摘 要：在光伏組件長期運行過程中，會出現(xiàn)一些影響光伏組件性能的質(zhì)量問題，如“熱斑效應(yīng)”、“EVA黃變”、“隱裂”等，直接影響到光伏組件的發(fā)電效率和使用壽命，從光伏組件性能的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來分析，其中“熱斑效應(yīng)”對光伏組件性能影響最大，已成為導(dǎo)致光伏組件損壞、發(fā)生火災(zāi)、發(fā)電功率下降的主要因素，對光伏發(fā)電項目經(jīng)濟(jì)效益，光伏電站安全運行等都帶來了嚴(yán)重影響。因此，為了控制“熱斑效應(yīng)”的危害，我們通過仿真實驗、研究分析其形成原因，制定有效的控制措施，保證光伏光伏組件發(fā)電項目的安全、高效運行。

關(guān)鍵詞：光伏組件；熱斑效應(yīng)；控制措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.062

1 引言

能源是推動當(dāng)今社會前進(jìn)的動力，傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣等化石能源及新興的核能、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮茉吹裙餐苿又鐣倪M(jìn)步，現(xiàn)當(dāng)人們拼命消耗能源，發(fā)展經(jīng)濟(jì)時，我們也面臨著一個新的困境，一是傳統(tǒng)能源數(shù)量逐漸減少，二是在使用這些傳統(tǒng)能源時，這些能源所產(chǎn)生的排放物對環(huán)境造成的危害問題也變得日益突出。在這個時候，人們都希望有一種無污染、無排放、可再生的能源，希望可以通過這種能源來替代原有的類的能源供給結(jié)構(gòu)，以保障今后的可持續(xù)發(fā)展。這時太陽能獲得了人們的關(guān)注，這主要因為太陽能資源豐富，取之不盡、用之不竭、無污染且能為人類自由開發(fā)利用的天然資源。

太陽能光伏發(fā)電就是利用太陽能組件直接將太陽能轉(zhuǎn)變成電能，運用的是光生伏特效應(yīng)原理，根據(jù)此原理，太陽能組件吸收太陽輻射能量，將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能，最后通過一系列的轉(zhuǎn)變處理，將此電能轉(zhuǎn)換成我們可以直接利用的電能的過程。光伏發(fā)電系統(tǒng)中的主要設(shè)備包括光伏組件、匯流箱、逆變器、升壓變壓器、電力電纜及監(jiān)控系統(tǒng)等，而在這些設(shè)備里，光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最核心的設(shè)備，光伏組件光電轉(zhuǎn)換率的高低和使用壽命直接決定了太陽能光伏發(fā)電陣列發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益的多少，因此提高光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命是太陽能光伏發(fā)電項目成功的關(guān)鍵。

在光伏組件長期運行過程中，會出現(xiàn)一些影響光伏組件性能的質(zhì)量問題，如“熱斑”、“EVA黃變”、“隱裂”等，直接影響到光伏組件的發(fā)電效率和使用壽命，從光伏組件性能的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來分析，其中“熱斑效應(yīng)”對光伏組件性能影響最大，已成為導(dǎo)致光伏組件損壞、發(fā)生火災(zāi)、發(fā)電功率下降的主要因素，對光伏發(fā)電項目經(jīng)濟(jì)效益，光伏電站安全運行等都帶來了嚴(yán)重影響。因此，為了控制“熱斑效應(yīng)”的危害，我們通過仿真實驗、研究分析其形成原因，制定有效的控制措施，保證光伏光伏組件發(fā)電項目的安全、高效運行。

2 “熱斑效應(yīng)”的概念

當(dāng)光伏組件中一串聯(lián)支路中出現(xiàn)被遮蔽、裂紋、氣泡、脫層、臟污、內(nèi)部連接失效的情況后，相應(yīng)的這一串聯(lián)支路的電流與電壓之積增大，而該光伏組件串被當(dāng)作負(fù)載消耗了其它有光照的光伏組件串所產(chǎn)生的能量后，從而在這些光伏組件串上產(chǎn)生了局部溫升，這種現(xiàn)象我們稱之為“熱斑效應(yīng)”。

“熱斑效應(yīng)”是影響光伏組件使用壽命和輸出功率的重要因素，可造成電池永久性損壞，造成組件封裝材料老化、焊點熔化、破壞柵線、局部燒毀形成暗斑等缺陷，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，“熱斑效應(yīng)”能減少10%以上的太陽能光伏組件使用壽命，是產(chǎn)生光伏組件安全隱患和整個方陣失效的重要因素，是光伏組件內(nèi)阻和暗電流變化的主要原因。

