光伏组件在热斑条件下的温升研究

0 引言

美国国家标准ANSI/UL 1703为全球第一个光伏标准，于1986年颁布第一版，目前国际光伏标准IEC 61730-1/2、IEC 61215及我国光伏标准GB/T 9535、GB/T 20047的大部分内容均是参照ANSI/UL 1703中的内容制定。ANSI/UL 1703中“光伏组件的温升测试”对光伏组件的安全性及性能评估有极其重要的评估价值。该研究主要评估光伏组件的各种材料在开路、短路及热斑条件下的温度变化是否超出材料的热承受能力；通过测试也同样反映出光伏组件在实际应用时，在热斑条件下的安全性。本文从光伏电站的实际应用出发，主要讨论热斑条件下的光伏组件的温度变化情 况。

1 测试条件要求

根据标准环境要求，测试需要在环境温度10～55 ℃、光谱AM1.5、辐照度100 MW/cm2、平均风速1 m/s下进行，或校正到该条件下进行[1]；同时，要求模拟热斑遮挡的材料应为0.18 mm厚的黑色聚乙烯材质；光伏组件安装需要根据组件安装手册的要求进行，测量线路如图1所示。

图1 遮挡条件下的测量线路图

2 测试数据

采用1块由72片156 mm×156 mm太阳电池组成的多晶硅光伏组件，在环境温度为23.7 ℃、光谱AM1.5、辐照度100 MW/cm2、平均风速1 m/s下对组件进行测试。用于测试的组件的安装方式如图2所示。

图2 组件安装示意图

对光伏组件进行遮挡，在组件中心位置，平行于电池片主栅方向遮挡电池片为横贴，如图3所示；垂直于电池片主栅方向遮挡电池片为竖贴，如图4所示。在测试过程中同时监控被遮挡电池片所在电池串的旁路二极管的电流、电压及组件的短路电流，通过测试得到的数据如表1、表2所示。

图3 横贴

图4 竖贴

表1 横贴条件下，被遮挡电池片所在组串的旁路二极管的电流、电压

表2 竖贴条件下，被遮挡电池片所在组串的旁路二极管的电流、电压

根据表1、表2测得的数据，绘制出不同遮挡方向及遮挡面积时，被遮挡电池片所在组串的旁路二极管的电压及电流值比较图，如图5、图6所示。

图5 不同遮挡方向时，遮挡不同面积的电池片所在组串的旁路二极管的电压

图6 不同遮挡方向时，遮挡不同面积的电池片所在组串的旁路二极管的电流

从以上数据及图可以看出，随着单片电池片遮挡面积的增加，流经遮挡电池片对应保护的旁路二极管的电流、电压也随之增加，但整块光伏组件的短路电流不变，从而流经遮挡电池片的电流减少，这样遮挡电池片的功耗也随之减少，旁路二极管起到了保护光伏组件的作用。

根据ANSI/UL 1703标准的要求，选取单片电池片遮挡50%面积，考虑横贴及竖贴两个方向，测量组件的各部件温度，测试数据如表3所示。

由表3可知，相同遮挡面积下，横贴时形成的热斑现象比竖贴时形成的热斑现象明显，即横贴时形成的热斑对光伏组件材料热性能的影响更大。

应用到实际光伏电站中，当一开始组件的热斑面积较小时，虽然组件输出电流变化较小，但组件热斑局部功耗较大，对组件寿命影响较大；当组件的热斑面积变大时，虽然旁路二极管起到保护作用，但由于旁路二极管未全部导通，对组件材料热考验仍然很大，另外随着二极管长时间大电流的工作，对二极管寿命也产生了很大地影响，所以需要及时清洗组件，尽可能减少热斑时间。

表3 不同遮挡方向的温升

综上所述，在相同热斑条件下，横装光伏组件比竖装光伏组件对组件材料的耐温要求更低，可使组件得到更高的可靠性。

3 结论

根据本文测试可得出以下结论：在相同热斑条件下，横装光伏组件对组件材料的耐温要求较低，可靠性更高，因此，可选择耐温要求更低的材料，有利于进一步降低组件成本。在光伏电站设计及组件选购时，可考虑这一有利因素，以获得更高的电站投入性价比。