不同遮挡情况下半片组件及二极管的分析研究

吴 兢，杨振威，杜 欢，赵兴国,2

(1.江苏辉伦太阳能科技有限公司国机新能源研究院，江苏南京 210061；2.江苏苏美达能源控股有限公司，江苏南京 210061)

当组件在电站应用时常常因鸟粪、落叶遮阴以及灰尘等因素，造成光伏组件热斑[1]，而光伏组件中的旁路二极管对减少热斑具有关键作用，IEC61215：2016 标准[2]中也单独设计了实验验证旁路二极管长期工作的可靠性。二极管具有单向导电性的特点，在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置；在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。利用此特性，在光伏组件中，二极管正常情况下处于截止状态，当组件中存在遮挡、热斑或其他故障导致组件失效时，旁路二极管可以导通，起到电路隔离的作用[3]，让光伏组件的其他电池片正常工作[4]。

目前，国内外大量的分析表明，在每串光伏电池组都反向并联了一个旁路二极管的情况下，安装二极管可以降低遮挡电池片上的负压从而避免电池片受到较大的反向电压而导致热击穿[5]。对于半片组件而言，每个二极管并联了两串光伏电池组，电路变得更为复杂，根据文献[6]分析的情况，只有遮挡二极管并联的每条支路上的一块或多块电池片时，旁路二极管才导通，遮挡不同二极管并联的电池片、遮挡二极管并联的部分支路中的电池片会使IV 曲线发生弯曲。而现在所有的组件都是半片组件，二极管位于组件中间位置，如果要满足每条支路上的电池片同时被遮挡，旁路二极管才导通，条件过于苛刻，则二极管的功能未被好好利用。

本文针对半片组件，对不同遮挡情况下的二极管两端电压进行测试，结合组件发热IR 分析情况，以及组件接入固定负载下功率情况，分析单个二极管在与两个支路并联的情况下，不同遮挡情况下二极管的状态，并通过在不同遮挡情况下的模拟器功率测试来验证前实验结果的正确性。

1 二极管的启动条件

半导体二极管具有单向导电性，当PN 结外加正向电压(正向偏置)时，耗尽区变窄，有电流通过，电阻值很小，PN 结导通；而当外加反向电压(反向偏置)时，耗尽区变宽，没有电流通过或电流极小，电阻值很大，PN 结截止，这是二极管最重要的特性[7]。所以当某个电池串发生遮挡现象时，电池片发生反向偏置，承受较大的反偏电压[8]，当组件中二极管两端电位由反向偏置转为正向偏置，且两端电压产生的压降≥二极管导通电压时，则二极管导通，该二极管启动条件的电压如式(1)所示：

正常状况，Udiode=∑Un=nUn

当有阴影遮挡时，旁路二极管开启的条件为：

式中：Udiode为二极管两端压降；Un为无遮挡单个电池电压；n为电池片的数量；Ushade为遮挡电池片电压。

2 半片组件遮挡实验

2.1 仪器

FLUCK Ti300-14040258 红外热成像仪，对工作状态下组件的发热情况进行拍照，可查看组件各位置的温度情况。

梅耶博格国际贸易(上海)有限公司PASAN-PAA0631 I-V测试系统，可以模拟在1 000 W/m2的辐照度下，不同遮挡情况对应的组件电性能数据和IV 曲线。

M9712B/Maynuo DC ELECTRONIC LOAD 可编程直流电子负载，根据组件电参数和连接线缆电阻设定电子负载阻值为3.4 Ω，并与实验组件串联，在光照情况下，可以采集实验组件的实时输出功率、工作电压和工作电流。

电阻负载阻值设置公式：

安捷伦数据采集仪，用于采集二极管两端电压。

2.2 样品准备

实验选用单面PERC 单晶硅电池作为组件的基本的单元。半片电池片的尺寸为182 mm×91 mm，单件组件由144片半片电池组成，组件内部的每12 个半片电池片串联编制为1 个电池串，整个组件共有6 个相互串联的电池串，每2 个串联的电池串并联1 个反向二极管作为保护电路，电路示意图如图1 所示。

图1 实验组件的电路示意图

2.3 组件在不同遮挡情况下的实验研究

2.3.1 单个半片内遮挡不同面积的组件实验

将实验组件分别遮挡单个半片的20%、60%、100%，组件外接3.4 Ω 的负载，30 min 后使用红外热成像仪测试组件发热情况，并用数据采集仪记录测试对应二极管遮挡前后的电压变化，遮挡示意图如图2 所示。

图2 单个半片内遮挡不同面积的组件示意图

图3 为单个半片内遮挡不同面积时组件的热成像图，当遮挡单个半片的20%时，其热成像显示遮挡区域发热明显，形成热斑；当遮挡单个半片的60%时，其热成像显示单个半片电池片内未遮挡区域发热明显，形成热斑；当遮挡单个半片的100%时，其热成像显示遮挡区域不发热，整件组件无异常发热区域，不形成热斑。

