组件热斑效应的原因与防护

组件热斑效应原因和运维防护措施

曹晓宁1 闻震利2 吴达 1

( 1. 中广核太阳能开发有限公司 100048; 2. 镇江大全太阳能有限公司

212211)

摘要：光伏电站中组件在运行中存在很多因素引起功率损耗并可能导致安全问题，热斑效应会造成组件功率的大幅度下降，而且是比较严重的安全隐患。在组件生产过程、现场施工和运行维护中可以对技术指标提出要求或采取相应的措施来防护热斑效应。为了减少运维工作量，提供效率，监控系统可以对组件的电流和电压进行监测并进行逻辑判断，可帮助运维人员进行针对性的排查，提高光伏电站运行的安全可靠性。

光伏发电是人类解决能源危机和环境问题的必由之路，在过去的二十年里光伏发电产业有了迅猛的发展，权威能源机构预测在本世纪中叶光伏发电会能为人类主要的供电方式之一。太阳电池组件是光伏电站的核心元件，组件的性能和安全可靠性直接决定了光伏电站的运行效率。目前组件的标称功率是在标准测试环境下（标准条件具体是指：温度25℃，光谱分布AM1.5，辐照强度是1000W/m 2）的发电功率，而在实际运行环境中，由于温度、辐照强度、光谱失配等因素会影响组件的实际发电功率。在实际应用中，组件的阴影遮蔽是不可避免的问题，阴影遮蔽会造成功率损失，而且会导致局部发热，产生安全隐患，即热斑效应。本文对热斑的成因和热斑效应的防护措施进行探讨。

1、热斑效应

晶硅组件是由多个太阳电池片串联组成，当串联支路中的一个太阳电池被遮挡时，将被当作负载消耗其他的太阳电池所产生的能量，被遮蔽的太阳电池此时会严重发热，称为热斑效应，如图1所示。热斑效应会严重影响组件的输出功率，同时会破坏太阳电池的性能。有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗，热斑效应时组件温度分布如图2所示，可以看到被遮挡电池的温度明显高于其它电池。 图 1 热斑效应原理示意图

图2 热板效应时组件的温度分布图 2、热斑效应的防护措施

组件中电池片的电流失配、电池片破损、组件虚焊和污损遮挡等原因都会引起电池发热，为了防止热斑效应对光伏电站造成发电量损失及对太阳电池造成损伤，应该在组件生产、现场施工和运行维护过程中采取相应的措施来减少热斑效应发生的风险，降低其危害。

2.1组件生产过程控制

首先对太阳电池进行电流分档，减少组件中串联太阳电池之间的电流失配，另外对组件进行功率分档后，仍要进行电流分档；其次在电池两端并联旁路二极管，即在组件中安装旁路二极管；再次对太阳电池的反向漏电进行控制，太阳电池承受12V 反向电压热斑

热斑

时漏电流不超过1.5A，最后，对电池的隐裂和组件焊接工艺可靠性进行控制，组件在生产过程中需进行两次电致发光测试（EL测试）。

电流分档：如果串联太阳电池的工作电流相差较大，则电池串的总电流将受到小电流电池的限制。则大电池产生的额外电流（比小电流电池高出的那部分电流）将变成小电流电池的前置偏压。当数量很多的串联电池一起把前置偏压变成小电流电池的反向电压时，在小电流电池处将会有大的能量耗散，这就是热点加热现象。巨大的能量消耗在一片小小的区域，局部过热就会发生，或者叫“热点”，极端情况下导致破坏性影响，例如电池或玻璃破碎、焊点熔化或电池性能的退化。针对这个问题，电池片进行效率分档的同时，对效率相同的电池片进行电流分档，同一档位的电流相差不超过0.1A。在光伏电站的设计中，组件要先进行串联组成一个组件串，然后通过汇流箱汇流，最后接入逆变器，因此也应减少组件之间的电流失配，组件进行功率分档，然后对同一功率档位的组件进行工作电流分档，同一档位的电流相差不超过0.1A。

旁路二极管保护：在太阳电池并联一个旁路二极管，当电池正常工作时，旁路二极管承受方向电压，处于反向截止状态，当电池被遮挡时，旁路二极管会导通，起到分流的作用，可以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件全部消耗，同时起到保护电池的作用，原则上每个电池片应并联一个旁路二极管，以便更好保护并减少在非正常状态下无效电池片数目，但因为旁路二极管价格成本的影响和暗电流损耗以及工作状态下压降的存在，目前由60片电池片封装成的多晶硅组件是每二十个电池可并联一个旁路二极管。组件的电路结构如图3所示。

