二極管的滯啟——半片電池組件的隱痛
發(fā)布時間：2017-11-01 11:25:33
來源：光伏測試網(wǎng)
序言：
2016年，我們陸續(xù)推出了由黃子健先生主筆的無熱斑專題，受到專業(yè)人士的普遍關(guān)注，并根據(jù)黃子健先生的建議，對組件的熱斑效應(yīng)做了改進。行業(yè)也推出了半片組件以減輕熱斑效應(yīng)。然而，半片組件并非無熱斑的神器。本文中，黃子健先生特別針對半片組件的熱斑效應(yīng)做了詳細的分析。
眾所周知，光伏組件中的二極管是為了解決光伏中最普遍的現(xiàn)象之一熱斑而特意設(shè)置的。因此，二極管能否被啟動，將問題電池旁路出電池串/組件，及時消除熱斑電池給組件帶來的高熱壓力，應(yīng)是衡量組件是否正常工作的指標(biāo)之一。很顯然，二極管越容易，越早被啟動，熱斑帶來的失效可能性越低。說明組件設(shè)計結(jié)構(gòu)越合理，可靠性也越高。與之相對應(yīng)的是二極管滯啟現(xiàn)象，這一現(xiàn)象是指當(dāng)組件中某一或某些電池片被局部遮擋或電池片和電池串有電流失配，造成組件輸出功率明顯下降以及出現(xiàn)熱斑效應(yīng)時，旁路二極管卻不能及時啟動導(dǎo)通，將失配電池片旁路出組件電路的現(xiàn)象。很顯然，二極管滯啟越嚴(yán)重，組件承受的熱應(yīng)力越大。
隨著高功率電池的量產(chǎn)，組件輸出電流越來越大，導(dǎo)致熱斑電池的溫度也節(jié)節(jié)攀升，不僅早已超過組件規(guī)格書中標(biāo)注的85度工作溫度上限，有些72片的高效組件熱斑溫度更是達到160度以上（IEC 61215熱斑測試的試驗條件下）。對系統(tǒng)的安全使用和組件的長期可靠性都帶來了極大的隱患。
采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計，可使半片電池組件中電池串的電流降低一半，從而使其在發(fā)生熱斑時降低了熱斑電池溫度，從這一點來看，半片電池組件似乎為高功率組件，特別是72片高效組件解決熱斑高溫問題找到一條解決之路。
我們對144片（相當(dāng)于常規(guī)72版型）橫排先并后串，120片（相當(dāng)于常規(guī)60版型）豎排先串后并兩種典型半片組件做了熱斑測試后發(fā)現(xiàn)，兩種半片電池組件的遮擋面積均要達到半片電池片本身面積的90% 左右時，二極管才被導(dǎo)通。
90% 意味著，要對156X78mm半片電池，至少要覆蓋成156X70mm，或者140X78mm這樣的面積，二極管才能被啟動工作。如果不能保證這樣大的遮擋面積，二極管將發(fā)生滯啟現(xiàn)象，組件將失去熱斑旁路保護功能。
對于60版型的半片電池組件，由120個半片電池組成。左半部分由三串串聯(lián)，每串由20個半片電池串聯(lián)連接。然后和右半部60個串聯(lián)半片電池并聯(lián)組成組件，輸出電壓由3個并聯(lián)組電壓相加，電流由左右兩個電池串相加而成。一個二極管管理40個半片電池（常規(guī)組件，一個二極管管理20個整片電池）。組件輸出特性和6X10 整片電池常規(guī)組件相近。
對于72橫版型的半片電池組件，是由144個半片電池組成。由12個半片電池串聯(lián)，再和另外12個半片電池串形成一個并聯(lián)回路。6個并聯(lián)回路串聯(lián)組成組件，輸出電壓由6個并聯(lián)回路電壓相加，電流和6個并聯(lián)回路大小一樣。一個旁路二極管管理二個并聯(lián)回路48個半片電池（常規(guī)組件，一個二極管管理24個整片電池）。組件輸出特性和6X12 整片電池常規(guī)組件相近。
