晶体硅光伏组件的热斑效应详解
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作者：潘文峰, 陆晨, 王加鸿, 谢英豪, 裘幼梓
摘要
根据晶体硅光伏组件热斑耐久试验的结果, 分析太阳电池发热的原因, 并设计实验寻找热斑效应影响程度与遮挡面积大小及外接负载大小的关系, 最后阐述了目前利用旁路二极管减小热斑效应影响的原理及光伏电站设计运维的注意事项。
引言
能源是人类的一个永恒话题, 从原始人学会用火到第一次工业革命, 再到第二次工业革命, 人们对能源的利用方式发生了翻天覆地的变化。现在的世界已经离不开电, 发电的方式很多, 有火力发电、水力发电、核能发电、光伏发电等, 目前火力发电占据主导地位, 但由于煤炭资源有限, 所以寻求一种新的能源来代替火力发电已刻不容缓。由于太阳能资源具备取之不尽用之不竭、清洁无污染、资源分布广泛的优点, 光伏发电正在悄然崛起。但随着越来越多的光伏电站落成并投入使用, 各种问题也接踵而至, 热斑效应就是其中一个棘手的问题。
在一定条件下, 一串联支路中被遮挡的太阳电池将被当作负载来消耗其他有光照的太阳电池所产生的能量, 被遮挡的太阳电池的温度会明显高于其他电池, 这就是热斑效应。这种效应会严重破坏太阳电池, 很可能使有光照的太阳电池所产生的部分能量被受遮挡的电池所消耗[1]。遮挡是造成热斑效应最明显的原因, 此外, 电池的破碎、低效率电池的混入、焊接等问题也都会造成热斑效应。本文以遮挡为例来研究热斑效应的影响。为了减少热斑效应对发电效率的影响, 并防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏, 现在的晶体硅光伏组件都会在电池串的正、负极间并联一个旁路二极管, 以避免光照组件所产生的能量被受遮挡的组件消耗, 并造成被遮挡的电池过热而损坏。
1 电池发热的原因
目前晶体硅太阳电池的效率普遍约为20%, 电池表面的减反膜可以使电池对光的反射率减小到小于10%, 剩余的70%的光子能量呢?半导体材料通常能强烈地吸收光能, 吸收系数为105/cm[2]。太阳电池吸收光, 一部分用于光伏发电对外做功;另一部分则被吸收, 表现为热力学温度的升高, 即为光吸收发热。
理想情况下, 太阳电池在正常发电时, 温度的升高只来自于光吸收发热。但实际上, 太阳电池并不能达到理想状况, 总是存在着一定的内阻, 而这些内阻会消耗光伏效应产生的能量, 使电能转化为热能。因此, 太阳电池发热的主要原因是光吸收发热和内阻对功率的消耗发热。
当晶体硅光伏组件中某块太阳电池被遮挡时, 这块电池电压将会被偏置当成负载, 消耗其他电池发的电。因此, 这块电池的温度会比其他电池更高, 从而产生热斑效应。
如图1所示, 遮挡电池并短接组件 (外接负载为零时) 在阳光下曝晒。揭除遮挡物, 立即拍摄电池红外热像图片, 结果如图2所示, 温度最高的点出现在被遮挡电池上未被遮挡的部分。
2 热斑耐久试验[3]
IEC 61215-2-2016中条款4.9给出了热斑耐久试验的测试方法。如图3所示, 对于晶体硅光伏组件来说, I-V曲线末端斜率越大, 说明被遮挡的太阳电池的漏电流越大, 发生热斑效应的风险就越大。
用脉冲模拟器依次完全遮挡每块电池来测试I-V曲线, 并将所有I-V曲线整合到一起。在挨着边框的电池中选择1块漏电流最大的电池, 记为1#;然后在剩余的所有电池中选择2块漏电流次之的电池和1块漏电流最小的电池, 分别记为2#、3#、4#。
在无遮挡的情况下, 用脉冲模拟器测试组件的最大功率, 并记录最大功率点电流Imp。
