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光伏组件的热斑效应和试验方法

日期:2020-05-29 18:29
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摘要:
光伏组件的热斑效应和试验方法
光伏电池是将太阳光辐射能量直接转换成电能的器件。单个硅晶体光伏电池能得到的*大电压约为0.6V,*大电流约为30mA/cm2。因此光伏电池很少单个使用,而是串联或并联起来,以获得所期望的电压或电流。光伏组件正是由多个光伏电池连接和封装而成的产品,是光伏发电系统中电池方阵的基本单元。

为了达到较高转换效率,光伏组件中的单体电池须具有相似的特性。在实际使用过程中,可能出现电池裂纹或不匹配、内部连接失效、局部被遮光或弄脏等情况,导致一个或一组电池的特性与整体不谐调。失谐电池不但对组件输出没有贡献,而且会消耗其他电池产生的能量,导致局部过热。这种现象称为热斑效应。当组件被短路时,内部功率消耗*大,热斑效应也*严重。

 

 

 、热斑效应原理

 

 

 

 



当然,并不是所有的电池都可以通过调整遮光比例达到*佳阻抗匹配。完全遮光情况下,不同特性的Y电池I-V曲线如图3所示。斜率越低,表明电池的并联电阻越大。考虑(S-1)个电池串的*大输出功率点所限定的“试验界限”,根据I-V曲线与“试验界限”的交点,把电池分为电压限制型(A类)和电流限制型(B类)。A类电池并联电阻较大,可以通过减少遮光面积,达到*佳阻抗比配;B类电池的并联电阻较小,完全遮光已是Y电池消耗功率*大的状态。

二、热斑耐久试验

 

     热斑效应可导致电池局部烧毁形成暗斑、焊点熔化、封装材料老化等长久性损坏,是影响光伏组件输出功率和使用寿命的重要因素,甚至可能导致安全隐患。因此,IEC61215:2005《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定性》专门设置了热斑耐久试验,以考核光伏组件经受热斑加热效应的能力。

 

     热斑耐久试验过程包括*坏情况的确定、5小时热斑试验以及试验后的诊断测量,分为以下4个步骤。

 1、选定*差电池

 

      由于受到检测时间和成本的限制,热斑耐久试验不能针对组件中的每一个电池进行。因此,正式试验之前先比较和选择热斑加热效应*显著的电池。具体方法是,在一定光照条件下,将组件短路,依次遮挡每个电池,被遮光后稳定温度*高者为*差电池片。电池温度可以用热成像仪等仪器测量。对于串联-并联-串联连接方式的大型组件,标准允许随机选择其中30%的电池进行比较。

 

     对于串联和串联-并联连接方式的组件,IEC61215标准给出了两种快速的方法。**种方法是:将组件短路,不遮光,直接寻找稳定工作温度*高的电池。第二种方法是:将组件短路,依次遮挡每个电池,选择遮光后组件短路电流减少*大的电池。本文推荐采用第二种方法,这主要是考虑到测量短路电流精度较高,测量结果可以用于下一个步骤的判断,而且短路电流跟失谐电池消耗的功率有直接关系。



2、确定*坏遮光比例

 

     选定*差电池之后,还要确定在何种遮光比例下热斑的温度*高。即用一组遮光增量为5%的一组不透明盖板,逐渐减少对该电池的遮光面积,监测电池被遮部位背面的稳定温度,看何时达到*高温度。目前*常见的电池规格有156mm*156mm125mm*125mm两种,因此实验室需要准备两组不透明盖板。

 

     以上两个步骤所使用的辐射源,可以是稳态太阳模拟器或自然阳光,辐照度不低于700W/m2,不均匀度不超过±2%,瞬时稳定度在±5%以内。如果气候条件允许,可优先选择自然阳光。南方的实验室在这方面优势明显。以深圳为例,根据气象局统计(表一),年太阳辐射量平均为5225 MJ/m2,年日照时数平均为2060小时,可计算平均太阳辐射强度为705W/m2。另外,低纬度地区的太阳辐射季节分配相对均匀。实测数据表明,深圳冬季的太阳辐射强度,晴天正午前后仍可达850 W/m2以上。这种太阳辐射条件,同样适宜进行光伏组件的另外一个试验项目——电池额定工作温度(NOCT)的测量。


35小时热斑耐久试验

 

     标准要求辐射源为C类或更好的稳态太阳模拟器或自然阳光,其辐照度为1000W/m2±10%。实际上自然阳光很难在5小时的长时间内保持10%的稳定度,因此须采用稳态太阳模拟器。光谱近似日光的氙灯是*佳选择,全光谱金卤灯也可以满足光谱要求。须注意灯阵列的设计,使测试平面的辐照不均匀度小于±10%;同时配备稳压电源,保证试验期间辐照不稳定度小于10%

 

     4、试验后的诊断测量

 

     组件经过热斑耐久试验之后,首先进行外观检查,对任何裂纹、气泡或脱层等情况进行记录或照相。如果发现标准第7章规定的严重外观缺陷,则视为不合格。如果存在外观缺陷但不属于严重外观缺陷,则对另外2块电池重复热斑耐久试验。试验后不再发现外观缺陷,则算合格。此外,组件在标准试验条件下的*大输出功率Pm的衰减不能超过5%;绝缘电阻应满足初始试验的同样要求。

 

     解决热斑效应问题的通常做法,是在组件上加装旁路二极管。通常情况下,旁路二极管处于反偏压,不影响组件正常工作。当一个电池被遮挡时,其他电池促其反偏成为大电阻,此时二极管导通,总电池中超过被遮电池光生电流的部分被二极管分流,从而避免被遮电池过热损坏。光伏组件中一般不会给每个电池配一个旁路二极管,而是若干个电池为一组配一个,如图1所示。此时被遮挡电池只影响其所在电池组的发电能力。