3 “熱斑效應(yīng)”的成因

（1）硅材料自身的質(zhì)量問題引起的電池性能不一致，產(chǎn)生“熱斑效應(yīng)”。

（2）電池制造工藝不符合標(biāo)準(zhǔn)，由電池質(zhì)量缺陷引起的“熱斑效應(yīng)”。

（3）電池被陰影遮蔽，引起的“熱斑效應(yīng)”。

本文主要研究光伏組件被陰影遮蔽時，引起的“熱斑效應(yīng)”。

3.1 光伏組件發(fā)電原理

如果太陽光照射在光伏組件上，并且光現(xiàn)在界面層被吸收后，將在硅半導(dǎo)體的PN結(jié)上產(chǎn)生電子-空穴對，P型硅半導(dǎo)體端產(chǎn)生空穴，N型硅半導(dǎo)體端產(chǎn)生電子，在PN結(jié)內(nèi)部電場的作用下，光生空穴流向P區(qū)，光生電子流向N區(qū)，并且空穴和電子分別在硅導(dǎo)體兩端聚集，產(chǎn)生電位差，這時將導(dǎo)體兩端用電極接通后，系統(tǒng)就形成了一個閉合回路，就有電流產(chǎn)生，這就是硅電池PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)具體說，當(dāng)光伏組件在界面層吸收到足夠的能量后，就能激發(fā)出P型硅半導(dǎo)體和N型硅半導(dǎo)體共價鍵中的電子，產(chǎn)生電子-空穴對現(xiàn)象，由于受到內(nèi)部電場的作用，N區(qū)帶正電聚集了電子，P區(qū)帶負(fù)電聚集了空穴，即在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生了電壓。通過光伏組件所吸收的能量來分析，吸收的能量越多，產(chǎn)生的電子-空穴對就越多，電流就越大。光伏組件的面積越大，形成的電流也越大。下圖為硅半導(dǎo)體P區(qū)、N區(qū)的電荷運動情況圖1：

3.2 “熱斑效應(yīng)”形成原因

太陽能電池局部被遮擋后，電池不能正常吸收光能，就阻斷了硅半導(dǎo)體光電效應(yīng)的發(fā)生，遮擋部位的電池片PN結(jié)就保持了電中性，處于禁止?fàn)顟B(tài)；而與其相鄰電池組正常發(fā)生光電效應(yīng)，就產(chǎn)生了硅半導(dǎo)體P極電壓高于N極電壓的現(xiàn)象，在遮擋電池片兩側(cè)形成了電位差，產(chǎn)生了電壓 ；被遮擋電池片的內(nèi)阻和暗電流也發(fā)生了明顯變化，成為了耗電部件，產(chǎn)生了P極向N極的正向?qū)娏鳎娏魍ㄟ^耗電部件（即內(nèi)阻）就會產(chǎn)生熱量，電池片在長時間遮擋過程中，就會被積累的熱量燒毀，導(dǎo)致整個電池組串停止供電，從而影響光伏組件的正常運行。

3.3 “熱斑效應(yīng)”發(fā)生時的光伏組件上電流變化情況

當(dāng)發(fā)生“熱斑效應(yīng)”時，光伏組件遮擋部位不能正常吸收光能，電池產(chǎn)生的電流變小，當(dāng)該光伏組件產(chǎn)生的電流小于電路的電流時，光伏組件成為串聯(lián)電路的接入負(fù)載，消耗能量，產(chǎn)生熱量，從而產(chǎn)生“熱斑效應(yīng)”。

為了分析“熱斑效應(yīng)”發(fā)生時的電流變化情況，我們利用等效電路的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行電池內(nèi)阻和暗電流變化的情況分析，具體如下圖2所示：

“熱斑效應(yīng)”電流公式如下式（1）：

IPh=IL+Id+Ipa+Ise （1）

式中所示，當(dāng)光伏組件正常工作時，光生電流IPh在三個環(huán)節(jié)被消耗了，一是負(fù)載消耗了（IL），二是內(nèi)阻消耗了（Ipa+Ise），三是等效二極管消耗了（Id），當(dāng)出現(xiàn)熱斑現(xiàn)象時，光生電流Ipa、Ise、Id增大，三者之和增加至一定值時，單體電池片就會被擊穿。

