201303121538太陽能檢測之光伏元件的熱斑效應和試驗方法

太陽能檢測之光伏元件的熱斑效應和試驗方法

光伏電池是將太陽光輻射能量直接轉換成電能的器件。單個矽晶體光伏電池能得到的最大電壓約為0.6V,最大電流約為30mA/cm2。因此光伏電池很少單個使用,而是串聯或並聯起來,以獲得所期望的電壓或電流。光伏元件正是由多個光伏電池連接和封裝而成的產品,是光伏發電系統中電池方陣的基本單元為了達到較高轉換效率,光伏元件中的單體電池須具有相似的特性。在實際使用過程中,可能出現電池裂紋或不匹配、內部連接失效、局部被遮光或弄髒等情況,導致一個或一組電池的特性與整體不諧調。失諧電池不但對元件輸出沒有貢獻,而且會消耗其他電池產生的能量,導致局部過熱。這種現象稱為熱斑效應。當元件被短路時,內部功率消耗最大,熱斑效應也最嚴重。

      一、熱斑效應原理

     當然,並不是所有的電池都可以通過調整遮光比例達到最佳阻抗匹配。完全遮光情況下,不同特性的Y電池I-V曲線如圖3所示。斜率越低,表明電池的並聯電阻越大。考慮(S-1)個電池串的最大輸出功率點所限定的試驗界限,根據I-V曲線與試驗界限的交點,把電池分為電壓限制型(A)和電流限制型(B)A類電池並聯電阻較大,可以通過減少遮光面積,達到最佳阻抗比配;B類電池的並聯電阻較小,完全遮光已是Y電池消耗功率最大的狀態。

      二、熱斑耐久試驗

      熱斑效應可導致電池局部燒毀形成暗斑、焊點熔化、封裝材料老化等永久性損壞,是影響光伏元件輸出功率和使用壽命的重要因素,甚至可能導致安全隱患。因此,IEC 61215:2005《地面用晶體矽光伏元件設計鑒定和定性》專門設置了熱斑耐久試驗,以考核光伏組件經受熱斑加熱效應的能力。

      熱斑耐久試驗過程包括最壞情況的確定、5小時熱斑試驗以及試驗後的診斷測量,分為以下4個步驟。

      1、選定最差電池

       由於受到檢測時間和成本的限制,熱斑耐久試驗不能針對元件中的每一個電池進行。因此,正式試驗之前先比較和選擇熱斑加熱效應最顯著的電池。具體方法是,在一定光照條件下,將元件短路,依次遮擋每個電池,被遮光後穩定溫度最高者為最差電池片。電池溫度可以用熱成像儀等儀器測量。對於串聯-並聯-串聯連接方式的大型元件,標準允許隨機選擇其中30%的電池進行比較。

      對於串聯和串聯-並聯連接方式的元件,IEC61215標準給出了兩種快速的方法。第一種方法是:將元件短路,不遮光,直接尋找穩定工作溫度最高的電池。第二種方法是:將元件短路,依次遮擋每個電池,選擇遮光後元件短路電流減少最大的電池。本文推薦採用第二種方法,這主要是考慮到測量短路電流精度較高,測量結果可以用於下一個步驟的判斷,而且短路電流跟失諧電池消耗的功率有直接關係。

      2、確定最壞遮光比例

      選定最差電池之後,還要確定在何種遮光比例下熱斑的溫度最高。即用一組遮光增量為5%的一組不透明蓋板,逐漸減少對該電池的遮光面積,監測電池被遮部位背面的穩定溫度,看何時達到最高溫度。目前最常見的電池規格有156mm*156mm125mm*125mm兩種,因此實驗室需要準備兩組不透明蓋板。

      以上兩個步驟所使用的輻射源,可以是穩態太陽模擬器或自然陽光,輻照度不低於700W/m2,不均勻度不超過±2%,暫態穩定度在±5%以內。如果氣候條件允許,可優先選擇自然陽光。南方的實驗室在這方面優勢明顯。以深圳為例,根據氣象局統計(表一),年太陽輻射量平均為 5225 MJ/m2,年日照時數平均為2060小時,可計算平均太陽輻射強度為705W/m2。另外,低緯度地區的太陽輻射季節分配相對均勻。實測資料表明,深圳冬季的太陽輻射強度,晴天正午前後仍可達850 W/m2以上。這種太陽輻射條件,同樣適宜進行光伏元件的另外一個試驗專案——電池額定工作溫度(NOCT)的測量。

      35小時熱斑耐久試驗

      標準要求輻射源為C類或更好的穩態太陽模擬器或自然陽光,其輻照度為1000W/m2±10%。實際上自然陽光很難在5小時的長時間內保持10%的穩定度,因此須採用穩態太陽模擬器。光譜近似日光的氙燈是最佳選擇,全光譜金鹵燈也可以滿足光譜要求。須注意燈陣列的設計,使測試平面的輻照不均勻度小於±10%;同時配備穩壓電源,保證試驗期間輻照不穩定度小於10%

      4、試驗後的診斷測量

      元件經過熱斑耐久試驗之後,首先進行外觀檢查,對任何裂紋、氣泡或脫層等情況進行記錄或照相。如果發現標準第7章規定的嚴重外觀缺陷,則視為不合格。如果存在外觀缺陷但不屬於嚴重外觀缺陷,則對另外2塊電池重複熱斑耐久試驗。試驗後不再發現外觀缺陷,則算合格。此外,元件在標準試驗條件下的最大輸出功率Pm的衰減不能超過5%;絕緣電阻應滿足初始試驗的同樣要求。

      解決熱斑效應問題的通常做法,是在元件上加裝旁路二極體。通常情況下,旁路二極體處於反偏壓,不影響元件正常工作。當一個電池被遮擋時,其他電池促其反偏成為大電阻,此時二極體導通,總電池中超過被遮電池光生電流的部分被二極體分流,從而避免被遮電池過熱損壞。光伏元件中一般不會給每個電池配一個旁路二極體,而是若干個電池為一組配一個,如圖1所示。此時被遮擋電池只影響其所在電池組的發電能力

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