提升光伏系統(tǒng)發(fā)電功率的新型耐熱斑組件技術(shù)

喬虹橋 馮相賽 張海磊 唐寅彬 王 翀 王訓(xùn)春 趙欣侃

上海太陽(yáng)能工程技術(shù)研究中心有限公司

1 引言

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的普及應(yīng)用，光伏建筑一體化系統(tǒng)在城市住宅小區(qū)屋頂?shù)膽?yīng)用越來(lái)越普遍[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年全國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量為2 805萬(wàn)kW，其中，光伏電站2 338萬(wàn)kW，分布式發(fā)電系統(tǒng)467萬(wàn)kW，年發(fā)電量約為250億kwh。在光伏電站及分布式發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)的過(guò)程中，不可避免地要考慮光伏組件受到陰影遮擋的問(wèn)題。在光伏電站方面，相鄰組件之間的陰影遮擋，影響著組件陣列排布的數(shù)量；在分布式屋頂光伏系統(tǒng)方面，由于建筑物附近可能存在產(chǎn)生陰影的物體，如樹木、老虎窗等。同時(shí)隨著光伏組件運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，組件表面會(huì)沉積一定的灰塵，組件底部積灰嚴(yán)重的部位對(duì)組件產(chǎn)生某種程度的遮擋，影響組件的發(fā)電效率。陰影遮擋因素的存在一方面會(huì)降低光伏組件的有效利用面積，另一方面會(huì)影響光伏組件的發(fā)電效率，降低系統(tǒng)的發(fā)電量，使得光伏組件系統(tǒng)不能夠有效地被充分利用。為了提高光伏組件的綜合發(fā)電效率，光伏建筑一體化系統(tǒng)諸多方面的性能有待進(jìn)行進(jìn)一步的研究[2]。

在有陰影遮擋的情況下，光伏系統(tǒng)組件會(huì)產(chǎn)生局部的熱斑效應(yīng)。熱斑效應(yīng)是指，當(dāng)組件中的一塊或者一組電池被遮光或者損壞時(shí)，它所產(chǎn)生的最大光生電流小于所在串聯(lián)電路的工作電流，此時(shí)該電池的某一部分溫度高于周圍正常工作的電池，則把這種加熱效應(yīng)稱為：“熱斑效應(yīng)”。熱斑效應(yīng)所產(chǎn)生的高溫能夠使電池開裂、焊點(diǎn)熔化、焊帶脫落等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還有可能引起電氣火災(zāi)。所以如何有效地避免“熱斑效應(yīng)”的出現(xiàn)，是光伏發(fā)電大范圍推廣應(yīng)用亟待解決的問(wèn)題。

本文從工程實(shí)際出發(fā)，針對(duì)光伏組件由于陰影遮擋而出現(xiàn)熱斑效應(yīng)的情況，對(duì)研發(fā)的耐熱斑芯片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2 光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)選用峰值功率為250 Wp的普通組件和耐熱斑組件各3塊。3個(gè)普通組件串聯(lián)之后連接一個(gè)逆變器作為普通組件系統(tǒng)，3個(gè)耐熱斑組件串聯(lián)后連接另外一個(gè)逆變器作為耐熱斑組件系統(tǒng)。兩個(gè)小系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)逆變器監(jiān)控系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理。本文相繼進(jìn)行無(wú)陰影遮擋和有陰影遮擋的光伏組件發(fā)電實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析有無(wú)陰影遮擋兩種組件的發(fā)電性能。

本文采用100 mm×100 mm的規(guī)則陰影對(duì)所有組件的單個(gè)電池片（156 mm×156 mm）進(jìn)行陰影遮擋。陰影與電池片的簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 陰影遮擋電池片示意圖（單位：mm）

從陰影遮擋的面積中可以得出，在本實(shí)驗(yàn)中，單個(gè)電池片的遮擋面積比約為64%，由于每個(gè)組件的由60個(gè)電池片組成，所以組件的陰影遮擋面積比率約為1.07%。

為了盡可能減少兩種光伏組件安裝位置對(duì)系統(tǒng)發(fā)電性能的影響，將普通組件和有耐熱斑芯片的組件交替放置。本實(shí)驗(yàn)中有無(wú)陰影遮擋組件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2、圖3所示。

圖2 無(wú)陰影遮擋耐熱斑組件示圖

圖3 有陰影遮擋耐熱斑組件示圖

3 結(jié)果及討論

通過(guò)逆變器及無(wú)線數(shù)據(jù)搜集設(shè)備搜集到普通組件與耐熱斑芯片組件的發(fā)電數(shù)據(jù)如圖4所示。

從圖4兩種光伏組件的直流輸出電壓中可以看出，在相同的條件下，普通組件的直流輸出電壓高于耐熱斑組件的直流輸出電壓；在有陰影遮擋的情況下，耐熱斑組件的電壓低于普通組件的電壓這一現(xiàn)象更為明顯。

