太陽能光伏組件熱斑效應的檢測與控制措施研究

摘 要：在光伏組件長期運行過程中，會出現一些影響光伏組件性能的質量問題，如“熱斑效應”、“EVA黃變”、“隱裂”等，直接影響到光伏組件的發電效率和使用壽命，從光伏組件性能的統計數據來分析，其中“熱斑效應”對光伏組件性能影響最大，已成為導致光伏組件損壞、發生火災、發電功率下降的主要因素，對光伏發電項目經濟效益，光伏電站安全運行等都帶來了嚴重影響。因此，為了控制“熱斑效應”的危害，我們通過仿真實驗、研究分析其形成原因，制定有效的控制措施，保證光伏光伏組件發電項目的安全、高效運行。

關鍵詞：光伏組件；熱斑效應；控制措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.062

1 引言

能源是推動當今社會前進的動力，傳統的煤炭、石油、天然氣等化石能源及新興的核能、風能、太陽能、地熱能源等共同推動著社會的進步，現當人們拼命消耗能源，發展經濟時，我們也面臨著一個新的困境，一是傳統能源數量逐漸減少，二是在使用這些傳統能源時，這些能源所產生的排放物對環境造成的危害問題也變得日益突出。在這個時候，人們都希望有一種無污染、無排放、可再生的能源，希望可以通過這種能源來替代原有的類的能源供給結構，以保障今后的可持續發展。這時太陽能獲得了人們的關注，這主要因為太陽能資源豐富，取之不盡、用之不竭、無污染且能為人類自由開發利用的天然資源。

太陽能光伏發電就是利用太陽能組件直接將太陽能轉變成電能，運用的是光生伏特效應原理，根據此原理，太陽能組件吸收太陽輻射能量，將太陽光能轉化為電能，最后通過一系列的轉變處理，將此電能轉換成我們可以直接利用的電能的過程。光伏發電系統中的主要設備包括光伏組件、匯流箱、逆變器、升壓變壓器、電力電纜及監控系統等，而在這些設備里，光伏組件是光伏發電系統中最核心的設備，光伏組件光電轉換率的高低和使用壽命直接決定了太陽能光伏發電陣列發電量和經濟效益的多少，因此提高光伏組件的光電轉換效率和使用壽命是太陽能光伏發電項目成功的關鍵。

在光伏組件長期運行過程中，會出現一些影響光伏組件性能的質量問題，如“熱斑”、“EVA黃變”、“隱裂”等，直接影響到光伏組件的發電效率和使用壽命，從光伏組件性能的統計數據來分析，其中“熱斑效應”對光伏組件性能影響最大，已成為導致光伏組件損壞、發生火災、發電功率下降的主要因素，對光伏發電項目經濟效益，光伏電站安全運行等都帶來了嚴重影響。因此，為了控制“熱斑效應”的危害，我們通過仿真實驗、研究分析其形成原因，制定有效的控制措施，保證光伏光伏組件發電項目的安全、高效運行。

2 “熱斑效應”的概念

當光伏組件中一串聯支路中出現被遮蔽、裂紋、氣泡、脫層、臟污、內部連接失效的情況后，相應的這一串聯支路的電流與電壓之積增大，而該光伏組件串被當作負載消耗了其它有光照的光伏組件串所產生的能量后，從而在這些光伏組件串上產生了局部溫升，這種現象我們稱之為“熱斑效應”。

“熱斑效應”是影響光伏組件使用壽命和輸出功率的重要因素，可造成電池永久性損壞，造成組件封裝材料老化、焊點熔化、破壞柵線、局部燒毀形成暗斑等缺陷，據相關統計數據，“熱斑效應”能減少10%以上的太陽能光伏組件使用壽命，是產生光伏組件安全隱患和整個方陣失效的重要因素，是光伏組件內阻和暗電流變化的主要原因。

3 “熱斑效應”的成因

（1）硅材料自身的質量問題引起的電池性能不一致，產生“熱斑效應”。

（2）電池制造工藝不符合標準，由電池質量缺陷引起的“熱斑效應”。

（3）電池被陰影遮蔽，引起的“熱斑效應”。

本文主要研究光伏組件被陰影遮蔽時，引起的“熱斑效應”。

3.1 光伏組件發電原理

如果太陽光照射在光伏組件上，并且光現在界面層被吸收后，將在硅半導體的PN結上產生電子-空穴對，P型硅半導體端產生空穴，N型硅半導體端產生電子，在PN結內部電場的作用下，光生空穴流向P區，光生電子流向N區，并且空穴和電子分別在硅導體兩端聚集，產生電位差，這時將導體兩端用電極接通后，系統就形成了一個閉合回路，就有電流產生，這就是硅電池PN結的光生伏特效應。當具體說，當光伏組件在界面層吸收到足夠的能量后，就能激發出P型硅半導體和N型硅半導體共價鍵中的電子，產生電子-空穴對現象，由于受到內部電場的作用，N區帶正電聚集了電子，P區帶負電聚集了空穴，即在P區和N區之間產生了電壓。通過光伏組件所吸收的能量來分析，吸收的能量越多，產生的電子-空穴對就越多，電流就越大。光伏組件的面積越大，形成的電流也越大。下圖為硅半導體P區、N區的電荷運動情況圖1：

