格。2.50IF條件下熱性能測(cè)試后的接線盒外觀照片如圖5 所示。

圖5 2.50IF 條件下熱性能測(cè)試后的接線盒外觀照片F(xiàn)ig. 5 Appearance photo of junction box after thermal performance testing at 2.50IF condition

上述研究結(jié)果說(shuō)明：二極管的反向過(guò)電流能力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，接線盒鼓包與二極管反向電流過(guò)載下的熱性能無(wú)直接關(guān)系。

3.3 熱逃逸測(cè)試的測(cè)試結(jié)果分析

熱逃逸測(cè)試后二極管的性能結(jié)果如表4所示。

表4 熱逃逸測(cè)試后二極管的性能結(jié)果Table 4 Performance results of diodes after thermal runaway testing

測(cè)試結(jié)束后二極管的最終反向電流僅在初始反向電流的1.2～1.4 倍之間，并且二極管功能完好，正向?qū)ǎ聪蚪刂?，沒有發(fā)生燒焦熔化現(xiàn)象，殼體也未損壞，全部符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的“Irev2不應(yīng)大于5 倍Irev1”的要求。

熱逃逸測(cè)試后接線盒的內(nèi)部照片如圖6所示。

圖6 熱逃逸測(cè)試后接線盒的內(nèi)部照片F(xiàn)ig. 6 Internal photo of junction box after thermal runaway testing

4 結(jié)論

本文以中國(guó)西北地區(qū)某戶外光伏電站為例，針對(duì)該電站中光伏組件出現(xiàn)的接線盒鼓包情況，拆取正常光伏組件至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了二極管短路電流下的熱性能、反向電流過(guò)載下的熱性能、熱逃逸性能的模擬測(cè)試分析。測(cè)試結(jié)果顯示：

1) 隨著加載的短路電流(Isc、1.25Isc、1.50Isc、2.00Isc、2.50Isc)的增加，二極管表面最高溫度呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在施加高倍短路電流(2.50Isc)作用下，二極管表面最高溫度達(dá)到222.5 ℃時(shí)二極管引腳出現(xiàn)發(fā)黑，灌封膠出現(xiàn)熔化和結(jié)晶現(xiàn)象。

2)反向電流過(guò)載模擬測(cè)試后接線盒能夠正常工作，二極管壓降依舊正常，未發(fā)生接線盒鼓包或燒穿，說(shuō)明接線盒鼓包與二極管反向電流過(guò)載無(wú)直接關(guān)系。

3) 熱逃逸測(cè)試后二極管性能仍能滿足相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求。