光伏接线盒应用与发展

光伏接线盒应用与发展编辑：梅国军日期：20171208电源网ID：墙角梅香一、光伏接线盒应用1.1、应用：作为光伏组件七大材料之一，安装在光伏组件背面。(见图一，图二)图一图二1.2、连接作用：1.2.1、组件与组件的连接。(图三)图三1.2.2、组件与优化器或微型逆变器的连接。(图四)图四1.3、旁路作用：1.3.1、热斑效应：由于烟囱、积雪、鸟粪、树枝、落叶、晾晒(见图七)等遮挡物的存在，会引起光伏组件部分或全部面积不能正常地进行光电转换，而使内阻和功耗增大，当与其它组件串联时，其高电压或大电流会加在此组件的两端而被消耗，使此组件温升剧增，易引起电池片老化、损坏和火灾，这称之为组件的热斑效应(见图五、图六)。图五图六图七1.3.2、肖特基二极管旁路：解决热斑效应的最佳途径就是在接线盒内增加旁路二极管(见图八)，以疏导组件阵列中的电流继续保持正常流通。其工作原理如下：当电池片正常工作时，旁路二极管反向截止，对电路不产生任何作用；若与旁路二极管并联的电池片串被遮挡时，其电池片的阻值与压降会增大，当整体压降大于并联的二极管正向压降时，旁路二极管因电压正偏而导通，此时受遮挡的电池片被短路和保护(见图八、图九)。图八图九二、光伏接线盒的发展2.1、光伏接线盒的发展背景1958年，中国研制出了首块硅单晶，之后的几十年的时间国内光伏技术发展缓慢且仅仅应用于航天工业；光伏发电大规模的市场经济行为是从2000年开始，这时全球的光伏市场已经进入到新一轮的开发应用阶段，生态环境的破坏和温室效应，使世界各国和人们对新能源取代不可再生能源产生强烈需求，这一时期，国内外的太阳能行业得到了轰轰烈烈的发展。从无锡尚德2002年9月正式投产国内第一条10MW太阳电池生产线开始，2003到2005年，在欧洲特别是德国市场拉动下，尚德和保定英利持续扩产，其他多家企业纷纷建立太阳电池生产线，中国太阳电池的生产迅速增长。2004年，洛阳单晶硅厂与中国有色设计总院共同组建的中硅高科自主研发出了12对棒节能型多晶硅还原炉，以此为基础，2005年，国内第一个300吨多晶硅生产项目建成投产，从而拉开了中国多晶硅大发展的序幕。2007年中国成为生产太阳电池最多的国家，产量从2006年的400MW一跃达到1088MW。自此，中国连续多年坐稳世界第一光伏电池生产国的地位。从2005年开始，中国光伏市场迅速崛起后，由于中国光伏制造业劳动力成本和利润都比较低，产品具有很大的竞争力；全世界的光伏电站投资方和采购商纷纷把目光转向中国，以前一直是光伏行业主流的欧州光伏制造业陷入低迷。2.2、国内外光伏接线盒发展情况中国光伏市场起步晚，速度快，加上接线盒原理简单，2005年之前，国内大多数的光伏接线盒厂商通过模仿国外的光伏接线盒完成第一代接线盒的生产。此后，随着国内光伏行业的爆发，接线盒技术得到了迅猛的发展，各类接线盒层出不穷，产品更新换代较快。细数国内市场上的光伏接线盒变迁，以二极管和散热工艺的发展来说，大致经历了以下几个阶段：时间接线盒二极管散热方式防护措施体积工艺图片2011年前第一代轴向接线盒轴向空气密封圈大复杂繁琐图十2011-2013第二代轴向接线盒轴向灌胶灌胶中工序简化图A2013-2015第三代贴片接线盒贴片灌胶灌胶略小半自动化图B2015-至今第四代模块接线盒模块灌胶灌胶小高度自动化图C与国内形成鲜明对比的是，国外接线盒制造商受累于光伏行业的低迷，后续乏力，研发技术一直处于停滞状态，近几年没有出现明显的换代产品，与国内接线盒普通已更新到灌胶散热的贴片式二极管接线盒相比，国外基本上还停留在最初的空气散热接线盒。随着中国在2007年一跃成为世界第一太阳电池生产大国之后，经过几年的优胜劣汰，目前，国内的光伏接线盒制造工艺已经处于全球领先水平。