吳 兢，楊振威，杜 歡，趙興國(guó),2

(1.江蘇輝倫太陽(yáng)能科技有限公司國(guó)機(jī)新能源研究院，江蘇南京 210061；2.江蘇蘇美達(dá)能源控股有限公司，江蘇南京 210061)

當(dāng)組件在電站應(yīng)用時(shí)常常因鳥(niǎo)糞、落葉遮陰以及灰塵等因素，造成光伏組件熱斑[1]，而光伏組件中的旁路二極管對(duì)減少熱斑具有關(guān)鍵作用，IEC61215：2016 標(biāo)準(zhǔn)[2]中也單獨(dú)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證旁路二極管長(zhǎng)期工作的可靠性。二極管具有單向?qū)щ娦缘奶攸c(diǎn)，在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負(fù)極接在低電位端，二極管就會(huì)導(dǎo)通，這種連接方式，稱(chēng)為正向偏置；在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負(fù)極接在高電位端，此時(shí)二極管中幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，此時(shí)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這種連接方式，稱(chēng)為反向偏置。利用此特性，在光伏組件中，二極管正常情況下處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)組件中存在遮擋、熱斑或其他故障導(dǎo)致組件失效時(shí)，旁路二極管可以導(dǎo)通，起到電路隔離的作用[3]，讓光伏組件的其他電池片正常工作[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外大量的分析表明，在每串光伏電池組都反向并聯(lián)了一個(gè)旁路二極管的情況下，安裝二極管可以降低遮擋電池片上的負(fù)壓從而避免電池片受到較大的反向電壓而導(dǎo)致熱擊穿[5]。對(duì)于半片組件而言，每個(gè)二極管并聯(lián)了兩串光伏電池組，電路變得更為復(fù)雜，根據(jù)文獻(xiàn)[6]分析的情況，只有遮擋二極管并聯(lián)的每條支路上的一塊或多塊電池片時(shí)，旁路二極管才導(dǎo)通，遮擋不同二極管并聯(lián)的電池片、遮擋二極管并聯(lián)的部分支路中的電池片會(huì)使IV 曲線發(fā)生彎曲。而現(xiàn)在所有的組件都是半片組件，二極管位于組件中間位置，如果要滿(mǎn)足每條支路上的電池片同時(shí)被遮擋，旁路二極管才導(dǎo)通，條件過(guò)于苛刻，則二極管的功能未被好好利用。

本文針對(duì)半片組件，對(duì)不同遮擋情況下的二極管兩端電壓進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合組件發(fā)熱IR 分析情況，以及組件接入固定負(fù)載下功率情況，分析單個(gè)二極管在與兩個(gè)支路并聯(lián)的情況下，不同遮擋情況下二極管的狀態(tài)，并通過(guò)在不同遮擋情況下的模擬器功率測(cè)試來(lái)驗(yàn)證前實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

1 二極管的啟動(dòng)條件

半導(dǎo)體二極管具有單向?qū)щ娦?，?dāng)PN 結(jié)外加正向電壓(正向偏置)時(shí)，耗盡區(qū)變窄，有電流通過(guò)，電阻值很小，PN 結(jié)導(dǎo)通；而當(dāng)外加反向電壓(反向偏置)時(shí)，耗盡區(qū)變寬，沒(méi)有電流通過(guò)或電流極小，電阻值很大，PN 結(jié)截止，這是二極管最重要的特性[7]。所以當(dāng)某個(gè)電池串發(fā)生遮擋現(xiàn)象時(shí)，電池片發(fā)生反向偏置，承受較大的反偏電壓[8]，當(dāng)組件中二極管兩端電位由反向偏置轉(zhuǎn)為正向偏置，且兩端電壓產(chǎn)生的壓降≥二極管導(dǎo)通電壓時(shí)，則二極管導(dǎo)通，該二極管啟動(dòng)條件的電壓如式(1)所示：

正常狀況，Udiode=∑Un=nUn

當(dāng)有陰影遮擋時(shí)，旁路二極管開(kāi)啟的條件為：

式中：Udiode為二極管兩端壓降；Un為無(wú)遮擋單個(gè)電池電壓；n為電池片的數(shù)量；Ushade為遮擋電池片電壓。

2 半片組件遮擋實(shí)驗(yàn)

2.1 儀器

FLUCK Ti300-14040258 紅外熱成像儀，對(duì)工作狀態(tài)下組件的發(fā)熱情況進(jìn)行拍照，可查看組件各位置的溫度情況。

梅耶博格國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司PASAN-PAA0631 I-V測(cè)試系統(tǒng)，可以模擬在1 000 W/m2的輻照度下，不同遮擋情況對(duì)應(yīng)的組件電性能數(shù)據(jù)和IV 曲線。