半片電池組件和常規(guī)整片電池組件在電路上的最大差別就是常規(guī)組件中只有電池片串聯(lián)連接，而半片電池組件中則增加了并聯(lián)的電池連接。 正是這個并聯(lián)連接，導(dǎo)致了和常規(guī)整片電池組件不同的二極管旁路特性。
分別對120和144半片電池組件做不同面積的遮擋測試，確定二極管啟動的遮擋面積。120半片電池組件，選擇電池串內(nèi)任意一半片電池進行遮擋，當(dāng)遮擋面積達到半片電池本身的90% 左右時，組件的輸出電流恢復(fù)到正常狀態(tài)，電壓因為旁路掉一個并聯(lián)串而減少1/3。大致判定遮擋電池的一個并聯(lián)回路被二極管完全從組件電路中旁路掉了。
同理，我們對144半片電池組件也做了相似遮擋。結(jié)果與120半片電池組件非常相似。當(dāng)遮擋面積達到單個半片電池本身面積的90% 左右時，組件的輸出電流恢復(fù)正常。判定由二個并聯(lián)回路串聯(lián)在一起的48個半片電池串被二極管旁路出組件電路。
上述實驗結(jié)果可以得出，不論是120版型還是144半片電池組件，其遮擋面積達到單個半片電池的90% 面積時，二極管才能導(dǎo)通把問題電池串旁路出組件電路。
從下面曲線可以看到，對于半片電池組件，由于電池片本身的面積減小了一半，雖然遮擋物的面積絕對值一樣，但其遮擋面積占電池片面積比卻比整片電池提高了1倍。或者說，20%的整片電池的遮擋等同半片電池組件40% 的遮擋面積值。因此，相同遮擋面積比下，兩種組件的功率損失是近似的。不存在相同遮擋面積下，半片組件多發(fā)電的可能。
從上圖還可以得出，無熱斑組件由于采用了一個旁路二極管保護一片電池的設(shè)計原理，使得遮擋面積在15% 左右，就可以啟動保護二極管，將問題電池旁路出電池串，而串內(nèi)其他未被遮擋電池輸出功率并沒有受到影響。
60整片電池常規(guī)組件遮擋實驗則表明，只有當(dāng)電池的遮擋面積達到45% ~ 50% 之間時，旁路保護二極管才能啟動，將整個問題電池串旁路出組件電路。此時組件輸出電流恢復(fù)，輸出電壓下降1/3，組件輸出功率損失1/3。
從實驗數(shù)據(jù)可知，無熱斑組件，整片電池常規(guī)組件和半片電池組件三種組件使旁路二極管工作的遮擋面積比（占電池面積）是不一樣的，從15% 到45% 到90%依次增大。很顯然，遮擋面積比越小，二極管啟動越敏感，熱斑效應(yīng)可以越早的得到解決，組件長期可靠性越好。半導(dǎo)體行業(yè)里有一個10度法則，半導(dǎo)體器件溫升每提高10 ~ 15度，其可靠性下降50%【2】。60整片電池常規(guī)組件遮擋實驗則表明，只有當(dāng)電池的遮擋面積達到45% ~ 50% 之間時，旁路保護二極管才能啟動，將整個問題電池串旁路出組件電路。此時組件輸出電流恢復(fù)，輸出電壓下降1/3，組件輸出功率損失1/3。
實驗顯示，無熱斑組件在遮擋失配過程中（二極管啟動前后），組件的電流，電壓輸出變化不大，可以降低系統(tǒng)中組件串的串聯(lián)，并聯(lián)的失配損失，提高系統(tǒng)發(fā)電效率和收益。不像常規(guī)整片電池組件和半片電池組件，由于串內(nèi)電池失配導(dǎo)致好電池也被強制“限發(fā)”。嚴(yán)重時，導(dǎo)致一個二極管啟動，組件輸出功率損失掉1/3 。
對于電池面積為156X78的半片電池組件，在實際應(yīng)用環(huán)境中，這個90%的單個電池覆蓋，是很難實現(xiàn)的，除非一大塊陰影同時覆蓋了幾個電池。直接后果就是接線盒中二極管啟動的可能性會非常低，滯啟現(xiàn)象嚴(yán)重，熱斑問題只能任其發(fā)生，得不到解決。好在半片組件的熱斑溫度比常規(guī)整片組件熱斑溫度低不少。但由于長時間的滯啟（旁路不啟動）效應(yīng)，半片電池組件熱斑帶來的后果也可能更加嚴(yán)重，長期可靠性可能存在隱患。