图十图A图B图C2.3、未来光伏接线盒的发展方向通过对中国市场主流的光伏接线盒分析，主要特点是：采用二极管、结构上小型化、灌胶防护散热、零部件趋于集成化，可以批量自动化作业。这种采用旁路反偏二极管的接线盒优点十分明显：原理简单、制造方便、成本低，适合大型的地面和分布式光伏电站安装使用。受国内政策和环境影响，光伏发电平价上网将成为不可逆转趋势，光伏产业的成本会进一步下探，光伏接线盒的利润空间也会被被挤压，行业将来迎一新一轮的洗牌，一些散、乱、差的小企业和老、慢、笨的传统型企业很可能会被淘汰。近年来，一些国内外的科研机构和光伏专家提出智能化电网的概念，可以通过传感器对发电、输电、配电、供电等环节关键设备的运行状况进行实时监控；然后将获得的数据通过网络系统进行收集、整合；最后通过对数据的分析、挖掘，达到对整个电力系统运行的优化管理。根据这一研究方向，国内有实力有远见的光伏接线盒厂商也对智能光伏接线盒进行了投入和研发。浙江弗沙朗能源股份有限公司，2016年初与清芸阳光合作开发了16T21型智能光伏接线盒(图D)。16T21产品特点：在贴片二极管基础上加入了监控模块，并对电站运行情况如电流、电压、故障等进行实时监控。图D苏州快可光伏电子股份有限公司在16年5月发布第二代智能光伏接线盒Smarttrack102043(图E)。Smarttrack102043产品特点：1)嵌入优化器其MPPT技术自动跟踪和捕获组件最大功率点提高发电效率；2)组串出现火灾、系统掉线、负载丢失、偷盗等异常时，组件正负极会瞬间智能快速关断，将原本1000V的高压降低到40V左右，保证组件和人身安全；3)采用了国际领先的MOSFET晶闸管旁路保护技术代替传统二极管，当组件发生异常或者遮挡时，接线盒内旁路电路开始工作，但因为MOSFET独有的低VF特征，可以使盒内热量降到原来二极管热量的十分之一，延长了接线盒和组件的实际使用寿命。图E江苏集能易新能源技术有限公司Smartbee350(图F)。Smartbee350产品特点：将光伏组件级功率优化模块、远程通讯模块与传统接线盒集成在一起，兼具功率优化器的最大能量跟踪(MPPT)与转换、组件数据采集、报警、定位、安全管理和接线盒的功能。图F以上三家企业的智能光伏接线盒各有特色：弗沙朗的16T21仅在传统接线盒上增加电量检测模块，无功率优化及火灾防护功能；快可的Smarttrack102043具备功率优化及各种保护功能，同时采用领先的MOSFET旁路技术与传感监测技术；集能易的Smartbee350与快可的Smarttrack102043功能相当，但有无MOSFETF旁路技术还有待了解。而智能光伏接线盒缺点也同样明显，由于技术含量高、研发投入大，产品成本居高不下，是普通光伏接线盒的5倍以上，因此目前还不能大规模应用。可以预见，未来几年，小型化高度集成的灌胶接线盒和智能型光伏接线盒会根据不同的环境分别进行应用，这种情况在一定的时间内将并行存在，这将是光伏接线盒的发展方向。未来的三到五年之内，市场是智能光伏接线盒的。三、光伏接线盒标准产生背景随着人类的进步，全球环境以及能源已经成为我们无法逃避的问题。究其根本，环境的持续恶化来自于能源的过度开采、浪费和本身就不健康的构成。因此，改变目前的能源构成，积极开发和使用绿色可再生能源便成为我们今日发展的热点。作为可再生能源之一的太阳能，无论从环保还是可持续性利用的角度，都成为人类目前最佳的选择，具有广阔的发展空间。直至今日，太阳能的研究与利用也已经经历了数十年的历程。然而，在大家将目光聚焦于电池技术，组件转换效率提升等热点的同时，往往忽视了一些虽小但是却不可或缺的太阳能用零部件，造成了好的电池技术，好的组件无法最优利用，更甚者造成了在使用过程中引起危害。