高功率组件热斑风险研究

邓士锋，许 涛，夏正月，邢国强

(常熟阿特斯阳光电力科技有限公司，江苏 常熟 215500)

随着太阳能行业的快速发展，光伏组件用户侧对组件的要求也越来越高，对高功率组件需求越来越多，各大光伏组件厂也开发出不同技术的高功率组件，比如单晶PERC组件、HIT组件、双面双玻、反光贴膜、半片组件、多主栅组件和叠瓦组件等。伴随着高功率组件在市场上的应用也暴露出一些可靠性问题，其中单晶PERC组件的热斑温度已经达到了170℃，有的电池存在点缺陷问题甚至超过200℃，已经超过背板的承受温度范围，在户外长期运行时，存在可靠性风险甚至会导致火灾。

为深入研究光伏热斑热失效问题，Michael Simon等通过实验的方法对热斑现象做了较深入的研究，得出了旁路二极管并联电池片数目、遮挡程度及电池的漏电流对组件温度升高的影响程度[1]，张臻等对光伏组件热斑案例进行了分析，并对其影响因素进行了研究[2]。Ramspeck等利用红外热相技术测试反偏下太阳电池温度分布情况，并通过扫描电子显微镜观测局部热点的微观结构，分析晶体缺陷引起的热斑产生机理[3]。Katherine A等基于MATLAB/Simulink模拟得出当二极管并联电池片数量增加时组件热斑风险会增加[4]。Hamed通过优化半片光伏组件的焊带规格，优化光伏组件的输出功率[5]。S.Deng等研究了不同功率组件及缺陷类型对光伏组件热斑的影响[6]。许涛等研究了半片光伏组件技术热斑温度可以降低20～30 ℃[7]。

本文基于光伏组件热斑效应原理，模拟了不同高效组件，单晶PERC组件350 W，半片多晶350 W组件和大硅片半片多晶400 W组件热斑温度，并结合实验进行验证。实验和模拟结果有较好的吻合度，半片多晶350 W较单晶PERC低20～30℃；大硅片半片多晶400 W热斑温度与半片多晶350 W相当。结果显示，大硅片半片多晶组件技术提高组件功率的同时，降低了高功率组件热斑风险，提高光伏组件的可靠性。

1 热斑效应原理分析

组件中的一个电池或一组电池被遮光或损坏时，当其产生的光生电流小于组件工作电流时，该电池被置于反向偏置状态，作为负载消耗功率，进而引起局部温度过高现象。

一个由S片电池串联的组串，其中一片电池片Y被部分遮挡后，如图1所示。遮挡电池片Y的光生电流I1小于组件的工作电流I时，遮挡片Y两端处于反向偏置状态，当遮挡片Y严重反向偏置时，用于保护光伏电池、防止其产生过高偏置电压的旁路二极管将处于正向工作导通状态。

图1 电池片被部分遮挡

由于不同电池的反向特性差别比较大，主要把电池分成电压限制型(A类)和电流限制型(B类)两类。

如图2所示，其中B类电池电流限制型，反向电压增加时，对应的反向电流急剧升高，容易产生雪崩击穿效应，短时间内产生大量的热，导致热斑效应。此类电池需要严格控制，至少保证遮挡片之外的(S-1)片电池的反向电压小于其遮挡片B类电池的击穿电压，可以通过控制二极管管控的每串电池片数量和电池质量来管控热斑风险，此类电池的热斑与组件功率没有非常明显的关系，主要与反偏击穿电压有关，本文不做研究。其中A类电池电压限制型，为低漏电流电池，耐电压击穿，雪崩击穿风险相对较低，可以通过电池生产管控得到此类低风险电池，目前行业内量产出货电池漏电流管控标准多数为Irev＜1.0 A@-12 V。该类电池与组件功率(遮挡片消耗的能量密度)有关，即能量密度越大，热斑风险越高。

图2 反偏特性

根据IEC 61215-2：2016热斑耐久实验要求，光伏组件短接时，遮挡片Y消耗的功率近似等于此组串中其他正常电池片提供的功率之和，当遮挡片Y的拐点电流(反偏电流)与初始最大功率点对应的Im相等时，遮挡片Y消耗功率最大，遮挡电池片消耗功率为：

