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光伏組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。單個硅晶體光伏電池能得到的ZUI大電壓約為0.6V，ZUI大電流約為30mA/cm2。因此光伏電池很少單個使用，而是串聯或并聯起來，以獲得所期望的電壓或電流。光伏組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，光伏組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、局部被遮光或弄臟等情況，導致一個或一組電池的特性與整體不諧調。失諧電池不但對組件輸出沒有貢獻，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。當組件被短路時，內部功率消耗ZUI大，熱斑效應也ZUI嚴重。

一、熱斑效應原理

當然，并不是所有的電池都可以通過調整遮光比例達到ZUI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，表明電池的并聯電阻越大。考慮（S-1）個電池串的ZUI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類）和電流限制型（B類）。A類電池并聯電阻較大，可以通過減少遮光面積，達到ZUI佳阻抗比配；B類電池的并聯電阻較小，完全遮光已是Y電池消耗功率ZUI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，是影響光伏組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《地面用晶體硅光伏組件設計鑒定和定性》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ZUI壞情況的確定、5小時熱斑試驗以及試驗后的診斷測量，分為以下4個步驟。

1、選定ZUI差電池

由于受到檢測時間和成本的限制，熱斑耐久試驗不能針對組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ZUI顯著的電池。具體方法是，在一定光照條件下，將組件短路，依次遮擋每個電池，被遮光后穩定溫度ZUI高者為ZUI差電池片。電池溫度可以用熱成像儀等儀器測量。對于串聯-并聯-串聯連接方式的大型組件，標準允許隨機選擇其中30%的電池進行比較。

對于串聯和串聯-并聯連接方式的組件，IEC61215標準給出了兩種快速的方法。**種方法是：將組件短路，不遮光，直接尋找穩定工作溫度ZUI高的電池。第二種方法是：將組件短路，依次遮擋每個電池，選擇遮光后組件短路電流減少ZUI大的電池。本文推薦采用第二種方法，這主要是考慮到測量短路電流精度較高，測量結果可以用于下一個步驟的判斷，而且短路電流跟失諧電池消耗的功率有直接關系。

2、確定ZUI壞遮光比例

選定ZUI差電池之后，還要確定在何種遮光比例下熱斑的溫度ZUI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ZUI高溫度。目前ZUI常見的電池規格有156mm*156mm和125mm*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，輻照度不低于700W/m2，不均勻度不超過±2%，瞬時穩定度在±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。實測數據表明，深圳冬季的太陽輻射強度，晴天正午前后仍可達850 W/m2以上。這種太陽輻射條件，同樣適宜進行光伏組件的另外一個試驗項目——電池額定工作溫度（NOCT）的測量。

3、5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，因此須采用穩態太陽模擬器。光譜近似日光的氙燈是ZUI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于±10%；同時配備穩壓電源，保證試驗期間輻照不穩定度小于10%。

4、試驗后的診斷測量

組件經過熱斑耐久試驗之后，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于嚴重外觀缺陷，則對另外2塊電池重復熱斑耐久試驗。試驗后不再發現外觀缺陷，則算合格。此外，組件在標準試驗條件下的ZUI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，是在組件上加裝旁路二極管。通常情況下，旁路二極管處于反偏壓，不影響組件正常工作。當一個電池被遮擋時，其他電池促其反偏成為大電阻，此時二極管導通，總電池中超過被遮電池光生電流的部分被二極管分流，從而避免被遮電池過熱損壞。光伏組件中一般不會給每個電池配一個旁路二極管，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。