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光伏組件的熱斑效應(yīng)和試驗(yàn)方法

光伏電池是將太陽光輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能的器件。單個(gè)硅晶體光伏電池能得到的ZUI大電壓約為0.6V，ZUI大電流約為30mA/cm2。因此光伏電池很少單個(gè)使用，而是串聯(lián)或并聯(lián)起來，以獲得所期望的電壓或電流。光伏組件正是由多個(gè)光伏電池連接和封裝而成的產(chǎn)品，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中電池方陣的基本單元。

為了達(dá)到較高轉(zhuǎn)換效率，光伏組件中的單體電池須具有相似的特性。在實(shí)際使用過程中，可能出現(xiàn)電池裂紋或不匹配、內(nèi)部連接失效、局部被遮光或弄臟等情況，導(dǎo)致一個(gè)或一組電池的特性與整體不諧調(diào)。失諧電池不但對(duì)組件輸出沒有貢獻(xiàn)，而且會(huì)消耗其他電池產(chǎn)生的能量，導(dǎo)致局部過熱。這種現(xiàn)象稱為熱斑效應(yīng)。當(dāng)組件被短路時(shí)，內(nèi)部功率消耗ZUI大，熱斑效應(yīng)也ZUI嚴(yán)重。

一、熱斑效應(yīng)原理

當(dāng)然，并不是所有的電池都可以通過調(diào)整遮光比例達(dá)到ZUI佳阻抗匹配。完全遮光情況下，不同特性的Y電池I-V曲線如圖3所示。斜率越低，表明電池的并聯(lián)電阻越大。考慮（S-1）個(gè)電池串的ZUI大輸出功率點(diǎn)所限定的“試驗(yàn)界限”，根據(jù)I-V曲線與“試驗(yàn)界限”的交點(diǎn)，把電池分為電壓限制型（A類）和電流限制型（B類）。A類電池并聯(lián)電阻較大，可以通過減少遮光面積，達(dá)到ZUI佳阻抗比配；B類電池的并聯(lián)電阻較小，完全遮光已是Y電池消耗功率ZUI大的狀態(tài)。

二、熱斑耐久試驗(yàn)

熱斑效應(yīng)可導(dǎo)致電池局部燒毀形成暗斑、焊點(diǎn)熔化、封裝材料老化等永久性損壞，是影響光伏組件輸出功率和使用壽命的重要因素，甚至可能導(dǎo)致安全隱患。因此，IEC 61215:2005《地面用晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)鑒定和定性》專門設(shè)置了熱斑耐久試驗(yàn)，以考核光伏組件經(jīng)受熱斑加熱效應(yīng)的能力。

熱斑耐久試驗(yàn)過程包括ZUI壞情況的確定、5小時(shí)熱斑試驗(yàn)以及試驗(yàn)后的診斷測(cè)量，分為以下4個(gè)步驟。

1、選定ZUI差電池

由于受到檢測(cè)時(shí)間和成本的限制，熱斑耐久試驗(yàn)不能針對(duì)組件中的每一個(gè)電池進(jìn)行。因此，正式試驗(yàn)之前先比較和選擇熱斑加熱效應(yīng)ZUI顯著的電池。具體方法是，在一定光照條件下，將組件短路，依次遮擋每個(gè)電池，被遮光后穩(wěn)定溫度ZUI高者為ZUI差電池片。電池溫度可以用熱成像儀等儀器測(cè)量。對(duì)于串聯(lián)-并聯(lián)-串聯(lián)連接方式的大型組件，標(biāo)準(zhǔn)允許隨機(jī)選擇其中30%的電池進(jìn)行比較。

對(duì)于串聯(lián)和串聯(lián)-并聯(lián)連接方式的組件，IEC61215標(biāo)準(zhǔn)給出了兩種快速的方法。**種方法是：將組件短路，不遮光，直接尋找穩(wěn)定工作溫度ZUI高的電池。第二種方法是：將組件短路，依次遮擋每個(gè)電池，選擇遮光后組件短路電流減少ZUI大的電池。本文推薦采用第二種方法，這主要是考慮到測(cè)量短路電流精度較高，測(cè)量結(jié)果可以用于下一個(gè)步驟的判斷，而且短路電流跟失諧電池消耗的功率有直接關(guān)系。