式中：P消耗功率为遮挡电池消耗的功率；S为二极管并联电池片数量；Pm为单片电池最大工作功率；Pph为遮挡电池片光生电流在负偏压下消耗功率产生的热量：

式中：Isc'为遮挡片光生电流；Vm为正常片最大工作点电压。

Prev为反偏漏电流消耗功率产生的热量：

式中：Irev为遮挡片反偏漏电流。

电池片反向消耗功率如图3所示。

图3 电池片反向消耗功率

组件的温度除了上述的遮挡电池消耗带来的温度，还有光照本身带来的温度。转换成组件温度的功率P为：

Pillu为遮挡电池上光照中不能转换成电能直接转换成热能的热量，相当于组件开路状态下电池吸收的热量(仅取决于光学性能，与电学性能无关)，计算公式为：

式中：E为辐照强度，W/m2；α为电池吸收系数；Aeffective为有效接收面积。

选用350 W单晶PERC组件(72片156 mm×156 mm电池串联，接线盒设有3个旁路二极管)，在短路状态下，利用失配模型模拟单片电池片不同比例遮挡下遮挡片发热功率，如图4所示。

图4 不同遮挡比例热斑电池发热功率

模拟结果显示，单片电池遮挡10%左右时，功率消耗最大，热斑温度最严重。Pillu与接收光照面积有关，随遮挡面积增加而减小；Pph与其他未遮挡电池片工作状态有关，随遮挡面积增加，消耗热功率先增大后减小；Prev与电池缺陷类型和遮挡面积有关，电池缺陷确定的情况下，随着遮挡面积增加而增加(反偏电压和电流均增加)。

2 高效组件热斑模拟

2.1 不同电池技术热斑温度研究

选用CS6U-350MS和CS3U-350P组件版型进行模拟，组件边界条件如表1所示。

表1 不同电池技术

常规组件电路连接为纯串联结构，如图5(a)所示，单片电池遮挡时，旁路二极管启动，此时工作状态BC区间：未遮挡的2个组串电池(正偏压)工作电流略小于Isc；AB区间：23片未遮挡电池(正偏压)工作电流为Im，遮挡片处于反偏状态，工作电流为Im(Isc’+Irev)；热斑电池消耗功率：

由式(6)可知，相同版型，光伏组件热斑温度随组件功率增加而升高。半片组件电路连接为串并联结构，如图5(b)所示，单片电池遮挡时，旁路二极管启动，此时工作状态BC区间：未遮挡组串电池(正偏压)工作电流略小于0.5Isc；AB区间：ef，gh段电池(反偏压)工作电流略大于0.5Isc(电流由BC区间的电池片提供)；cd段电池(正偏压)工作电流0.5Im；ab段未遮挡电池(正偏压)工作电流0.5Im，遮挡电池(反偏压)工作电流0.5Im。热斑电池消耗功率：

式中：Pillu'为半片组件中热斑电池上光照中不能转换成电能直接转换成热能的热量；Pm'为半片组件中非热斑电池单片最大功率。

图5 组件电路设计

假设电池激光切割前后不改变电池漏电流分布及缺陷面积，如上所述常规组件热斑电池消耗功率约为1/3P组件，半片组件热斑电池消耗功率约为1/6P组件。

利用ANSYS/workbench进行有限元分析，由上到下依次为钢化玻璃、EVA、电池片、EVA和KPF背板，材料属性如表2所示。

表2 太阳电池组件主要材料的导热系数

模拟条件：组件输出功率350 W，辐照强度1 000 W/m2，环境温度设为(50±10)℃，光伏组件正面和背面的对流换热系数为10 W/(m2⋅K)，通风良好时，空气对光伏组件的换热系数为5～15 W/(m2⋅K)，常规组件电池156 mm×156 mm，半片组件电池156 mm×78 mm，模拟结果如图6所示。

模拟结果显示，半片组件较常规组件热斑温度低19℃，这是由于半片组件热斑消耗功率降为常规组件的1/2，且电池片内横向导热效果更好(如图6中x-y平面)，降低了组件热斑温度。图6(a)，(b)分别为常规组件及半片组件热斑模拟结果，(c)为半片组件等效成常规组件温度分布示意图(y轴方向×2)，由图6(a)，(b)对比可知x轴方向散热基本持平，图6(a)，(c)对比可知y轴方向，半片组件较常规组件散热更好，高温度分布面积更大。根据模拟结果显示，组件热斑温度与电池片的散热条件相关。热斑电池表面积/体积比值越大，散热速度越快，热斑温度越低。