M9712B/Maynuo DC ELECTRONIC LOAD 可編程直流電子負(fù)載，根據(jù)組件電參數(shù)和連接線纜電阻設(shè)定電子負(fù)載阻值為3.4 Ω，并與實(shí)驗(yàn)組件串聯(lián)，在光照情況下，可以采集實(shí)驗(yàn)組件的實(shí)時(shí)輸出功率、工作電壓和工作電流。

電阻負(fù)載阻值設(shè)置公式：

安捷倫數(shù)據(jù)采集儀，用于采集二極管兩端電壓。

2.2 樣品準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)選用單面PERC 單晶硅電池作為組件的基本的單元。半片電池片的尺寸為182 mm×91 mm，單件組件由144片半片電池組成，組件內(nèi)部的每12 個(gè)半片電池片串聯(lián)編制為1 個(gè)電池串，整個(gè)組件共有6 個(gè)相互串聯(lián)的電池串，每2 個(gè)串聯(lián)的電池串并聯(lián)1 個(gè)反向二極管作為保護(hù)電路，電路示意圖如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)組件的電路示意圖

2.3 組件在不同遮擋情況下的實(shí)驗(yàn)研究

2.3.1 單個(gè)半片內(nèi)遮擋不同面積的組件實(shí)驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)組件分別遮擋單個(gè)半片的20%、60%、100%，組件外接3.4 Ω 的負(fù)載，30 min 后使用紅外熱成像儀測(cè)試組件發(fā)熱情況，并用數(shù)據(jù)采集儀記錄測(cè)試對(duì)應(yīng)二極管遮擋前后的電壓變化，遮擋示意圖如圖2 所示。

圖2 單個(gè)半片內(nèi)遮擋不同面積的組件示意圖

圖3 為單個(gè)半片內(nèi)遮擋不同面積時(shí)組件的熱成像圖，當(dāng)遮擋單個(gè)半片的20%時(shí)，其熱成像顯示遮擋區(qū)域發(fā)熱明顯，形成熱斑；當(dāng)遮擋單個(gè)半片的60%時(shí)，其熱成像顯示單個(gè)半片電池片內(nèi)未遮擋區(qū)域發(fā)熱明顯，形成熱斑；當(dāng)遮擋單個(gè)半片的100%時(shí)，其熱成像顯示遮擋區(qū)域不發(fā)熱，整件組件無(wú)異常發(fā)熱區(qū)域，不形成熱斑。

圖3 單個(gè)半片內(nèi)遮擋不同面積時(shí)組件的熱成像圖

此時(shí)，如表1 所示，當(dāng)遮擋單個(gè)半片的20%和60%時(shí)，其二極管兩端電壓出現(xiàn)下降，當(dāng)遮擋達(dá)1 個(gè)半片電池片時(shí)，二極管兩端電壓降低約初始電壓的一半。

表1 單個(gè)半片內(nèi)遮擋不同面積的二極管電壓記錄表 V

可見(jiàn)，當(dāng)遮擋達(dá)1 個(gè)半片電池片時(shí)，二極管已啟動(dòng)，此時(shí)存在遮擋的電池片組串被旁路，進(jìn)而熱斑現(xiàn)象消失，但是此時(shí)二極管兩端測(cè)試仍然有電壓，將通過(guò)IV 測(cè)試對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行研究分析。

2.3.2 不同遮擋情況下的IV 測(cè)試

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選用同規(guī)格的組件，每件組件有3 個(gè)二極管，選擇對(duì)其中兩個(gè)二極管(二極管1、二極管2)分別進(jìn)行20%、60%、100%的遮擋，選取實(shí)驗(yàn)組件其中的2 個(gè)二極管，在瞬態(tài)光源下，進(jìn)行IV 測(cè)試分析，測(cè)試功率值如表2 所示，IV 曲線如圖4 所示。

表2 不同遮擋情況下組件電性能數(shù)據(jù)記錄表

圖4 同遮擋情況下組件IV曲線

通過(guò)分析上述電性能數(shù)據(jù)，(b)輸出功率與(e)基本一致，說(shuō)明當(dāng)其中一個(gè)支路遮擋1 片時(shí)，另一個(gè)支路是否遮擋對(duì)功率輸出無(wú)影響；(b)、(e)的輸出功率約為標(biāo)準(zhǔn)條件(a)的2/3，說(shuō)明被遮擋的兩個(gè)并聯(lián)支路無(wú)功率輸出。(c)、(d)與(b)相比，輸出功率略有降低，說(shuō)明二極管2 雖然存在遮擋，但是仍然有較大功率輸出。

當(dāng)組件的I-V 特性曲線呈膝形，說(shuō)明旁路二極管未啟動(dòng)，當(dāng)I-V 曲線會(huì)出現(xiàn)階梯狀變化時(shí)，但趨勢(shì)仍為膝形，表示二極管啟動(dòng)[9]。結(jié)合實(shí)測(cè)的IV 曲線，表示當(dāng)遮擋1 個(gè)半片電池片時(shí)，二極管啟動(dòng)，當(dāng)遮擋不足1 個(gè)半片電池片時(shí)，二極管未啟動(dòng)。

