太阳能组件的旁路二极管导通实验研究

朱华，肖奇峰，安超

(苏州UL美华认证有限公司，江苏 苏州 215122)

0 引言

当煤炭、石油等不可再生能源频频告急，传统的燃料能源正在日益减少，对环境造成的危害也日益突出，能源问题已成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。

太阳能电池具有质量轻、使用安全、不污染环境、工作时不产生热量等优点，是一种电压稳定性良好的纯直流电源。其产品主要分为晶体硅电池、薄膜电池两类，如图1所示。

太阳能发电是指无需通过加热过程直接将光能转变为电能的发电方式，它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。随着国际油价居高不下，太阳能电池产业已成为近几年最火产业。2014年5月22日，中国国家能源局发布消息称，2014年全年光伏发电新增备案总规模1.4×107kW，其中分布式8×106kW，光伏电站6×106kW，这意味着今年我国光伏发电装机量同比增长近24%。

随着太阳能电池的广泛应用，一些影响电池寿命的因素不得不引起人们的重视，热斑效应就是其中之一，因此，对太阳能电池的热斑效应实验研究具有极其重要意义。

图1 太阳能电池的分类

1 热斑效应现象及原理

1.1 热斑效应现象

由于单个硅晶体太阳能电池能得到的最大电压约为0.6 V，最大电流约为30 mA/cm2，因此太阳能电池很少单个使用，而是串联或并联起来使用，以获得所期望的电压或电流。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，导致电池板中某些电池的电流I、电压V发生变化，结果使电池板局部电流与电压之积增大，导致这些电池片局部温度过高而出现烧坏的暗斑(如图2 所示)，这种现象称为“热斑效应”。［1］

图2 热斑效应现象

1.2 热斑效应原理

当连接负载的太阳能电池受到光照时，太阳能电池可用恒流源Iph、P-N结二极管D、电极等引起的串联电阻Rs和相当于PN结泄漏电流的并联电阻Rsh组成的电路来表示，其等效电路如图3所示。［2］

图3 实际的太阳电池等效电路

因此流过负载的电流为:

其中，饱和漏电流ID大约为10-11A/cm2数量级，可忽略不计。为了使电池输出更大功率，必须尽量减小串联电阻Rs，增大并联电阻Rsh。晶体硅太阳能电池的串联电阻通常小于1 Ω，而并联电阻一般为几千欧。在短路情况下(U=0)，电池消耗的功率，其主要作用是串联电阻，因此正常工作条件下太阳能电池的内阻很小(约等于串联电阻Rs)。

在n个电池串联的组件中，其中电池a被遮光，则其处于反向偏置状态。组件短路时，电池a所消耗的功率为，主要是并联的贡献，即电池a的内阻增加几千倍(约等于并联电阻Rsh)，成为消耗(n-1)个电池串联所产生能量的负载电阻。

如电池a被部分遮光时，其阻抗与被遮挡面积成正比，在适当的遮光比例下有可能与(n-1)个电池串的内阻形成最佳匹配，则此时电池消耗功率最大，热斑效应最显著。

2 热斑效应实验研究

热斑效应将导致电池局部烧毁形成暗斑、焊点熔化、封装材料老化等永久性损坏，是影响光伏组件输出功率和使用寿命的主要因素，甚至导致安全隐患。［3］因此，选择了一块多晶硅太阳电池组件中的两片电池通过对其不同比例的遮挡，分别进行其热斑效应实验研究。

2.1 实验研究

实验中采用稳态太阳模拟器4600SLP模拟太阳光照射，分别对太阳电池组件完全无遮挡和遮挡某一电池片的15%、40%、100%及一片遮100%，另一片遮75%，最后遮挡两片电池，利用计算机完成数据采集、处理、结果显示，如图4所示。

图4 实验数据曲线

2.2 实验结果及分析

1)根据实验检测结果显示，随着单个组件内的电池片发生遮挡面积增大，组件的输出功率逐渐降低，使组件的发电效率降低，特别是当单个电池片被遮挡60%以上时，功率降低明显。

2)当单片电池R被遮挡面积增加到让S2串电池片组的旁路二极管D2由截止变为导通时(如图5)，该S2串电池片组被旁路二极管D2短路，组件功率将不再降低，所以旁路二极管能有效防止组件在热斑条件下进一步降低功率，从而保护其他没有问题的电池串。

图5 组件电池热斑效应图

3)在组件电池片遮挡没有达到旁路二极管工作时，整个组件输出电流随着遮挡面积的增大，输出电流逐渐减少;当旁路二极管工作时，组件输出电流恢复到没有遮挡前的正常电流。

3 结论

由实验现象可以得出如下结论:

1)随着组件中电池片遮挡面积增加，电流及功率损耗逐渐明显增加;

2)只有当组件遮挡到一定面积时，旁路二极管才会导通;

3)当组件电池片遮挡面积增加到旁路二极管工作时，组件电流才会恢复到额定值。然而在旁路二极管没有导通之前，其组件的功率损耗将使封装材料接受严重考验，随着时间积累到一定时间后，将会对电池片的焊料产生氧化、脱焊、打弧燃烧等危险，会对EVA、背板产生脱层、鼓泡、氧化甚至燃烧危险。

［1］李松丽，张俊，陈有余.光伏组件热斑耐久试验方法探讨［J］.电源技术，2013，37(5):778-780.

［2］杨金焕，于化丛，葛亮.太阳能光伏发电应用技术［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［3］李剑，汪义川，李华，等.单晶硅太阳电池组件的热击穿［J］.太阳能学报，2011(5):690-693.