光伏組件熱（rè）斑效應（yīng）詳解

根據晶體矽光伏組件熱斑耐久試（shì）驗的（de）結果，分析太陽（yáng）電池發熱的原因，並設計實驗尋找熱斑效應（yīng）影響程度與遮擋麵積大小（xiǎo）及外接負載（zǎi）大小的關係，最後闡述（shù）了（le）目前利用旁路二極管減小熱（rè）斑效應影響的原理及光伏電站設計（jì）運維的注意事項。

1電池發熱的原因

目前晶體矽太陽電池的效率普遍約為20%，電池表麵的減反膜（mó）可以使電池對光的反射率減（jiǎn）小到小於（yú）10%，剩餘的70%的光子能量呢？半（bàn）導體材料通（tōng）常能（néng）強烈地吸收光能，吸收係數為105/cm[2]。太陽（yáng）電池吸收光，一部分用於光伏發電對外做功；另一部分（fèn）則被吸收（shōu），表（biǎo）現為熱力學溫度的升高，即為（wéi）光吸收發熱。

理想（xiǎng）情況下，太（tài）陽電池在正常發電（diàn）時（shí），溫度的升高隻來自於光吸收發熱。但實際上（shàng），太陽電（diàn）池並不能達到理想狀況，總是（shì）存在著一定的內阻，而這些內阻會消耗光伏效應產生的能量，使電能轉化（huà）為熱能。因（yīn）此，太陽電池發熱的（de）主要原因（yīn）是光吸收發熱和內（nèi）阻對功（gōng）率的消耗發熱（rè）。

當晶（jīng）體矽光（guāng）伏（fú）組件中某塊太（tài）陽電池被遮（zhē）擋時，這塊電池電壓將會被偏置當（dāng）成（chéng）負載，消耗其（qí）他電池發的電。因此，這塊電（diàn）池的（de）溫度（dù）會比其他電（diàn）池更高（gāo），從而產生熱斑效應。

如圖1所示，遮擋電池並短接組件(外接（jiē）負載為零時)在陽光下曝曬。揭除遮（zhē）擋（dǎng）物，立即拍攝電池紅（hóng）外熱像圖片，結果如圖2所示，溫度最高的點出現在被遮擋電池上未被遮（zhē）擋的部分。

2熱斑耐久試驗

IEC 61215-2-2016中條款4.9給出了（le）熱斑耐久試驗的測試方法。如（rú）圖3所示，對於（yú）晶體矽光伏（fú）組件來說，I-V曲線末端斜率越大，說（shuō）明被遮擋的太陽電池（chí）的漏（lòu）電流（liú）越大，發生熱斑效應的風險就越大。

用脈衝模擬器依次完全遮擋每塊（kuài）電（diàn）池來測試（shì）I-V曲線，並將所有I-V曲線整合到（dào）一起。在挨著邊框的電池中選擇1塊漏電流最大的電池，記為1#；然後在剩餘的所有電（diàn）池（chí）中選擇2塊漏電流次之的電池和1塊漏電流最（zuì）小（xiǎo）的電池，分（fèn）別記為（wéi）2#、3#、4#。

在無遮擋的情況（kuàng）下，用脈衝模（mó）擬器測（cè）試組件的最大功率，並記錄最大功率點電流Imp。對選出來的4塊電池進行分別遮擋，用不同的遮擋比例進行遮擋（dǎng）後，測試（shì）電池的I-V曲線，直到拐點(旁路二極管工作的臨界點)電流值與Imp接（jiē）近，如圖4所示，此時的遮擋比（bǐ）例即是最壞的遮擋比（bǐ）例。

用上述確定的（de）最壞遮擋比（bǐ）例分別遮擋選出來的4塊電池，短接組件在穩態模擬器（qì）下曝曬5 h(曝曬時僅遮（zhē）擋1塊電池，共進行4次曝曬)，模擬器內溫度（dù）保持（chí）在50±10 ℃。為監控每次曝熱（rè）平衡（héng）後組（zǔ）件溫度的分布情況，對被遮擋電池所在電池串中任意1塊未（wèi）被遮擋的電池的背（bèi）板溫（wēn）度，以及被遮擋電池所遮擋部分的（de）背板溫度和未被遮擋部分的背板（bǎn）溫度進行了監控，結果如（rú）表1所示。

從（cóng）表（biǎo）1可以看出（chū），存在遮擋的電池，其發（fā）熱最嚴（yán）重（chóng）的地方在其未被遮（zhē）擋的部分。

3遮擋比例（lì）與（yǔ）電流、電壓特性

3.1單塊太陽電（diàn）池被遮擋

目前市（shì）場上主流（liú）的晶體矽光伏組件普遍采用3串電（diàn）池串串聯、每串電池串（chuàn）並聯1個旁路（lù）二極（jí）管的方式來減少熱斑效應的影響。當其中1串電池串中的某塊電池被遮擋時，該（gāi）電池的電流、電壓特性便發生了變（biàn）化。該電池的局部電流與電壓之積會增（zēng）大，從而產生（shēng）局部溫升，其他電池串則會因旁路二極管的保護（hù）而不受影響。為驗證被遮擋電池的電（diàn）流、電壓特性是如何變化的，我（wǒ）們進（jìn）行了如下實驗。