对选出来的4块电池进行分别遮挡, 用不同的遮挡比例进行遮挡后, 测试电池的I-V曲线, 直到拐点 (旁路二极管工作的临界点) 电流值与Imp接近, 如图4所示, 此时的遮挡比例即是最坏的遮挡比例。
用上述确定的最坏遮挡比例分别遮挡选出来的4块电池, 短接组件在稳态模拟器下曝晒5 h (曝晒时仅遮挡1块电池, 共进行4次曝晒) , 模拟器内温度保持在50±10℃。为监控每次曝晒热平衡后组件温度的分布情况, 对被遮挡电池所在电池串中任意1块未被遮挡的电池的背板温度, 以及被遮挡电池所遮挡部分的背板温度和未被遮挡部分的背板温度进行了监控, 结果如表1所示。
从表1可以看出, 存在遮挡的电池, 其发热最严重的地方在其未被遮挡的部分。
3 遮挡比例与电流、电压特性
3.1 单块太阳电池被遮挡
目前市场上主流的晶体硅光伏组件普遍采用3串电池串串联、每串电池串并联1个旁路二极管的方式来减少热斑效应的影响。当其中1串电池串中的某块电池被遮挡时, 该电池的电流、电压特性便发生了变化。该电池的局部电流与电压之积会增大, 从而产生局部温升, 其他电池串则会因旁路二极管的保护而不受影响。为验证被遮挡电池的电流、电压特性是如何变化的, 我们进行了如下实验。
3.1.1 不同遮挡比例对电流的影响
分析不同遮挡比例对电流的影响。图5为去除旁路二极管后所测得的不同遮挡比例下的短路电流与最大功率点电流。
由图5可以看出, 电流值与遮挡比例呈线性关系。
3.1.2 不同遮挡比例对偏置电压的影响
分析遮挡比例对偏置电压的影响, 实验电路示意图如图6所示。首先将外接负载RL调为“0”, 再用不同的遮挡比例去遮挡图6中的黑色电池, 并测得该电池两端的电压值, 绘得曲线如图7所示。
式中, k0为玻尔兹曼常数;T为热力学温度;q为电子电荷;IL为光生电流;I为流过外接负载的电流;IS为电池反向饱和电流。晶体硅太阳电池的开路光生电压一般约为0.6 V, 电压方向为从n极到p极。
从图7可以看出, 在未被遮挡时, 黑色电池两端电压方向与光生电压方向一致。但当该电池被遮挡时, 其两端电压被偏置, 电压方向与光生电压方向相反, 并且偏置电压数值也发生骤变, 随着遮挡面积的增大, 偏置电压呈对数型增长, 曲线形状与光生电压相似。当完全遮挡时, 黑色电池两端电压为-14.46 V;由于本实验用的组件每串有24片电池, 因此每串电池的开路电压理论值为14.4 V, 当电池被完全遮挡时, 光生电流几乎为零, 相当于开路状态, 此时黑色电池相当于一个无穷大的负载。
光伏组件I-V曲线的形成过程, 实际上就是外接负载从零变到无穷大的一个过程。随着遮挡比例的增加, 回路电流减小, 当遮挡达到一定程度时, 可将被遮挡的电池等效看成一个负载, 被遮挡电池两端电压不断增大, 可等效看成是负载增加的效果, 曲线形状也呈对数型, 其与图7存在对应关系。
3.2 多块太阳电池被遮挡
为分析多块太阳电池被遮挡的情况, 进行如下实验。
将图6中的黑色电池遮挡30%, 该串中另一块电池遮挡40%, 此时测得黑色电池两端的电压为0.43 V;再将遮挡比例调换, 即黑色电池遮挡40%, 另一块电池遮挡30%, 此时测得黑色电池两端的电压为-13.2 V;再将2块电池都遮挡40%, 此时测得黑色电池两端的电压为-6.7 V。由此可见, 遮挡造成的电池串内电压偏置并不服从欧姆定律, 在出现多处不同遮挡面积的情况时, 热斑效应只突出表现在被遮挡面积最大的电池上;但是当出现相同遮挡面积的情况时, 电池串内部偏置电压被均分。