綜上可思，既然二極管要到90%遮擋面積才啟動，熱斑溫度又下降了，是不是可以考慮拿掉二極管，在節(jié)省成本的同時，有效緩解熱斑效應(yīng)呢？
用一塊組件在戶外進行模擬，研究組件安裝旁路二級管和不安裝旁路二極管兩種條件下，不同遮光比例對遮擋電池片及旁路二極管的電壓電流影響情況（左邊未安裝二極管，右邊安裝二極管）。
在未遮擋的情況下，電池兩端的電壓均為單片電池光照時的工作電壓0.4V，當(dāng)電池被遮擋25%時，遮擋電池片兩端的電壓從正向轉(zhuǎn)為反向并迅速增大。未安裝二級管的為-18.9V（左圖），安裝二極管的為-9.5V（右圖）。隨著遮擋比例的進一步增大，電池兩端的電壓略微增大并趨于穩(wěn)定。全部遮擋時，安裝二極管的為-10.57V，未安裝二極管的為-21.3V。這說明安裝二極管可以降低遮擋電池片上的負壓從而避免電池片受到較大的反向電壓而導(dǎo)致熱穿擊?！?】
左圖顯示了有無二極管情況下，組件功率損失和遮擋面積的關(guān)系。有二極管組件，遮光面積從0% 到50%時， Pm和 Im 都呈下降趨勢，尤其Pm的下降呈線性遞增趨勢。遮光面積從50% 增至100%時，功率下降不明顯，說明二極管導(dǎo)通。可見50% 是影響組件功率的轉(zhuǎn)折點。無二極管組件，遮光面積下70%~ 80%之前時，Pm下降比隨遮光面積增大成線性增加。80% 以后時，Pm基本沒什么變化。
無二極管組件明顯比有二極管的更容易受遮擋影響。說明組件實際應(yīng)用時受塵埃，樹葉，垃圾之類影響，旁路二極管對維持組件效率起到明顯作用?！?】。
顯然，沒有了旁路二極管，熱擊穿的可能性更大了。 因此，即使半片組件要遮擋到90%，二極管才開始導(dǎo)通，還是保留二極管更加安全。
半片電池組件，在沒有熱斑發(fā)生時，通過降低熱斑高溫有限減小了144半片電池高功率組件（比如330W以上組件）熱斑帶來的質(zhì)量風(fēng)險。結(jié)合本文中實驗及相關(guān)討論，可得出如下結(jié)論：（1）對于半片電池組件，只有當(dāng)遮擋面積占到電池面積90%時，才能使接線盒中二極管導(dǎo)通。然而，這么大的遮擋面積使得電站在實際運行時，二極管導(dǎo)通的幾率非常低。就像高壓鍋中減壓閥一樣，正常情況下不工作，但鍋內(nèi)壓力過高時，會起到減壓作用。如果二極管這個組件中的減壓閥長期“怠工”，半片電池組件熱斑效應(yīng)產(chǎn)生的長期聚熱效應(yīng)也可能給組件和系統(tǒng)帶來可靠性隱患。
（2）半片電池組件一方面由于熱斑溫度風(fēng)險降低，可以應(yīng)用到72片高效組件，對于組件供應(yīng)商來講，還有2% 的輸出功率標(biāo)定的真金白銀收益。但同時，用戶則要承擔(dān)二極管滯啟效應(yīng)帶來的風(fēng)險，成了半片電池組件應(yīng)用中的尷尬之處。
本文作者：黃子健 安全長 武耀忠 施曉丹 王春成 等
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注：
【1】CN 202585481 U 2012 黃子健 李蔚 劉必權(quán) 王金祥 耿文剛 匡超
【2】電力電子技術(shù)(廣東工業(yè)大學(xué))第二版 科學(xué)出版社 程漢湘主編
【3】熱斑效應(yīng)原理簡介及模擬實驗 ?楊江海 龔露 蔣忠偉 孫小菩
【4】太陽電池組件陰影遮擋問題實驗研究. 張臻 沈輝 朱家勁 蔡睿賢
REDUCED SHADING EFFECT ON HALF-CELL MODULES ?Hamed Hanifi, Jens Schneider, Joerg Bagdahn