3.1.1不同（tóng）遮擋比（bǐ）例（lì）對電流的影響

分析（xī）不同遮（zhē）擋比例對電流的影響。圖5為（wéi）去除旁路二極管後所測得的不同遮擋比例（lì）下的短路電流與最大功（gōng）率點電流。由圖5可以（yǐ）看出，電流值與遮擋比例呈線性關係。

3.1.2不同遮擋比例對偏置電（diàn）壓的影響

分析遮擋比例對偏（piān）置電壓的影響，實驗電路（lù）示意（yì）圖如圖6所示。首先將外接負載RL調為“0”，再用不同的遮擋比（bǐ）例去遮擋圖6中的黑色（sè）電池，並測得（dé）該電池兩端的電壓值，繪得曲線如圖（tú）7所示。

光生電壓的計算公式[2]為：

式中，k0為（wéi）玻爾茲曼常數；T為（wéi）熱力學溫度；q為電子電荷；IL為光生電（diàn）流；I為流過外接負載的電流；IS為電池反（fǎn）向飽和電流。晶體矽太陽電（diàn）池的開路光生電壓一般約為0.6 V，電壓方（fāng）向為從n極到p極。

從圖7可以看出，在未被（bèi）遮擋時，黑色電池兩端電壓方向與光生電壓方向一（yī）致。但當該電池（chí）被遮擋時（shí），其兩（liǎng）端電壓被偏置，電壓（yā）方（fāng）向與光生電壓（yā）方向（xiàng）相反，並且偏置電壓數值也發生驟變，隨著遮擋麵積的增大，偏置電壓呈對（duì）數型增長，曲線形狀與光生電壓相似。當完全遮擋時，黑色電池兩端電壓為-14.46 V；由於本實驗用的組件每串有24片電池，因此每串（chuàn）電池（chí）的開路電壓理論值為14.4 V，當電池被完全遮擋時，光（guāng）生電流幾乎為零，相當於開路狀態，此時黑色電池相當於（yú）一（yī）個無（wú）窮大的負載。

光伏組件I-V曲線的形成（chéng）過程，實際上就是外接負（fù）載從零變（biàn）到無窮（qióng）大的一個過（guò）程。隨著遮擋比例的增加（jiā），回路電流減小，當遮擋達到一定程度時，可將被遮擋（dǎng）的電池等（děng）效看成一個負（fù）載（zǎi），被遮擋電（diàn）池兩端電壓不（bú）斷增大，可（kě）等效看成是負載增（zēng）加的效果，曲線形狀（zhuàng）也呈對數型，其與圖（tú）7存在對應關係。

3.2多塊太陽電池（chí）被遮擋

為分析多塊太陽電池被遮擋的情況，進行如（rú）下（xià）實（shí）驗。

將圖6中的黑色（sè）電池遮擋30%，該串中另一塊電（diàn）池遮擋40%，此時測得黑色電池兩端的電壓（yā）為0.43 V；再將遮擋比例調換，即黑色電池遮擋40%，另一塊電池遮擋30%，此時測得黑色電池兩端的電壓為-13.2 V；再將2塊電池都遮擋40%，此時測得黑色（sè）電（diàn）池兩端的電壓為-6.7 V。由此可見，遮擋造成（chéng）的電池串內電壓偏置並不（bú）服從歐姆定律，在出（chū）現多（duō）處不同遮擋麵積的（de）情況時，熱斑效應隻突出表現在被遮擋麵積最（zuì）大的電（diàn）池上；但是當出現相同遮（zhē）擋（dǎng）麵積的情況時，電池串內部偏置（zhì）電壓被均分（fèn）。

實驗（yàn）中發現，偏置電壓（yā）對遮擋麵積（jī）的差異反應非常（cháng）敏感，2塊電池遮擋麵積稍有差異，偏置電（diàn）壓就會倒向遮擋麵積較（jiào）大的一處。將上排任意某塊電池遮擋30%，下排（pái）任意某塊電池（chí）遮擋40%，短接（jiē）組件在（zài）陽光下曝曬後拍攝紅外圖像，如圖8所示；再在上下排電池中（zhōng）各任（rèn）選一塊電池進行遮擋，遮擋比例一致（zhì），短接（jiē）組件在陽光下曝曬後拍攝（shè）紅外圖像，如圖9所（suǒ）示。紅圖像的顯示結果，驗證了之（zhī）前的結論。