图3 晶硅组件电路结构图

太阳电池漏电流控制：旁路二极管作为组件的保护元件，可以提高组件被遮挡时的安全可靠性，旁路二极管的保护原理就是依赖其单向导电的特性，而旁路二极管两端的电压是由与之并联的电池片的电流电压特性决定的，在被遮挡情况下，电池片的暗特性决定了旁路二极管两端的电压极性，也决定了旁路二极管能否导通起到保护作用。当组件被遮挡时，若要旁路二极管导通，则被遮挡电池两端的压降应大于与同一个旁路二极管并联且未被遮挡电池的电压之和，因此太阳电池的反向漏电流要足够小，否则电池被遮挡时旁路二极管导通需要较大的电流，被遮挡电池的发热较大，在光照条件较差的情况，旁路二极管可能会无法导通，起不到保护作用；在极端情况下，例如电池在承受反向12V电压时的漏电流大小超过其短路电流，则电池在被遮挡时旁路二极管无法导通。对于晶硅电池片的漏电流大小的控制标准，有的研究人员曾利用软件模拟和试验验证的方法进行分析，结果表明电池片的在承受12V反向电压时漏电流应小于1.9A，否则旁路二极管在电池被遮挡时不能导通起到保护作用。

EL测试：组件的虚焊、过焊等都可能导致焊点接触电阻过大，造成局部发热；硅片的弯曲和扭曲与组件生产工艺过程可能引起电池片隐裂，在户外使用时，裂纹将会演变为碎片，导致组件功率损失甚至开路，严重影响组件的使用寿命和可靠性。在组件生产过程中，在层压工艺前后对组件进行两次EL测试，用以监控焊接质量和组件的隐裂。

2.2 现场施工过程控制

在光伏电站的施工现场，安装组件时主要注意两点，第一是杜绝搬运和安装组件时野蛮施工，不能蹬踏、拖拽及乱摔组件，以免产生隐裂；第二是在进行组件安装时，根据组件包装箱上电流分档标示，保证同一个支架上的组件是相同的电流档位。

2.3、运行维护措施

在实际组件的实际运行中，灰尘遮蔽、组件破损等原因都会引起热斑效应，运维人员应对电站进行必要巡检，对于灰尘遮蔽严重时应及时清洗组件，而且特别注意要避免组件局部清洗不干净，因此组件的遮蔽面积比例与造成的功率损失比例不对等，例如遮蔽一片电池（即面积的1/60）会引起功率损失1/3，因此如图4中的情况一定要杜绝。

对于光伏电站中以外导致的破损组件应立即予以更换，例如图5中所示以外碰撞导致组件玻璃破碎。

图4 局部清洗不干净的组件

图5 玻璃破损组件

当组件发生热斑效应时，电池片的温度会明显升高，在日常维护中可以通过监测阵列的温度来进行判别。在组件采购的技术协议中，已要求组件厂家提供备品备件、钳表、红外热成像仪等设备，便于日常维护和检修。针对组件的热斑效应问题，可以使用红外热成像仪监测组件阵列的温度，如果发现局部发热点，如图4所示，应该检查发热原因，如果是污损遮蔽引起，应对组件进行清洗，如果是组件自身问题，应更换损坏组件。

图4组件温度红外成像图

3、组件运行情况监测

在大型光伏电站中都采用集中逆变的方式，即一台逆变器控制多个组件串，大型光伏电站中常用逆变器的规格为500KW。光伏并网逆变器均为电流型逆变器，即逆变器控制的组件串的工作电压相同，若某一组件串出现热斑，那么其电流与其它组串的电流会有明显差别，目前汇流箱会采集各个组串的电流值和电压值，并通过通讯模块传到监控后台，监控后台对每串的电流电压的不平衡度进行逻辑判断，对于电流异常的组件进行提示，运维人员可以针对性进行排查，保证光伏电站安全和可靠的运行。

4、结论

阴影遮挡、组件破损等原因都会导致电流失配，进而导致热斑效应，可在组件生产阶段、安装阶段和电站运营阶段采取措施对组件热斑效应的风险和造成的损失进行控制，同时可以通过对组件串的电流和电压进行监测来帮助对热板效应的排查，提高光伏电站的可靠性。