光伏组件中的“热斑效应”原理

光伏组件中的“热斑效应”原理一、什么是“热斑效应”？相信大多数光伏从业者都听说过“热斑效应”及其危害的宣传。常见的资料对热斑效应解释为：在一定条件下，光伏系统中的部分电池会被周围其它物体所遮挡，造成局部阴影，这将引起被遮挡某些电池发热，产生所谓“热斑”现象。但上述解释还不够完整，局部遮挡只是形成热斑的原因之一，另外一个原因是电池本身的缺陷。因此，比较准确的定义应该是：热斑是互相连接（主要是串联方式）的电池工作在不同的条件下或者没有相同的性能造成的，它的本质原因是电池之间的失配（对于光伏系统来说，组件之间的失配原理和此相同）。换句话说，热斑产生的原理是：一个串联电路中，电池由于某些原因，导致其所表现出的工作状态不一致。这些原因包括遮挡（如周围物体的阴影、落叶、鸟粪等）导致部分电池所表现出的性能和其它电池）不同，或者是电池本身的性能就不同（比较严重的情况是部分电池存在明显缺陷）。事实上，电池之间性能完全一致的可能性是很小的。因此，从严格意义上来说，热斑效应是一种正常现象。有权威检测机构基于大量数据积累和资料调研表明，在辐照度大于800W/m2时，热斑最高温度与组件平均温度之间的温度差值小于10度是可以接受的；如果少数组件存在温差超过10℃的情况，只要这个比例不超过5%，系统功率输出正常，也是可以接受的（例如组件上有直径3-125px的鸟粪，组件边缘有尘土积聚，轻微焊接问题，电池片轻微缺陷，盖板部分玻璃脏污等）。二、“热斑效应”的产生机理那么产生热斑的基本机理是什么呢？图1：理想太阳能电池和非理想太阳能电池比较图1所示是太阳电池的完整工作曲线，图中：第一象限：是我们常见的电池发电时的IV曲线；第二象限：代表给太阳电池加反向偏压时，电池由发电变为耗电（分界点是纵轴短路电流处）；第四象限：代表给太阳电池加正向偏压，正向电压产生的电流方向是从P区流向N区，和光生电流方向相反，所以当正向偏压大于电池的开路电压时，电流反向，电池由发电变为耗电（分界点是横轴开路电压处）。光伏系统中常见的热斑现象是因为电池的工作点位于第二象限！从图1中很容易看出，反向偏压越大，流经电池的电流就越大（此电流虽和光生电流方向一致，但其大小已超过了电池的短路电流，本质是由其它电池所贡献），电池消耗的能量就越多，电池温度就会越高，可能会导致焊带熔断、EVA黄变、背板鼓包烧穿等不可恢复的后果，严重影响系统的寿命和发电能力，更严重者能引起火灾等灾难性后果。同时，也不难看出，如果电池工作在第一象限，那么它依旧充当发电的作用，而不是成为负载耗电。上述描述很难理解？不妨这样假设，在公路上行驶的汽车，如果有一辆出现了问题，速度比别的车辆低很多，那么它就会整个交通产生障碍，其它车辆为了较快速度通过，必须推着问题车辆行驶，使问题车辆速度超过它的最高速度，但同时，完好车辆的行驶速度也会比正常速度要小，此时，问题车辆就是负载。但如果路况不佳或受天气影响，所有车辆都要保持在较低的速度运行，那么问题车辆就不会对整体交通造成影响，但此时整体运输效率较低。因此，即使存在阴影遮挡或电池性能缺陷，该部分电池也不一定就是负载，不一定就会发生热斑效应，要看电池所处的工作状态。即便发生了热斑效应，其严重程度也和多个因素有关，例如出现鸟粪之类的遮挡，系统只是会损失部分功率，为避免产生过大的反向偏压，现在的晶硅组件一般都会有两个或三个并联二极管，防止出现热斑的电池片温度过高，因为热斑发生温度过高甚至造成火灾的情况是很少的，这种情况下也是因为部分电池的性能存在严重缺陷，造成局部电流过高导致。三、小结严格意义的热斑效应是正常现象。我们既不必谈“热斑”色变，认为有热斑就会产生火灾；但也不该忽略它造成的不良影响，应尽可能减小或减弱热斑产生的可能性。近年来，关于避免“热斑效应”相关的研究也有很多。组件生产段的措施有：控制电池的逆电流、控制电池内部的杂质、组件采用并联二极管保护等。应用端的措施有：采用性能一致性好的电池（或组件），安装时尽量保证组件不被遮挡，上面有污秽时及时清理和打扫等，使光伏系统保持良好的功率输出。