將被遮擋的電池等效看成一個負（fù）載，外接負載的變化對被遮（zhē）擋電池的（de）偏置（zhì）電（diàn）壓造成影（yǐng）響，結果如表2所示。

由表2可以（yǐ）看出，被遮擋電池的偏置電（diàn）壓（yā）對外接負載也很敏（mǐn）感。在遮擋麵積一（yī）定（dìng）時（shí），當外（wài）接負載小於某個界限值時，熱斑效應始終存在；但當外接負載大於某個界限值時，遮擋便（biàn）不會造成（chéng）熱斑效應；這個（gè）界限值取決於遮擋麵積的大小。

在光伏組件實際發電中，外接負載（zǎi）點總是處於最大功（gōng）率跟蹤(MPPT)點；那麽反過來，在MPPT點，隻要遮（zhē）擋麵積不超過一定的比例，被（bèi）遮擋電池也不會被偏置，即遮（zhē）擋也不會產生熱斑（bān）效應。

在穩定條件下，測試（shì）組件（jiàn）當前的（de）最大功率，再將實驗組件（jiàn）連接可變電阻並（bìng）監控回路電流；從零開始逐漸增大黑色電池的遮擋麵積，且在此過程中調節可變電阻（zǔ），使（shǐ）回路電流始終保持在（zài）最（zuì）大功率點電流狀態，然後記錄被遮擋電池的電壓值。實驗結果如表3所示。

由表3可知，組件（jiàn）在正常工作時，隻要電池被遮擋的比例較小，即便（biàn）存在局部遮擋，也不會造成（chéng）熱斑效應。

綜上所述，電流隨著遮（zhē）擋麵積的增大呈線性下降，偏置電壓則隨著遮擋麵積的增大呈對（duì）數增長；熱斑效應發熱最嚴（yán）重時，是流經被遮擋（dǎng）電池的電流與偏置電壓之積最大時。

4改進方（fāng）式

目前，降低熱斑效應（yīng）影響的有效（xiào）方式是在（zài）每串電池串的兩端並聯1個旁路二極管。旁路二極管的工作（zuò）原理為：以常規的72片電（diàn）池組成的晶體矽光伏組件為例，每串有24片電池；如圖10所示，正常工作時，A點電勢低於B點，因此旁（páng）路二極管截止，不起任何作用；圖中的黑色電池被遮擋或出現其他問題，導致該電（diàn）池處於反向偏置的狀態，此時C點電（diàn）勢高於D點；對於其（qí）他電池串（chuàn）的（de）電池來說，黑色電池所在回路處（chù）於高阻限流狀態，旁路二極管具有正向（xiàng）導通性，此時旁路二極管相當於導線，起到分流（liú）的（de）作用（yòng），A點與B點的電勢差隻有1個二極管的壓降，其他兩路正常電池（chí）串所產（chǎn）生的光生電壓依然可被外接負載所利用。

解決熱斑效應問題，除了增加旁路二極管以外，還應在光伏係統（tǒng）設計建造時合理設計方（fāng）陣間距，避免（miǎn）出現方陣之間相互遮（zhē）擋的情況；要合理設計支架離地麵（miàn）的高度，對於存在植被的麵，要定期處理，防止植被過於茂盛而導致遮擋；對周邊環境要多加（jiā）考慮，以避免建築物（wù）對光伏方陣造成遮擋。運維方（fāng）麵也要定期對組件表麵（miàn）進行清洗，以免不均勻的積塵、過大的鳥糞的遮擋，從而造成熱斑效應。

5總結

電池被遮擋會引起（qǐ）局（jú）部電壓偏置（zhì），導致晶體矽光伏組（zǔ）件局部溫度升高，從而引起熱斑（bān）效應；溫度最高點在被遮擋電池的未被（bèi）遮擋部分（fèn），發熱的多少取決於偏置電壓與流（liú）經被遮擋電池電流大小的乘積，且偏（piān）置電壓隨著（zhe）遮擋麵積的增大呈對數增長，電流隨著遮擋麵（miàn）積的增大呈線性下降。若同一串電池中存（cún）在（zài）多處遮擋，熱斑效應（yīng）僅會（huì）發生在被遮擋麵積最大（dà）的電池處（chù）。處於正常發（fā）電情況下（xià）的組件，隻要電池被（bèi）遮擋比例（lì）較小，即便存在局（jú）部遮擋，也不會造成熱斑效應。

為減少熱斑效應對光伏方陣（zhèn）發電（diàn）的（de）總體影響，目前的晶體矽光伏（fú）組件都會在每串電池串兩端並聯1個旁（páng）路二極管，以起到局部分流的（de）作用。當然最（zuì）根本（běn）的解決方（fāng）法還是要（yào）在電站設計建造時避免方（fāng）陣之間相互遮擋，以及避免建（jiàn）築物或植被對方陣的遮擋。