图3 单个半片内遮挡不同面积时组件的热成像图

此时，如表1 所示，当遮挡单个半片的20%和60%时，其二极管两端电压出现下降，当遮挡达1 个半片电池片时，二极管两端电压降低约初始电压的一半。

表1 单个半片内遮挡不同面积的二极管电压记录表 V

可见，当遮挡达1 个半片电池片时，二极管已启动，此时存在遮挡的电池片组串被旁路，进而热斑现象消失，但是此时二极管两端测试仍然有电压，将通过IV 测试对此现象进行研究分析。

2.3.2 不同遮挡情况下的IV 测试

结合上述实验结果，选用同规格的组件，每件组件有3 个二极管，选择对其中两个二极管(二极管1、二极管2)分别进行20%、60%、100%的遮挡，选取实验组件其中的2 个二极管，在瞬态光源下，进行IV 测试分析，测试功率值如表2 所示，IV 曲线如图4 所示。

表2 不同遮挡情况下组件电性能数据记录表

图4 同遮挡情况下组件IV曲线

通过分析上述电性能数据，(b)输出功率与(e)基本一致，说明当其中一个支路遮挡1 片时，另一个支路是否遮挡对功率输出无影响；(b)、(e)的输出功率约为标准条件(a)的2/3，说明被遮挡的两个并联支路无功率输出。(c)、(d)与(b)相比，输出功率略有降低，说明二极管2 虽然存在遮挡，但是仍然有较大功率输出。

当组件的I-V 特性曲线呈膝形，说明旁路二极管未启动，当I-V 曲线会出现阶梯状变化时，但趋势仍为膝形，表示二极管启动[9]。结合实测的IV 曲线，表示当遮挡1 个半片电池片时，二极管启动，当遮挡不足1 个半片电池片时，二极管未启动。

由此可以表明，在半片组件中，单个二极管对应的两个支路，当单个支路中遮挡面积不足1 个半片时，二极管未启动，此时功率正常输出；当单个支路中遮挡1 个半片电池片时，此时二极管已启动，与之相并联的支路被短路，无功率输出。

2.3.3 遮挡多个半片电池片的组件实验

在半片组件中，选择单个二极管下并联的两个支路，分别遮挡单个支路中N个半片电池片(N=1～12)、同时遮挡两个支路，遮挡电池片数量分别用N1、N2个半片电池片(N1/N2=1～12)，使用红外热成像仪测试组件发热情况，并用数据采集仪记录测试对应二极管遮挡前后的电压变化。图5 为不同的遮挡方式。

图5 遮挡多个半片电池片的组件示意图

通过热成像测试发现，均无热斑现象。

通过测量二极管两端电压，发现在单个支路下，N为1～12之间任意情况，其二极管两端电压基本固定；当两个支路均进行遮挡时，两个并联支路内均遮挡2 个半片电池片时，二极管两端电压急剧下降，当遮挡达3 个半片电池片时，二极管两端电压降至最低，由此认为，当单个支路中遮挡大于等于3 个半片电池片时，该支路两端无电压差，结合热成像结果，即认为此时该支路为断路状态。

表3 为遮挡多个半片电池片时二极管两端电压记录表。

表3 遮挡多个半片电池片时二极管两端电压记录表 V

为验证上述结论，在户外同一辐照度下，测试组件外接3.4 Ω 负载，未进行任何遮挡下，组件输出功率为186 W；当半片组件一侧遮挡2 排半片电池片时，也就是每个二极管下均有1 个支路被遮挡4 个半片电池片，另一个支路均无遮挡，此时输出功率为72.3 W；当半片组件两侧均遮挡2 排半片电池片时，也就是每个二极管下的2 个支路均被遮挡4 个半片电池片，此时输出功率为0.38 W。

由此可见，当单个支路中遮挡达3 个半片电池片时，支路处于断路状态，与之相并联的支路正常工作，功率正常输出。

3 结论

根据实验结果可以得出以下结论：

(1)在半片组件中，当单个支路中遮挡面积不足1 个半片时，二极管未启动，为反向偏置，导致被遮挡电池片出现不同位置的热斑。

(2)在半片组件中，当单个支路中遮挡1 个半片电池片时，电池片不发热，此时二极管已启动，为正向偏置，与之相并联的支路被短路，无功率输出。

(3)在半片组件中，当单个支路中遮挡达3 个半片电池片时，支路处于断路状态，二极管仍然为反向偏置，与之相并联的支路正常工作，功率正常输出。

由此可见，半片组件中的二极管并联两个支路的情况下，其中一个支路出现遮挡问题时，二极管仍然具有保护作用；且当某一侧出现大面积遮挡时，另一侧仍然正常输出功率，而对于整片组件，出现大面积遮挡时，则整个组串无功率输出。所以在电站实际应用时，半片组件的发电量更高。