太阳能接线盒便是这众多关键零部件之一。在整个太阳能组件系统中，接线盒就像是一个重要的交通枢纽，肩负导出组件发出的电能，保护组件的正常使用，并传输给下一级的关键连接作用。从模仿到自主研发，接线盒产品良莠不齐随着中国光伏市场的爆发式增长，太阳能接线盒的用量也成倍增加。目前，中国的太阳能接线盒制造工艺已经处于全球领先水平。然而太阳能接线盒进入中国市场伊始，国内的生产厂商没有任何经验。当时所谓的接线盒研发仅处于抄袭照搬、模仿的较低层次，随着新制造商的不断涌现，接线盒市场竞争的日益激烈与有序化的形成，国内的接线盒设计制造水平显著提高，已经逐步过渡到了自主研发阶段，各种类接线盒产品也如同雨后春笋般出现在光伏市场。面对成百上千的太阳能接线盒，如何选择让众多买家头痛不已。接线盒标准，从无到有，为产品质量确定规范TUV莱茵作为全球知名的第三方认证机构，从上世纪80年代初便投身于太阳能零部件的测试研究当中。经过大量的实验与数据分析，并结合实际光伏电站的诸多实际潜在隐患，编写出了全球认可的第一份光伏接线盒认证标准2PfG1162。该标准为光伏接线盒的选择与应用指明了方向，并将诸多潜在的隐患止步于萌芽状态。2PfG1162(2003-2008)在太阳能接线盒的防护性、安全性以及使用性能方面制定了相应的测试要求，这在当年可谓是全球接线盒行业的一尺标杆。之后在2008年前后，TUV莱茵的专家与德国标准委员会共同努力推出了光伏接线盒德国行业标准VDE0126-5(2008-2011)，再一次从结构、材料以及电性能等方面对太阳能接线盒的测试认证进行了诠释。标准的诞生是源自对产品精益求精的精神，近年来，伴随着EN50548+A1+A2(2011-2014)与IEC62790(2014-)标准的推出，对于光伏接线盒产品的关注也被推向了历史新高。产品迭代：智能接线盒提高发电量科技的日新月异推动着光伏产品蓬勃发展，传统的接线盒产品已经不能满足现代科技化的电站需求，在电站长期投入使用过程中，为了解决或者尽可能减小发电量的衰减，能提升发电量的智能接线盒脱颖而出。接线盒制造商们或以电子线路板与MOS管的结合，取代传统金属件与二极管，利用MOS管的开关特性降低因热斑带来的损耗。或在接线盒内集成功率优化器，时刻追踪组件的最大功率工作点，当光伏组件遭受遮挡或失配时，依然使光伏组件工作在最大功率状态下。更有的在集成功率优化器的功能下赋予其输出限压功能，从而使得在额定的系统电压下串联更多的组件，提高了发电量。产品迭代：具备通讯功能的接线盒提升运维质量近些年分布式电站的投建遍地开花，如何快速有效并低成本的提升运维质量是许多终端客户急迫解决的问题。因此具有监控和通讯功能的接线盒产品孕育而生，它通过传感器部件采集信号，通过传输部件向终端运维传输信息，在第一时间让终端运维商清晰直观并时时刻刻地监控光伏电站中每一块光伏组件的工作状态。产品迭代：快速关断类产品保障使用安全越来越多的光伏产品被运用到人们的生活中，给大家带了诸多的便利，与此同时安全的理念也显得尤为重要，之前在国外的一所光伏屋顶发生火灾，虽然电力设备已关闭，但是受损的光伏阵列中仍存在着高达几百伏的危险电压，对业主和救援人员造成危险。快速关断类产品的诞生给业主和救援人员带来了福音，当光伏系统发生安全事故初期，如电器短路，火灾等情况下它能快速降低区域内系统电压，从而使相关人员及时并安全地进入该事故区域，尽可能的降低了事故所带来的损失。智能接线盒标准应运而生这些新兴产品的诞生也促使着行业规范的进一步推行，TUV莱茵的专家们借鉴30多年研究光伏行业所积累的经验，制定了光伏行业内第一部智能接线盒标准2PfG2305(2017-)，帮助买家在采购此类“智能接线盒”产品中提供了参考数据。