3.2 “熱斑效應”形成原因

太陽能電池局部被遮擋后，電池不能正常吸收光能，就阻斷了硅半導體光電效應的發生，遮擋部位的電池片PN結就保持了電中性，處于禁止狀態；而與其相鄰電池組正常發生光電效應，就產生了硅半導體P極電壓高于N極電壓的現象，在遮擋電池片兩側形成了電位差，產生了電壓 ；被遮擋電池片的內阻和暗電流也發生了明顯變化，成為了耗電部件，產生了P極向N極的正向導通電流，電流通過耗電部件（即內阻）就會產生熱量，電池片在長時間遮擋過程中，就會被積累的熱量燒毀，導致整個電池組串停止供電，從而影響光伏組件的正常運行。

3.3 “熱斑效應”發生時的光伏組件上電流變化情況

當發生“熱斑效應”時，光伏組件遮擋部位不能正常吸收光能，電池產生的電流變小，當該光伏組件產生的電流小于電路的電流時，光伏組件成為串聯電路的接入負載，消耗能量，產生熱量，從而產生“熱斑效應”。

為了分析“熱斑效應”發生時的電流變化情況，我們利用等效電路的數學模型進行電池內阻和暗電流變化的情況分析，具體如下圖2所示：

“熱斑效應”電流公式如下式（1）：

IPh=IL+Id+Ipa+Ise （1）

式中所示，當光伏組件正常工作時，光生電流IPh在三個環節被消耗了，一是負載消耗了（IL），二是內阻消耗了（Ipa+Ise），三是等效二極管消耗了（Id），當出現熱斑現象時，光生電流Ipa、Ise、Id增大，三者之和增加至一定值時，單體電池片就會被擊穿。

4 光伏組件熱斑檢測

4.1 檢測工具及條件

紅外熱成像儀：就是將被測目標的不可見紅外線輻射能量分布狀態，通過紅外探測器和光學成像物鏡反映到紅外探測器的光敏元件上，將其轉化為紅外熱像圖，使熱像圖與被測物體表面的能量分布狀態相一致，并用不同顏色表示被測物體的不同溫度，方便儀器操作者觀察被測物體的能量分布狀態。組件熱成像如下圖3。

光伏組件在檢測熱斑前，要清除組件表面的污物，并擦拭干凈；要避免異物、檢測儀器、測試人員等對測試組件的遮擋；選擇溫度為：25度，空氣質量為：AM1.5。

光照強度為：1000w/m2左右的環境條件進行試驗，試驗人員在規定的時間內，用熱成像儀對運行中的光伏組件進行熱斑檢測，記錄測量數據；通常在夏季、秋初的上午11時---下午16時之間的時間段內進行熱斑檢測最好，由于各區域的地理分布不同，太陽輻照度、環境溫度等也有不同，熱斑檢測的最佳時間段也會相應不同。

4.2 熱斑判斷

光伏組件在正常工作時的溫度是不穩定的，通常認為在30℃±6時，當局部溫度與相鄰區域的溫差>6℃時，可認為組件局部為熱斑區域；由于組件熱斑檢測在輻照度、環境溫度、組件輸出功率、熱斑形成原因、組件工作溫度等因素的影響下，可能會出現判斷誤差，因此，我們應依據熱成像儀上采集的數據進行分析。光伏組件被長時間遮擋的熱斑成像、組件燒損處的熱斑成像和組件裂紋處的熱斑成像圖互不相同。（以下圖片為組件局部的熱斑成像圖4-圖6）

4.3 熱斑效應“耐久試驗”的檢測

為保證光伏組件使用的可靠性和耐久性，需要對太陽能光伏組件進行檢測，檢測其承受熱斑加熱的能力，這種檢測光伏組件承受熱斑加熱能力的試驗叫熱斑“耐久試驗”。熱斑“耐久試驗”內容需嚴格遵循標準GB/T9535的要求進行，當檢測結果滿足試驗以下二個條件時，才可判定組件“熱斑效應”檢測合格，條件如下：

a） 太陽光伏組件無嚴重外觀缺陷；

b） 太陽光伏組件最大輸出功率的衰減不超過試驗前測試值的5%；

5 控制“熱斑效應”的措施

在光伏組件上加裝旁路二極管。為避免產生“熱斑效應”，光伏組件在制備過程中會在相鄰組串之間反向偏置并聯一旁路二極管。一般情況下，旁路二極管處于反偏壓，對光伏組件的正常工作無影響，當光伏組件被遮擋時，二極管導通，避免了光伏組件的過熱損壞，并且被遮擋光伏組件串只影響所在一塊光伏組件的發電能力。

（1）為證明加裝二級管對控制熱斑的有效性，進行仿真試驗，根據仿真試驗，測得試驗數據如下：

從試驗數據來看，加裝二極管可明顯降低遮擋電池兩側電壓，避免過大電流通過，產生高熱，擊穿電池片。

（2）加裝二極管后，光伏組件的I-V變化趨勢如下圖7。

通過圖示可明確反映電壓和電流的變化關系，加裝二極管后電流減小幅度明顯。

6 結論

本文通過對光伏組件“熱斑效應”產生的原因，物理學原理，電流變化情況分析、熱斑檢測方法、耐久試驗檢測方法等方面進行了分析與研究，提出了加裝二極管控制熱斑效應的措施，并通過仿真試驗驗證了二極管控制組件熱斑效應的有效性，為 “熱斑效應”提出了有效的控制措施。

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作者簡介：賈力（1979-），女，寧夏人，在職研究生，研究方向：太陽能光伏發電。