2、確定ZUI壞遮光比例

選定ZUI差電池之后，還要確定在何種遮光比例下熱斑的溫度ZUI高。即用一組遮光增量為5%的一組不透明蓋板，逐漸減少對(duì)該電池的遮光面積，監(jiān)測(cè)電池被遮部位背面的穩(wěn)定溫度，看何時(shí)達(dá)到ZUI高溫度。目前ZUI常見的電池規(guī)格有156mm*156mm和125mm*125mm兩種，因此實(shí)驗(yàn)室需要準(zhǔn)備兩組不透明蓋板。

以上兩個(gè)步驟所使用的輻射源，可以是穩(wěn)態(tài)太陽模擬器或自然陽光，輻照度不低于700W/m2，不均勻度不超過±2%，瞬時(shí)穩(wěn)定度在±5%以內(nèi)。如果氣候條件允許，可優(yōu)先選擇自然陽光。南方的實(shí)驗(yàn)室在這方面優(yōu)勢(shì)明顯。以深圳為例，根據(jù)氣象局統(tǒng)計(jì)（表一），年太陽輻射量平均為 5225 MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)平均為2060小時(shí)，可計(jì)算平均太陽輻射強(qiáng)度為705W/m2。另外，低緯度地區(qū)的太陽輻射季節(jié)分配相對(duì)均勻。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，深圳冬季的太陽輻射強(qiáng)度，晴天正午前后仍可達(dá)850 W/m2以上。這種太陽輻射條件，同樣適宜進(jìn)行光伏組件的另外一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目——電池額定工作溫度（NOCT）的測(cè)量。

3、5小時(shí)熱斑耐久試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)要求輻射源為C類或更好的穩(wěn)態(tài)太陽模擬器或自然陽光，其輻照度為1000W/m2±10%。實(shí)際上自然陽光很難在5小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持10%的穩(wěn)定度，因此須采用穩(wěn)態(tài)太陽模擬器。光譜近似日光的氙燈是ZUI佳選擇，全光譜金鹵燈也可以滿足光譜要求。須注意燈陣列的設(shè)計(jì)，使測(cè)試平面的輻照不均勻度小于±10%；同時(shí)配備穩(wěn)壓電源，保證試驗(yàn)期間輻照不穩(wěn)定度小于10%。

4、試驗(yàn)后的診斷測(cè)量

組件經(jīng)過熱斑耐久試驗(yàn)之后，首先進(jìn)行外觀檢查，對(duì)任何裂紋、氣泡或脫層等情況進(jìn)行記錄或照相。如果發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)第7章規(guī)定的嚴(yán)重外觀缺陷，則視為不合格。如果存在外觀缺陷但不屬于嚴(yán)重外觀缺陷，則對(duì)另外2塊電池重復(fù)熱斑耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)后不再發(fā)現(xiàn)外觀缺陷，則算合格。此外，組件在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的ZUI大輸出功率Pm的衰減不能超過5%；絕緣電阻應(yīng)滿足初始試驗(yàn)的同樣要求。

解決熱斑效應(yīng)問題的通常做法，是在組件上加裝旁路二極管。通常情況下，旁路二極管處于反偏壓，不影響組件正常工作。當(dāng)一個(gè)電池被遮擋時(shí)，其他電池促其反偏成為大電阻，此時(shí)二極管導(dǎo)通，總電池中超過被遮電池光生電流的部分被二極管分流，從而避免被遮電池過熱損壞。光伏組件中一般不會(huì)給每個(gè)電池配一個(gè)旁路二極管，而是若干個(gè)電池為一組配一個(gè)，如圖1所示。此時(shí)被遮擋電池只影響其所在電池組的發(fā)電能力。