光（guāng）伏組件（jiàn）熱斑（bān）效應詳（xiáng）解

根據晶體矽（guī）光伏組件熱斑耐久（jiǔ）試驗的結果，分析太陽電池發熱的原因（yīn），並設計實驗尋找熱斑效應影（yǐng）響程度（dù）與遮擋麵積大小及外接負載大（dà）小的關係，最後闡述了目前利用（yòng）旁路二極管減（jiǎn）小熱斑效應影（yǐng）響的原理及光伏電站設計（jì）運維的注意事（shì）項。

1電池發（fā）熱的原因

目前晶體矽太陽（yáng）電（diàn）池的效率（lǜ）普遍約為20%，電池表麵的減反膜可以使（shǐ）電池對光的反（fǎn）射率減小到小於10%，剩餘的70%的光（guāng）子能（néng）量呢？半（bàn）導體材料通常能強烈地（dì）吸收光能，吸收係數為105/cm[2]。太陽電池吸收（shōu）光，一部分用於光伏發電對外做功；另一部（bù）分則被吸收，表現為熱（rè）力學溫度的升（shēng）高，即為光吸收發熱。

理想情（qíng）況下（xià），太陽（yáng）電池在正常發電時，溫（wēn）度的升高隻來自於光吸收發熱（rè）。但實際上（shàng），太陽電池並不能達到理想狀況，總是存在著一定的內阻，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。因此，太陽電池發熱的主要原因是光吸收（shōu）發熱和內阻對功率的消耗發熱。

當晶體矽光伏組件（jiàn）中某塊太陽電池被遮（zhē）擋時，這塊電池電壓將會（huì）被偏置當成負載，消耗其他電池發的電。因此，這塊電池（chí）的溫度會比其他電池更高，從而產生熱斑效應。

如圖1所示，遮擋電池並短接組件(外接負載為（wéi）零時)在陽光下曝（pù）曬。揭（jiē）除（chú）遮擋物，立即拍攝電池紅外熱像圖片，結果如圖2所示，溫度（dù）最高的點出現在（zài）被遮擋電池（chí）上未被遮擋的部分。

2熱斑耐久試驗

IEC 61215-2-2016中條款4.9給出了熱斑耐久試驗的測試方法。如圖3所示，對於晶體矽光伏組件來說，I-V曲線（xiàn）末端斜率越大，說明（míng）被遮擋的太陽電池的（de）漏電流越大，發（fā）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電池來測試I-V曲線，並將所有I-V曲線整合到（dào）一起。在挨著邊框的（de）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（yǒu）電池中選擇2塊漏電流次（cì）之的電池和1塊漏（lòu）電流最小的電池（chí），分別記為2#、3#、4#。

在無遮擋的情況下，用脈衝模擬器測試組件的最大功率，並記錄最大功率點電流Imp。對選出來的4塊電池進行分（fèn）別遮擋，用不同的遮擋比例進行遮擋後，測試電池（chí）的I-V曲線，直到拐點(旁（páng）路二極管工作的臨界點)電流值與Imp接近，如圖4所示，此時的（de）遮擋比例即是最壞的（de）遮擋比例。

用上述（shù）確定（dìng）的最壞遮擋比例分別遮（zhē）擋選出來的4塊（kuài）電池，短接（jiē）組件在穩態模擬器下曝曬5 h(曝曬（shài）時僅遮擋1塊電池，共進行4次曝（pù）曬)，模擬器內溫度保持（chí）在50±10 ℃。為監控每次（cì）曝熱平衡後組件溫度的分布情況，對被（bèi）遮擋電（diàn）池所在（zài）電池串中任意1塊未被遮擋的電池的背（bèi）板溫度，以及被遮擋電池所遮擋部分的背板溫度和未被遮擋部分的背板溫度進行了監控，結果如表1所示。

從表1可以看出，存在遮擋（dǎng）的電池，其發熱最嚴重的地方在其未被遮擋的（de）部分。

3遮擋比例（lì）與電流、電（diàn）壓特性

3.1單塊太陽電池被（bèi）遮擋

目前市場（chǎng）上主流的晶體矽光伏組件（jiàn）普遍采用3串電池串串聯、每串電池串並聯1個旁路二極（jí）管的方式來減少熱斑效應的（de）影響。當其中（zhōng）1串（chuàn）電（diàn）池串中的某塊電池被遮擋時，該（gāi）電池的電流、電壓（yā）特性便發生了變化。該電（diàn）池的局部電流與電壓之積會增大，從而產生局部溫升，其（qí）他電池串則會因旁（páng）路（lù）二極管的保護而不受影響（xiǎng）。為驗證被遮擋電池（chí）的電流（liú）、電壓特性是如何變化的，我（wǒ）們進行了如（rú）下實驗。

