光伏组件热斑对发电性能的影响

李世民，喜文华

（甘肃省科学院自然能源研究所，兰州730000）

随着太阳能电池的广泛应用，一些影响光伏组件发电性能及其寿命的不利因素也随之出现，热斑就是其中之一。目前很多学者认为光伏组件上的热斑是由于光伏组件被局部遮阴引起的，而根据实际观察，即便是建设在毫无任何遮拦的大漠光伏电站组件，热斑现象也十分普遍。光伏组件上的热斑对光伏组件的发电和寿命都有较大的影响。光伏电池的热斑效应是一个能严重破坏太阳能组件中太阳能电池，并影响组件的发电性能。

1 热斑形成的原因和机理

光伏电池上的热斑形成有先天性电池间微小差异和后天性由于遮阴等原因造成的［1］。

由于光伏电池在生产过程中的微小差异，导致每一片光伏电池的输出特性会有所不同。一块光伏组件通常是由几十片光伏电池串联而成的，虽然理论上一个组件内的每一片电池的输出性能都应该是基本相同的，但是在实际组装太阳能光伏组件的过程中，同一组件电池片还是会有一定的差异，即便是在同一批生产的光伏电池片之间仍会有稍微差异 。

光伏热斑形成的另一个重要原因是被云、树叶、鸟粪或其他物体遮挡。由于照射在遮阴电池上的光照强度明显与相邻电池不同，其温度将明显高于相邻那些未被遮挡的部分。

光伏电池间的微小差异或被遮阴，导致该电池的特性在串接电路中与整体不协调（失谐）。失谐的电池不但对组件输出贡献较低，或者没有贡献，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。这些有问题的光伏电池处于开路、短路或典型负载等不同工作状态时，由于光伏电池中流过的电流和内阻均有变化，其温度也有所不同。

2 热斑对发电阵列的影响

太阳能光伏电池的等效电路见图1，其中Iph为恒电流，D为PN结二极管，Id为流过二极管D的电流，Rs是光伏电池内部串联电阻，Rsh是并联电阻［2］，RL为负载电阻。

图1 光伏电池的等效电路

太阳能电池的输出电流为：

式中：V为输出电压。

一个光伏组件一般由几十片光伏电池串联而成（见图2），当其中某个电池被遮阴时，该光伏电池Iph＝0，而该电池的等效二极管D处于反向状态，串接电路中相邻电池所发出的电力不得不通过组件内部电阻Rsh和Rs向外输出，在该光伏电池内部电阻将消耗相邻光伏电池发出的电力，并导致该电池片发热，其消耗的功率最大将达到

式中：P为被遮光电池消耗的功率；I为流过的电流。

图2 光伏组件工作示意图

假设组件内的某个电池片被完全遮阴，该电池片将起不到任何发电的作用，这个电池片就相当于一个电阻（Rsh＋Rs），该电池片在电路里将成为一个耗电的电热部件，耗电发热，形成热斑。

从以上分析可以看出：当光伏组件或阵列处于短路状态时，由于光伏组件发出的电力将被全部消耗在有热斑问题的电池上，内部功率消耗最大，所以组件内的热斑问题会显得特别突出，热斑效应也最严重。而在正常运行状态下，热斑问题会有所缓解，当光伏组件进入开路状态时，因为无电流回路，所以光伏组件或被遮阴的电池不会出现热斑现象［3］。

组件中一个或者几个电池的热斑问题会导致整个组件工作不正常，会对光伏组件的输出特性产生重大影响。光伏组件的工作状态见图3。

图3 遮阴和热斑对组件I－V曲线的影响

当组件内部的部分电池片被不同程度地遮阴或有热斑问题时，组件的伏安输出特性会随着遮阴或热斑的程度有所不同。由图3可以看到：遮阴和热斑对组件开路电压影响较小，轻度的局部遮阴或热斑甚至不会直接影响组件的短路电流，因此用简单的万用电表很难直接检测出有问题的组件，但是遮阴和热斑对光伏组件的最大功率工作点的影响十分严重。因此要确认光伏系统中的组件是否工作正常或有无热斑问题，仅测量其开路电压和短路电流是无法检测的，需要用专用的I－V曲线特性仪器才能正确检测。

对于一个串接在系统里的光伏组件，当由于某种原因，某电池被完全遮阴或部分遮阴，直至该光伏组件进入逆反状态，旁路二极管功能启动，该组件电压平衡为：

式中：Vsh是遮阴或热斑电池两端产生的电压；Vi是每个光伏电池正常发电产生的电压；Vd是旁路二极管正向导通压降，一般为0．3～0．6V。

该平衡式的含义是该问题组件被遮阴的电池上产生的压降要大于该组件其他光伏电池所产生的电压总和，旁路二极管才能自动投入工作，进而保护该组件。此时，阵列中串接的其他组件所发出的电力将大部分通过旁路二极管流出，但也有部分电流通过了被遮阴的光伏电池上，见图4。