4 光伏組件熱斑檢測

4.1 檢測工具及條件

紅外熱成像儀：就是將被測目標(biāo)的不可見紅外線輻射能量分布狀態(tài)，通過紅外探測器和光學(xué)成像物鏡反映到紅外探測器的光敏元件上，將其轉(zhuǎn)化為紅外熱像圖，使熱像圖與被測物體表面的能量分布狀態(tài)相一致，并用不同顏色表示被測物體的不同溫度，方便儀器操作者觀察被測物體的能量分布狀態(tài)。組件熱成像如下圖3。

光伏組件在檢測熱斑前，要清除組件表面的污物，并擦拭干凈；要避免異物、檢測儀器、測試人員等對測試組件的遮擋；選擇溫度為：25度，空氣質(zhì)量為：AM1.5。

光照強(qiáng)度為：1000w/m2左右的環(huán)境條件進(jìn)行試驗，試驗人員在規(guī)定的時間內(nèi)，用熱成像儀對運行中的光伏組件進(jìn)行熱斑檢測，記錄測量數(shù)據(jù)；通常在夏季、秋初的上午11時---下午16時之間的時間段內(nèi)進(jìn)行熱斑檢測最好，由于各區(qū)域的地理分布不同，太陽輻照度、環(huán)境溫度等也有不同，熱斑檢測的最佳時間段也會相應(yīng)不同。

4.2 熱斑判斷

光伏組件在正常工作時的溫度是不穩(wěn)定的，通常認(rèn)為在30℃±6時，當(dāng)局部溫度與相鄰區(qū)域的溫差>6℃時，可認(rèn)為組件局部為熱斑區(qū)域；由于組件熱斑檢測在輻照度、環(huán)境溫度、組件輸出功率、熱斑形成原因、組件工作溫度等因素的影響下，可能會出現(xiàn)判斷誤差，因此，我們應(yīng)依據(jù)熱成像儀上采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。光伏組件被長時間遮擋的熱斑成像、組件燒損處的熱斑成像和組件裂紋處的熱斑成像圖互不相同。（以下圖片為組件局部的熱斑成像圖4-圖6）

4.3 熱斑效應(yīng)“耐久試驗”的檢測

為保證光伏組件使用的可靠性和耐久性，需要對太陽能光伏組件進(jìn)行檢測，檢測其承受熱斑加熱的能力，這種檢測光伏組件承受熱斑加熱能力的試驗叫熱斑“耐久試驗”。熱斑“耐久試驗”內(nèi)容需嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)GB/T9535的要求進(jìn)行，當(dāng)檢測結(jié)果滿足試驗以下二個條件時，才可判定組件“熱斑效應(yīng)”檢測合格，條件如下：

a） 太陽光伏組件無嚴(yán)重外觀缺陷；

b） 太陽光伏組件最大輸出功率的衰減不超過試驗前測試值的5%；

5 控制“熱斑效應(yīng)”的措施

在光伏組件上加裝旁路二極管。為避免產(chǎn)生“熱斑效應(yīng)”，光伏組件在制備過程中會在相鄰組串之間反向偏置并聯(lián)一旁路二極管。一般情況下，旁路二極管處于反偏壓，對光伏組件的正常工作無影響，當(dāng)光伏組件被遮擋時，二極管導(dǎo)通，避免了光伏組件的過熱損壞，并且被遮擋光伏組件串只影響所在一塊光伏組件的發(fā)電能力。

（1）為證明加裝二級管對控制熱斑的有效性，進(jìn)行仿真試驗，根據(jù)仿真試驗，測得試驗數(shù)據(jù)如下：

從試驗數(shù)據(jù)來看，加裝二極管可明顯降低遮擋電池兩側(cè)電壓，避免過大電流通過，產(chǎn)生高熱，擊穿電池片。

（2）加裝二極管后，光伏組件的I-V變化趨勢如下圖7。

通過圖示可明確反映電壓和電流的變化關(guān)系，加裝二極管后電流減小幅度明顯。

6 結(jié)論

本文通過對光伏組件“熱斑效應(yīng)”產(chǎn)生的原因，物理學(xué)原理，電流變化情況分析、熱斑檢測方法、耐久試驗檢測方法等方面進(jìn)行了分析與研究，提出了加裝二極管控制熱斑效應(yīng)的措施，并通過仿真試驗驗證了二極管控制組件熱斑效應(yīng)的有效性，為 “熱斑效應(yīng)”提出了有效的控制措施。

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作者簡介：賈力（1979-），女，寧夏人，在職研究生，研究方向：太陽能光伏發(fā)電。