提升光伏系統發電功率的新型耐熱斑組件技術

喬虹橋 馮相賽 張海磊 唐寅彬 王 翀 王訓春 趙欣侃

上海太陽能工程技術研究中心有限公司

1 引言

隨著光伏發電技術的普及應用，光伏建筑一體化系統在城市住宅小區屋頂的應用越來越普遍[1]。據統計，2014年全國光伏發電累計裝機容量為2 805萬kW，其中，光伏電站2 338萬kW，分布式發電系統467萬kW，年發電量約為250億kwh。在光伏電站及分布式發電系統建設的過程中，不可避免地要考慮光伏組件受到陰影遮擋的問題。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量；在分布式屋頂光伏系統方面，由于建筑物附近可能存在產生陰影的物體，如樹木、老虎窗等。同時隨著光伏組件運行時間的延長，組件表面會沉積一定的灰塵，組件底部積灰嚴重的部位對組件產生某種程度的遮擋，影響組件的發電效率。陰影遮擋因素的存在一方面會降低光伏組件的有效利用面積，另一方面會影響光伏組件的發電效率，降低系統的發電量，使得光伏組件系統不能夠有效地被充分利用。為了提高光伏組件的綜合發電效率，光伏建筑一體化系統諸多方面的性能有待進行進一步的研究[2]。

在有陰影遮擋的情況下，光伏系統組件會產生局部的熱斑效應。熱斑效應是指，當組件中的一塊或者一組電池被遮光或者損壞時，它所產生的最大光生電流小于所在串聯電路的工作電流，此時該電池的某一部分溫度高于周圍正常工作的電池，則把這種加熱效應稱為：“熱斑效應”。熱斑效應所產生的高溫能夠使電池開裂、焊點熔化、焊帶脫落等現象，嚴重時還有可能引起電氣火災。所以如何有效地避免“熱斑效應”的出現，是光伏發電大范圍推廣應用亟待解決的問題。

本文從工程實際出發，針對光伏組件由于陰影遮擋而出現熱斑效應的情況，對研發的耐熱斑芯片進行實驗研究。

2 光伏系統實驗

該實驗選用峰值功率為250 Wp的普通組件和耐熱斑組件各3塊。3個普通組件串聯之后連接一個逆變器作為普通組件系統，3個耐熱斑組件串聯后連接另外一個逆變器作為耐熱斑組件系統。兩個小系統的實驗結果通過逆變器監控系統收集數據并進行分析處理。本文相繼進行無陰影遮擋和有陰影遮擋的光伏組件發電實驗，對比分析有無陰影遮擋兩種組件的發電性能。

本文采用100 mm×100 mm的規則陰影對所有組件的單個電池片（156 mm×156 mm）進行陰影遮擋。陰影與電池片的簡圖如圖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，在本實驗中，單個電池片的遮擋面積比約為64%，由于每個組件的由60個電池片組成，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系統發電性能的影響，將普通組件和有耐熱斑芯片的組件交替放置。本實驗中有無陰影遮擋組件系統實驗裝置如圖2、圖3所示。

圖2 無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 結果及討論

通過逆變器及無線數據搜集設備搜集到普通組件與耐熱斑芯片組件的發電數據如圖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象更為明顯。

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

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

從圖7交流輸出電流對比圖中可以看出，在無陰影遮擋情況下，兩種組件系統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 直流輸出電壓對比

圖5 直流輸出電流對比

圖6 交流輸出電壓對比

從圖8有無陰影兩種情況下的交流輸出功率可以看出，在無陰影遮擋情況下兩種組件系統的交流輸出功率并無明顯差異，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的交流輸出功率。

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

從圖10有無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，耐熱斑組件系統逆變器的溫度變化相對與普通組件系統的逆變器溫度變化更為平穩，而且峰值溫度低于普通組件系統逆變器溫度的峰值，說明，耐熱斑組件能夠在一定程度上降低系統所產生的熱量。

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

4 結語

圖7 交流輸出電流對比

圖8 交流輸出功率對比

圖9 交流輸出頻率對比

從以上實驗結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的發電量明顯高于普通組件系統的發電量，說明該種耐熱斑組件能夠有效地降低陰影遮擋對組件系統發電量的影響。在有陰影遮擋情況下，耐熱斑組件中的芯片會自動調節組件系統中的電流，從而保證組件系統輸出功率高于普通組件系統的輸出功率。本實驗研究得出的具體結論如下：

圖10 逆變器溫度對比

圖11 單日發電量對比

圖12 有無陰影遮擋發電量對比

（1）耐熱斑芯片能夠有效提高組件系統的直流輸出電流。

（2）耐熱斑芯片能夠有效降低組件系統的工作溫度。

（3）耐熱斑芯片不會影響組件系統的發電頻率。

（4）耐熱斑芯片能夠有效提高系統組件抗陰影遮擋能力，提高系統組件的發電量。

[1]郭家林, 聶壤. 一種新型孤島檢測方法在光伏建筑一體化工程中的應用 [J]. 智能電網, 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.