3.1.1不同（tóng）遮擋比例對（duì）電流（liú）的（de）影響（xiǎng）

分析不（bú）同遮擋（dǎng）比例對（duì）電流的影響。圖5為去（qù）除旁路二極管後所測得的不同遮擋比例下的短路電流與最大功率點電（diàn）流。由圖（tú）5可以看出，電流值與遮擋比例呈線性關係（xì）。

3.1.2不同遮擋比例對偏置電壓（yā）的影響

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

光生電壓的計算公（gōng）式[2]為（wéi）：

式中，k0為玻爾茲曼常（cháng）數；T為熱力學（xué）溫度；q為電子電荷；IL為光生（shēng）電流；I為流過外接負（fù）載的電流（liú）；IS為電池反向飽和電流。晶體（tǐ）矽太陽電池的開路光生電壓一般約為0.6 V，電壓方向為（wéi）從n極到p極。

從圖7可以看（kàn）出，在未被（bèi）遮擋時，黑色電池兩（liǎng）端電壓方向與光生電壓方向一致。但當該電池被遮（zhē）擋時，其兩端電壓被偏置，電壓方向與光生電壓方向相反，並且偏置電壓數值也發生驟變，隨著遮擋麵積的增大，偏置（zhì）電壓呈對數型增（zēng）長，曲線形狀（zhuàng）與光（guāng）生電壓相似。當完全遮擋時，黑色電池兩（liǎng）端電壓為-14.46 V；由於本實驗（yàn）用的組件每串有24片電（diàn）池，因此每串電池的開路電壓理論值（zhí）為14.4 V，當電池被完全遮擋時（shí），光生電流幾（jǐ）乎為零，相當於開路狀（zhuàng）態，此時黑色電池相當（dāng）於一個無窮大的負載。

光伏組件I-V曲線的（de）形（xíng）成過程，實際上就是外接負載從零變到無窮大的一個過程。隨著遮擋（dǎng）比例的增加，回路電流減小（xiǎo），當遮擋達到（dào）一定程（chéng）度時，可將被遮擋的電池等效看成一個（gè）負載，被遮擋電池兩端電壓不斷增大，可等效看成是負載增加的效（xiào）果，曲線形狀也呈（chéng）對數型（xíng），其與圖7存在（zài）對（duì）應關係。

3.2多（duō）塊太陽電（diàn）池被遮擋

為（wéi）分析多塊太陽電池被遮擋（dǎng）的情況，進行如下實（shí）驗。

將（jiāng）圖6中（zhōng）的黑色電池遮擋30%，該串中另一（yī）塊電池遮擋40%，此時測得黑色電池兩端的（de）電壓為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（cè）得黑色電池兩端的（de）電壓為-13.2 V；再將2塊電池都遮擋40%，此時測得黑色電池兩端的電壓為-6.7 V。由此可見，遮擋造成的電池串內電壓偏置並（bìng）不服從歐（ōu）姆定律，在出現多處不同遮擋麵積的情況時，熱（rè）斑效應隻突出表現在（zài）被遮擋（dǎng）麵積最大（dà）的電池上；但是當出現（xiàn）相同遮擋（dǎng）麵積的情況時（shí），電池串內部偏置電壓被均分。

實驗中發現，偏置（zhì）電壓（yā）對（duì）遮擋麵積（jī）的差異反（fǎn）應非常敏感（gǎn），2塊電池遮擋麵積稍有差異，偏置電壓就會倒向遮擋麵積較大的一處。將上排（pái）任意某塊電池遮擋30%，下排任意某塊電池（chí）遮擋40%，短接組件在陽光下（xià）曝曬後拍攝紅外圖像，如圖8所示；再在上下排電池（chí）中各任選一塊電池進行遮擋（dǎng），遮（zhē）擋比例一致，短接組件（jiàn）在陽光下曝曬後拍攝紅（hóng）外圖像（xiàng），如圖9所示。紅圖像的顯示結果，驗證了之前的結論。