從圖5直流輸出電流的對(duì)比可以看出，在無(wú)陰影遮擋的情況下，兩種組件的電流幾乎一致，而在有陰影遮擋的情況下，耐熱斑組件系統(tǒng)的電流明顯高于普通組件的直流輸出電流。

從圖6有無(wú)陰影遮擋情況下的交流輸出電壓對(duì)比中可以看出，不管有無(wú)陰影遮擋，兩種組件系統(tǒng)的交流輸出電壓變化均一致。

從圖7交流輸出電流對(duì)比圖中可以看出，在無(wú)陰影遮擋情況下，兩種組件系統(tǒng)的交流輸出電流基本一致，而在有陰影遮擋的情況下，耐熱斑組件的交流輸出電流明顯高于普通組件的交流輸出電流。

圖4 直流輸出電壓對(duì)比

圖5 直流輸出電流對(duì)比

圖6 交流輸出電壓對(duì)比

從圖8有無(wú)陰影兩種情況下的交流輸出功率可以看出，在無(wú)陰影遮擋情況下兩種組件系統(tǒng)的交流輸出功率并無(wú)明顯差異，而在有陰影遮擋的情況下，耐熱斑組件的交流輸出功率明顯高于普通組件系統(tǒng)的交流輸出功率。

從圖9有無(wú)陰影遮擋兩種組件系統(tǒng)的交流輸出頻率的對(duì)比圖中可以看出，普通組件與耐熱斑組件在有無(wú)陰影遮擋的情況下的交流輸出頻率并無(wú)差異。

從圖10有無(wú)陰影情況下兩種組件的逆變器溫度變化曲線中可以看出，在沒有陰影遮擋下的溫度變化基本一致，而在有陰影遮擋的情況下，耐熱斑組件系統(tǒng)逆變器的溫度變化相對(duì)與普通組件系統(tǒng)的逆變器溫度變化更為平穩(wěn)，而且峰值溫度低于普通組件系統(tǒng)逆變器溫度的峰值，說(shuō)明，耐熱斑組件能夠在一定程度上降低系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量。

從圖11和圖12有無(wú)陰影遮擋情況下兩種組件系統(tǒng)的單日發(fā)電量對(duì)比可以看出，在無(wú)陰影遮擋的情況下，兩種組件的發(fā)電量基本相當(dāng)，而在有陰影遮擋的情況下，耐熱斑組件系統(tǒng)的單日發(fā)電量明顯高于普通組件系統(tǒng)的單日發(fā)電量。

4 結(jié)語(yǔ)

圖7 交流輸出電流對(duì)比

圖8 交流輸出功率對(duì)比

圖9 交流輸出頻率對(duì)比

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析中可以看出，在相同的天氣情況下，耐熱斑組件光伏系統(tǒng)的發(fā)電量明顯高于普通組件系統(tǒng)的發(fā)電量，說(shuō)明該種耐熱斑組件能夠有效地降低陰影遮擋對(duì)組件系統(tǒng)發(fā)電量的影響。在有陰影遮擋情況下，耐熱斑組件中的芯片會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)組件系統(tǒng)中的電流，從而保證組件系統(tǒng)輸出功率高于普通組件系統(tǒng)的輸出功率。本實(shí)驗(yàn)研究得出的具體結(jié)論如下：

圖10 逆變器溫度對(duì)比

圖11 單日發(fā)電量對(duì)比

圖12 有無(wú)陰影遮擋發(fā)電量對(duì)比

（1）耐熱斑芯片能夠有效提高組件系統(tǒng)的直流輸出電流。

（2）耐熱斑芯片能夠有效降低組件系統(tǒng)的工作溫度。

（3）耐熱斑芯片不會(huì)影響組件系統(tǒng)的發(fā)電頻率。

（4）耐熱斑芯片能夠有效提高系統(tǒng)組件抗陰影遮擋能力，提高系統(tǒng)組件的發(fā)電量。

[1]郭家林, 聶壤. 一種新型孤島檢測(cè)方法在光伏建筑一體化工程中的應(yīng)用 [J]. 智能電網(wǎng), 2014,2(4): 40-44.

[2]Zeng G, Cao M, Chen Y. A multi-functional utility interface of BIPV systems based on cascade multilevel converter [J]. Energy procedia, 2012, 17(0): 356-365.