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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(yáng)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*大電壓約為0.6V,*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(lái),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(guò)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(méi)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(guò)熱。這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱斑效應(yīng)。當(dāng)組件被短路時(shí),內(nèi)部功率消耗*大,熱斑效應(yīng)也*嚴(yán)重。
、熱斑效應(yīng)原理
當(dāng)然,并不是所有的電池都可以通過(guò)調(diào)整遮光比例達(dá)到*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??紤](S-1)個(gè)電池串的*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(lèi))和電流限制型(B類(lèi))。A類(lèi)電池并聯(lián)電阻較大,可以通過(guò)減少遮光面積,達(dá)到*佳阻抗比配;B類(lèi)電池的并聯(lián)電阻較小,完全遮光已是Y電池消耗功率*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、封裝材料老化等長(zhǎng)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**隱患。因此,IEC61215:2005《地面用晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)鑒定和定性》專(zhuān)門(mén)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(guò)程包括*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*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)*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*高者為*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*高的電池。**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*大的電池。本文推薦采用**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*壞遮光比例
選定*差電池之后,還要確定在何種遮光比例下熱斑的溫度*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*高溫度。目前*常見(jiàn)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(yáng)模擬器或自然陽(yáng)光,輻照度不低于700W/m2,不均勻度不超過(guò)±2%,瞬時(shí)穩(wěn)定度在±5%以?xún)?nèi)。如果氣候條件允許,可優(yōu)先選擇自然陽(yáng)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(yáng)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(yáng)輻射強(qiáng)度為705W/m2。另外,低緯度地區(qū)的太陽(yáng)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(yáng)輻射強(qiáng)度,晴天正午前后仍可達(dá)850 W/m2以上。這種太陽(yáng)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(lèi)或更好的穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)模擬器或自然陽(yáng)光,其輻照度為1000W/m2±10%。實(shí)際上自然陽(yáng)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(yáng)模擬器。光譜近似日光的氙燈是*佳選擇,全光譜金鹵燈也可以滿(mǎn)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(guò)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*大輸出功率Pm的衰減不能超過(guò)5%;絕緣電阻應(yīng)滿(mǎn)足初始試驗(yàn)的同樣要求。
解決熱斑效應(yīng)問(wèn)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(guò)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(guò)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。