图4 光伏阵列中个别电池被遮阴后对阵列输出的影响

光伏电池片上的消耗功率为：

式中：Vsh为被遮阴光伏电池两端电压；Rsh为被遮阴光伏电池并联电阻；Rs为其串联电阻。

光伏电池的内阻随光照强度的变化而有所变化，光强实验测试结果证明：一个105mm×105mm的光伏电池片在遮阴时候的内阻一般为20～50Ω，对于一个峰值输出电压为18V的组件，在热斑电池上产生的功耗将达到5～10W，甚至更高。

3 热斑效应的危害及检测手段

采用红外热像仪器拍摄红外图像是有效在线测量光伏组件运行状态和热斑分布及热斑温度的途径，可以非接触方式快速发现并定位在大面积光伏阵列中的电池热斑，并进行故障定量分析。图5为一幅用红外热像仪测到的光伏组件上的热斑现象。由图5可见：当该组件大部分光伏电池温度处于20～30℃时，该组件有一块电池进入热斑状态，其电池中心表面温度已经达到67℃左右。

图5 光伏组件上的热斑现象

光伏组件中的电池热斑效应是一个能严重破坏光伏组件中的光伏电池，并影响组件发电性能的不利因素。严重的热斑效应可导致电池局部烧毁或形成暗斑、焊点熔化、封装材料老化或盖板玻璃炸裂等永久性损坏，降低光伏组件输出功率和使用寿命。

4 热斑问题的解决办法

为减轻或消除遮阴影响，避免热斑效应对光伏发电以及组件寿命的影响，在光伏组件接线盒内接入集成旁路二极管（见图2和图4中的旁路二极管Dp），可以在大规模光伏发电系统中，特别是直流端电压较高的系统中起到非常积极的作用，大大减轻由于整个组件被遮阴对系统的影响，但是组件接线盒中的旁路二极管只能解决组件大面积遮阴对组件输出的影响，起到保护组件和提高系统稳定工作的作用，对于组件内的个别电池的遮阴或热斑问题却不能从根本上起到保护作用。

实际上，一个正常的光伏组件当某一片或几片电池被遮阴，很难导致光伏组件进入反向状态，因为即便是全部电池片被遮阴，也不可能100%处于无光状态（光强等于0，输出电流等于0）。通常情况是组件被局部或全部遮阴时，被遮阴的光伏电池仍然有约20%～30%的散射辐射会照射到组件上，其光伏组件仍会发微弱的电力，而不会进入反向状态，也就是说，如果一块组件（例如36片电池）只配接一个旁路二极管的话，这个旁路二极管通常几乎是不起作用的，除非该光伏组件内部电池由于热斑等故障，出现电池片烧毁开路或者引线脱焊或断裂故障，旁路二极管才起到旁路的作用。

实验证明：当对一串联电压400V的光伏阵列中的某一光伏组件中的某一片电池完全遮挡（不透光），该组件电压将从18V降至7V，但并没有发生逆转，也就是说，旁路二极管并没有起到保护作用，只有当该组件约一半以上电池被完全遮挡时，该组件才进入－0．6 Vd的反向导通状态，也就是说此时旁路二极管工作，串联电路里的电流被该旁路二极管旁路。

5 结语

在光伏组件的输出端加接一个旁路二极管，可以有效防止该组件损坏后影响阵列串接回路中的其他组件的正常发电，但是不能有效防止和彻底解决遮阴和热斑问题。

理论上讲，给每一个光伏电池片并联一只二极管，就可以从根本上预防因遮阴而影响整个串联组件的问题，同时也避免了因遮阴而导致热斑的形成，但大大增加组件生产工艺上的复杂性和产品的价格，生产上较难实现。为了防止遮阴导致的热斑问题，可尽可能地加大旁路二极管的接入密度，在一块组件的电池串内分组并联若干个二极管。

减少热斑问题的产生还应该避免使用短路型控制器和逆变器，避免光伏阵列出现短路状况。

［1］王军，王鹤，杨宏，等．太阳电池热斑现象的研究［J］．电源技术应用，2008，11（4）：48－51．

［2］杨德仁．太阳电池材料［M］．北京：化学工业出版社，2008．

［3］刘平，王雪冬．太阳电池阴影效应及热斑［J］．物理实验，1998（2）：42－43．