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

由表2可以（yǐ）看出，被遮擋電池的偏（piān）置電（diàn）壓對外接（jiē）負載也很敏（mǐn）感。在遮擋麵積一定時，當（dāng）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（yú）某個界限值時，遮擋便不（bú）會造成熱（rè）斑效應；這個界限值取決於遮擋麵積的大小。

在光伏組件實際（jì）發電中，外接負載點總是處於最大功率跟蹤（zōng）(MPPT)點（diǎn）；那麽反過（guò）來，在MPPT點，隻要遮擋麵積不超過一定（dìng）的比例，被遮擋電池也不會（huì）被偏置，即遮擋也不會產生熱斑效（xiào）應。

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

由表3可知（zhī），組件在正常工作時，隻（zhī）要電池被遮擋的比例較小（xiǎo），即便存在局部遮擋，也不會（huì）造（zào）成熱斑效應。

綜上所述，電流隨著遮擋麵積的增大呈線性下降，偏置電壓則（zé）隨著遮擋麵積的增大呈（chéng）對數增（zēng）長；熱斑效應發熱最嚴重時，是流經被遮（zhē）擋電池的電流與偏置電壓之積（jī）最（zuì）大時。

4改進方式

目前，降低（dī）熱斑效應影響的有效方式是在（zài）每串電池串的兩端並聯1個旁路二極管。旁路二極管（guǎn）的工作原理為：以（yǐ）常規的72片電池組成的晶體矽光伏組件為例，每串（chuàn）有24片電池；如圖10所示，正常工作時，A點電（diàn）勢低於B點，因此旁路二極管截止，不起任何作用；圖中的黑色電池（chí）被遮擋或出現其他問題，導致該電池處於反向偏置的狀態，此時（shí）C點電勢高於D點；對於其他電池串（chuàn）的電池來（lái）說（shuō），黑色電池所在回路處於高阻限（xiàn）流狀態，旁路二極管具有正（zhèng）向導（dǎo）通性，此時旁路二極管相當於（yú）導線，起到分流的作用，A點與B點的電勢差隻有1個二（èr）極管的壓降，其他兩路正常電池串所產生的光生電壓依然可被（bèi）外接（jiē）負載所利用。

解決熱斑效應問題，除了增加旁路二極管以外，還應在光伏係統設計建造時合（hé）理設計方陣間距，避（bì）免出（chū）現方陣（zhèn）之間相互遮（zhē）擋的情況；要合理設計支架離地麵的高度，對（duì）於存在植（zhí）被的麵，要定期處（chù）理，防止植被過（guò）於茂盛而導致遮擋；對周邊環境要多加考慮，以避免建築物對光伏方陣造成遮擋。運維方麵也要定期（qī）對組件（jiàn）表麵進行清洗，以免（miǎn）不均（jun1）勻的積塵、過大（dà）的鳥糞的遮擋，從（cóng）而造成（chéng）熱斑效應。

5總結

電池被遮擋會引起局部電壓偏（piān）置，導致（zhì）晶體矽光伏（fú）組（zǔ）件局部溫（wēn）度升（shēng）高，從而引（yǐn）起熱斑效應；溫度最（zuì）高點在被遮擋電池的未被遮擋部分，發熱的多少取決於偏置電（diàn）壓與流經被遮擋電（diàn）池電流大小的乘積，且偏置（zhì）電壓隨著遮擋麵積（jī）的增大呈對數增長，電流隨著（zhe）遮擋麵積的增（zēng）大呈線性下降。若（ruò）同一串電池中存在多處遮擋，熱斑效應僅會發生在被遮擋麵積最大的電池處。處於正常發電情況下的組（zǔ）件，隻要電池被遮擋比例較小，即便存在局部遮擋，也（yě）不會造成熱斑效應。

為減（jiǎn）少熱（rè）斑效（xiào）應（yīng）對光伏方陣發電的（de）總體影響，目前的晶體矽光伏組件（jiàn）都會在每串電池串兩端並（bìng）聯1個（gè）旁路二極管，以起到局部分（fèn）流的作用。當然最根本的解決方法還是要（yào）在電站設計建造時避免（miǎn）方陣之間相互遮擋，以及避免建築物（wù）或植被對方陣的遮擋。