由此可以表明，在半片組件中，單個(gè)二極管對(duì)應(yīng)的兩個(gè)支路，當(dāng)單個(gè)支路中遮擋面積不足1 個(gè)半片時(shí)，二極管未啟動(dòng)，此時(shí)功率正常輸出；當(dāng)單個(gè)支路中遮擋1 個(gè)半片電池片時(shí)，此時(shí)二極管已啟動(dòng)，與之相并聯(lián)的支路被短路，無(wú)功率輸出。

2.3.3 遮擋多個(gè)半片電池片的組件實(shí)驗(yàn)

在半片組件中，選擇單個(gè)二極管下并聯(lián)的兩個(gè)支路，分別遮擋單個(gè)支路中N個(gè)半片電池片(N=1～12)、同時(shí)遮擋兩個(gè)支路，遮擋電池片數(shù)量分別用N1、N2個(gè)半片電池片(N1/N2=1～12)，使用紅外熱成像儀測(cè)試組件發(fā)熱情況，并用數(shù)據(jù)采集儀記錄測(cè)試對(duì)應(yīng)二極管遮擋前后的電壓變化。圖5 為不同的遮擋方式。

圖5 遮擋多個(gè)半片電池片的組件示意圖

通過(guò)熱成像測(cè)試發(fā)現(xiàn)，均無(wú)熱斑現(xiàn)象。

通過(guò)測(cè)量二極管兩端電壓，發(fā)現(xiàn)在單個(gè)支路下，N為1～12之間任意情況，其二極管兩端電壓基本固定；當(dāng)兩個(gè)支路均進(jìn)行遮擋時(shí)，兩個(gè)并聯(lián)支路內(nèi)均遮擋2 個(gè)半片電池片時(shí)，二極管兩端電壓急劇下降，當(dāng)遮擋達(dá)3 個(gè)半片電池片時(shí)，二極管兩端電壓降至最低，由此認(rèn)為，當(dāng)單個(gè)支路中遮擋大于等于3 個(gè)半片電池片時(shí)，該支路兩端無(wú)電壓差，結(jié)合熱成像結(jié)果，即認(rèn)為此時(shí)該支路為斷路狀態(tài)。

表3 為遮擋多個(gè)半片電池片時(shí)二極管兩端電壓記錄表。

表3 遮擋多個(gè)半片電池片時(shí)二極管兩端電壓記錄表 V

為驗(yàn)證上述結(jié)論，在戶(hù)外同一輻照度下，測(cè)試組件外接3.4 Ω 負(fù)載，未進(jìn)行任何遮擋下，組件輸出功率為186 W；當(dāng)半片組件一側(cè)遮擋2 排半片電池片時(shí)，也就是每個(gè)二極管下均有1 個(gè)支路被遮擋4 個(gè)半片電池片，另一個(gè)支路均無(wú)遮擋，此時(shí)輸出功率為72.3 W；當(dāng)半片組件兩側(cè)均遮擋2 排半片電池片時(shí)，也就是每個(gè)二極管下的2 個(gè)支路均被遮擋4 個(gè)半片電池片，此時(shí)輸出功率為0.38 W。

由此可見(jiàn)，當(dāng)單個(gè)支路中遮擋達(dá)3 個(gè)半片電池片時(shí)，支路處于斷路狀態(tài)，與之相并聯(lián)的支路正常工作，功率正常輸出。

3 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)在半片組件中，當(dāng)單個(gè)支路中遮擋面積不足1 個(gè)半片時(shí)，二極管未啟動(dòng)，為反向偏置，導(dǎo)致被遮擋電池片出現(xiàn)不同位置的熱斑。

(2)在半片組件中，當(dāng)單個(gè)支路中遮擋1 個(gè)半片電池片時(shí)，電池片不發(fā)熱，此時(shí)二極管已啟動(dòng)，為正向偏置，與之相并聯(lián)的支路被短路，無(wú)功率輸出。

(3)在半片組件中，當(dāng)單個(gè)支路中遮擋達(dá)3 個(gè)半片電池片時(shí)，支路處于斷路狀態(tài)，二極管仍然為反向偏置，與之相并聯(lián)的支路正常工作，功率正常輸出。

由此可見(jiàn)，半片組件中的二極管并聯(lián)兩個(gè)支路的情況下，其中一個(gè)支路出現(xiàn)遮擋問(wèn)題時(shí)，二極管仍然具有保護(hù)作用；且當(dāng)某一側(cè)出現(xiàn)大面積遮擋時(shí)，另一側(cè)仍然正常輸出功率，而對(duì)于整片組件，出現(xiàn)大面積遮擋時(shí)，則整個(gè)組串無(wú)功率輸出。所以在電站實(shí)際應(yīng)用時(shí)，半片組件的發(fā)電量更高。