实验中发现, 偏置电压对遮挡面积的差异反应非常敏感, 2块电池遮挡面积稍有差异, 偏置电压就会倒向遮挡面积较大的一处。将上排任意某块电池遮挡30%, 下排任意某块电池遮挡40%, 短接组件在阳光下曝晒后拍摄红外图像, 如图8所示;再在上下排电池中各任选一块电池进行遮挡, 遮挡比例一致, 短接组件在阳光下曝晒后拍摄红外图像, 如图9所示。红外图像的显示结果, 验证了之前的结论。
将被遮挡的电池等效看成一个负载, 外接负载的变化对被遮挡电池的偏置电压造成影响, 结果如表2所示。
由表2可以看出, 被遮挡电池的偏置电压对外接负载也很敏感。在遮挡面积一定时, 当外接负载小于某个界限值时, 热斑效应始终存在;但当外接负载大于某个界限值时, 遮挡便不会造成热斑效应;这个界限值取决于遮挡面积的大小。
在光伏组件实际发电中, 外接负载点总是处于最大功率跟踪 (MPPT) 点;那么反过来, 在MPPT点, 只要遮挡面积不超过一定的比例, 被遮挡电池也不会被偏置, 即遮挡也不会产生热斑效应。
在稳定条件下, 测试组件当前的最大功率, 再将实验组件连接可变电阻并监控回路电流;从零开始逐渐增大黑色电池的遮挡面积, 且在此过程中调节可变电阻, 使回路电流始终保持在最大功率点电流状态, 然后记录被遮挡电池的电压值。实验结果如表3所示。
由表3可知, 组件在正常工作时, 只要电池被遮挡的比例较小, 即便存在局部遮挡, 也不会造成热斑效应。
综上所述, 电流随着遮挡面积的增大呈线性下降, 偏置电压则随着遮挡面积的增大呈对数增长;热斑效应发热最严重时, 是流经被遮挡电池的电流与偏置电压之积最大时。
4 改进方式
目前, 降低热斑效应影响的有效方式是在每串电池串的两端并联1个旁路二极管。旁路二极管的工作原理为:以常规的72片电池组成的晶体硅光伏组件为例, 每串有24片电池;如图10所示, 正常工作时, A点电势低于B点, 因此旁路二极管截止, 不起任何作用;图中的黑色电池被遮挡或出现其他问题, 导致该电池处于反向偏置的状态, 此时C点电势高于D点;对于其他电池串的电池来说, 黑色电池所在回路处于高阻限流状态, 旁路二极管具有正向导通性, 此时旁路二极管相当于导线, 起到分流的作用, A点与B点的电势差只有1个二极管的压降, 其他两路正常电池串所产生的光生电压依然可被外接负载所利用。
解决热斑效应问题, 除了增加旁路二极管以外, 还应在光伏系统设计建造时合理设计方阵间距, 避免出现方阵之间相互遮挡的情况;要合理设计支架离地面的高度, 对于存在植被的地面, 要定期处理, 防止植被过于茂盛而导致遮挡;对周边环境要多加考虑, 以避免建筑物对光伏方阵造成遮挡。运维方面也要定期对组件表面进行清洗, 以免不均匀的积尘、过大的鸟粪的遮挡, 从而造成热斑效应。
5 总结
电池被遮挡会引起局部电压偏置, 导致晶体硅光伏组件局部温度升高, 从而引起热斑效应;温度最高点在被遮挡电池的未被遮挡部分, 发热的多少取决于偏置电压与流经被遮挡电池电流大小的乘积, 且偏置电压随着遮挡面积的增大呈对数增长, 电流随着遮挡面积的增大呈线性下降。若同一串电池中存在多处遮挡, 热斑效应仅会发生在被遮挡面积最大的电池处。处于正常发电情况下的组件, 只要电池被遮挡比例较小, 即便存在局部遮挡, 也不会造成热斑效应。
为减少热斑效应对光伏方阵发电的总体影响, 目前的晶体硅光伏组件都会在每串电池串两端并联1个旁路二极管, 以起到局部分流的作用。当然最根本的解决方法还是要在电站设计建造时避免方阵之间相互遮挡, 以及避免建筑物或植被对方阵的遮挡。
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