光伏組件在熱斑條件下的溫升研究

0 引言

美國國家標準ANSI/UL 1703為全球第一個光伏標準，于1986年頒布第一版，目前國際光伏標準IEC 61730-1/2、IEC 61215及我國光伏標準GB/T 9535、GB/T 20047的大部分內容均是參照ANSI/UL 1703中的內容制定。ANSI/UL 1703中“光伏組件的溫升測試”對光伏組件的安全性及性能評估有極其重要的評估價值。該研究主要評估光伏組件的各種材料在開路、短路及熱斑條件下的溫度變化是否超出材料的熱承受能力；通過測試也同樣反映出光伏組件在實際應用時，在熱斑條件下的安全性。本文從光伏電站的實際應用出發，主要討論熱斑條件下的光伏組件的溫度變化情 況。

1 測試條件要求

根據標準環境要求，測試需要在環境溫度10～55 ℃、光譜AM1.5、輻照度100 MW/cm2、平均風速1 m/s下進行，或校正到該條件下進行[1]；同時，要求模擬熱斑遮擋的材料應為0.18 mm厚的黑色聚乙烯材質；光伏組件安裝需要根據組件安裝手冊的要求進行，測量線路如圖1所示。

圖1 遮擋條件下的測量線路圖

2 測試數據

采用1塊由72片156 mm×156 mm太陽電池組成的多晶硅光伏組件，在環境溫度為23.7 ℃、光譜AM1.5、輻照度100 MW/cm2、平均風速1 m/s下對組件進行測試。用于測試的組件的安裝方式如圖2所示。

圖2 組件安裝示意圖

對光伏組件進行遮擋，在組件中心位置，平行于電池片主柵方向遮擋電池片為橫貼，如圖3所示；垂直于電池片主柵方向遮擋電池片為豎貼，如圖4所示。在測試過程中同時監控被遮擋電池片所在電池串的旁路二極管的電流、電壓及組件的短路電流，通過測試得到的數據如表1、表2所示。

圖3 橫貼

圖4 豎貼

表1 橫貼條件下，被遮擋電池片所在組串的旁路二極管的電流、電壓

表2 豎貼條件下，被遮擋電池片所在組串的旁路二極管的電流、電壓

根據表1、表2測得的數據，繪制出不同遮擋方向及遮擋面積時，被遮擋電池片所在組串的旁路二極管的電壓及電流值比較圖，如圖5、圖6所示。

圖5 不同遮擋方向時，遮擋不同面積的電池片所在組串的旁路二極管的電壓

圖6 不同遮擋方向時，遮擋不同面積的電池片所在組串的旁路二極管的電流

從以上數據及圖可以看出，隨著單片電池片遮擋面積的增加，流經遮擋電池片對應保護的旁路二極管的電流、電壓也隨之增加，但整塊光伏組件的短路電流不變，從而流經遮擋電池片的電流減少，這樣遮擋電池片的功耗也隨之減少，旁路二極管起到了保護光伏組件的作用。

根據ANSI/UL 1703標準的要求，選取單片電池片遮擋50%面積，考慮橫貼及豎貼兩個方向，測量組件的各部件溫度，測試數據如表3所示。

由表3可知，相同遮擋面積下，橫貼時形成的熱斑現象比豎貼時形成的熱斑現象明顯，即橫貼時形成的熱斑對光伏組件材料熱性能的影響更大。

應用到實際光伏電站中，當一開始組件的熱斑面積較小時，雖然組件輸出電流變化較小，但組件熱斑局部功耗較大，對組件壽命影響較大；當組件的熱斑面積變大時，雖然旁路二極管起到保護作用，但由于旁路二極管未全部導通，對組件材料熱考驗仍然很大，另外隨著二極管長時間大電流的工作，對二極管壽命也產生了很大地影響，所以需要及時清洗組件，盡可能減少熱斑時間。

表3 不同遮擋方向的溫升

綜上所述，在相同熱斑條件下，橫裝光伏組件比豎裝光伏組件對組件材料的耐溫要求更低，可使組件得到更高的可靠性。

3 結論

根據本文測試可得出以下結論：在相同熱斑條件下，橫裝光伏組件對組件材料的耐溫要求較低，可靠性更高，因此，可選擇耐溫要求更低的材料，有利于進一步降低組件成本。在光伏電站設計及組件選購時，可考慮這一有利因素，以獲得更高的電站投入性價比。