图6 不同电池技术热斑模拟

2.2 不同组件技术热斑温度研究

选用CS3U-350P、CS3U-400P和CS3W-400P组件版型进行模拟，组件边界条件如表3所示。

表3 不同组件技术

CS3W采用大尺寸166 mm×166 mm(半片为166 mm×83 mm)硅片并更改组件版型设计，采用串并联结构设计，模拟结果如图7所示。

图7 不同组件技术热斑模拟

模拟结果显示，CS3U-400P较CS3U-350P热斑温度高16.4℃，此部分为组件功率增加带来的温升，即功率每增加10 W组件热斑温度提升3.28℃；CS3W-400P较CS3U-400P热斑温度低13℃，此部分温度降低是由于硅片变大，散热条件变好导致。

3 高效组件热斑实验

3.1 热斑测试方法

根据IEC61215-2：2016热斑测试标准，进行选片(选出前三大漏电流电池片及最小漏电流电池片)，选面积(将选出的四片电池片依次按照5%、10%…25%面积遮盖电池，选出最严酷遮挡面积)，选热点(用最严酷遮盖面积遮挡非热点区域)和曝晒[光强800～1 000 W/m2，温度(50±10)℃，辐照1 h以上，用热电偶监测组件热斑温度]。

3.2 不同高效电池技术热斑实验

选用主流档单晶PERC和多晶电池片若干片(电池漏电流＜1.0 A@-12 V)，其余BOM材料均相同，分别制作CS6U-350MS和CS3U-350P组件各3件，在短路状态下，进行组件热斑测试。

测试结果显示，CS6U-350MS组件温度均在170℃以上，封装材料出现不同程度的损坏，样件1温度达175℃，接线盒翘起，如图8(a)所示；样件2温度达171℃，背板出现鼓包，如图8(b)所示；样件3温度达170℃，组件背板出现发亮/脱层现象，如图8(c)所示。

图8 CS6U-MS组件背板外观

CS3U-350P组件热斑温度均在150℃左右，较单晶PERC组件降低20～30℃，主要由于半片多晶的组件为串并联结构设计，单片电池功率消耗为原来的1/2，且具有较好的散热效果，实验结果如图9所示。

图9 组件热斑温度(CS6U-350MS vs.CS3U-350P)

3.3 不同高效组件技术热斑实验

选用同一批次，主流档多晶156 mm×156 mm(半片为156 mm×78 mm)电池和多晶166 mm×166 mm(半片为166 mm×83 mm)电池若干片(电池漏电流＜1.0 A@-12 V)，其余BOM材料均相同，分别制作CS3U-350P和CS3W-400P组件各3件，在短路状态下，进行组件热斑测试(图10)。

图10 组件热斑温度(CS3U-350 vs.CS3W-400P)

测试结果显示，大硅片多晶CS3W-400P组件热斑温度均在156℃左右，较CS3U-350P组件热斑温度高5℃左右，组件外观均没有明显异常，实验结果与模拟结果具有较好的吻合性，绝对值差异在3℃以内，偏差在2%以内，如图11所示。

图11 高效组件热斑实验与模拟值

4 总结

基于光伏组件热斑原理，通过有限元模拟不同高功率组件热斑温度，并设计实验验证，模拟结果与实验具有较好的一致性，结果表明：

(1)相同功率档组件，半片多晶较单晶PERC组件热斑温度低20～30℃，其中350 W单晶PERC组件热斑温度达到170℃，光伏组件出现不同程度的失效，存在可靠性风险。

(2)一般来说随着组件功率增加热斑风险增大。阿特斯多晶高功率组件一方面通过优化串并联结构，降低热斑功率，一方面通过增大电池面积，提高热斑散热效率，实验证明热斑温度可以控制在156℃左右。该热斑温度与阿特斯350 W常规多晶半片类似，说明阿特斯的高功率多晶组件设计，在增加光伏组件功率的同时没有增加光伏组件热斑风险，显著提高了光伏组件可靠性，是高功率组件一条可行之路。