組件熱斑效應(yīng)原因和運(yùn)維防護(hù)措施

曹曉寧1聞?wù)鹄?吳達(dá)1

(1.中廣核太陽能開發(fā)有限公司100048;2.鎮(zhèn)江大全太陽能有限公司

212211)

摘要：光伏電站中組件在運(yùn)行中存在很多因素引起功率損耗并可能導(dǎo)致安全問題，

熱斑效應(yīng)會(huì)造成組件功率的大幅度下降，而且是比較嚴(yán)重的安全隱患。在組件生產(chǎn)過程、

現(xiàn)場(chǎng)施工和運(yùn)行維護(hù)中可以對(duì)技術(shù)指標(biāo)提出要求或采取相應(yīng)的措施來防護(hù)熱斑效應(yīng)。為

了減少運(yùn)維工作量，提供效率，監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)組件的電流和電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)并進(jìn)行邏輯

判斷，可幫助運(yùn)維人員進(jìn)行針對(duì)性的排查，提高光伏電站運(yùn)行的安全可靠性。

光伏發(fā)電是人類解決能源危機(jī)和環(huán)境問題的必由之路，在過去的二十年里光伏發(fā)電

產(chǎn)業(yè)有了迅猛的發(fā)展，權(quán)威能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)在本世紀(jì)中葉光伏發(fā)電會(huì)能為人類主要的供電

方式之一。太陽電池組件是光伏電站的核心元件，組件的性能和安全可靠性直接決定了

光伏電站的運(yùn)行效率。目前組件的標(biāo)稱功率是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下（標(biāo)準(zhǔn)條件具體是指：

溫度25℃，光譜分布AM1.5，輻照強(qiáng)度是1000W/m2）的發(fā)電功率，而在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，

由于溫度、輻照強(qiáng)度、光譜失配等因素會(huì)影響組件的實(shí)際發(fā)電功率。在實(shí)際應(yīng)用中，組

件的陰影遮蔽是不可避免的問題，陰影遮蔽會(huì)造成功率損失，而且會(huì)導(dǎo)致局部發(fā)熱，產(chǎn)

生安全隱患，即熱斑效應(yīng)。本文對(duì)熱斑的成因和熱斑效應(yīng)的防護(hù)措施進(jìn)行探討。

1、熱斑效應(yīng)

晶硅組件是由多個(gè)太陽電池片串聯(lián)組成，當(dāng)串聯(lián)支路中的一個(gè)太陽電池被遮擋時(shí)，

將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他的太陽電池所產(chǎn)生的能量，被遮蔽的太陽電池此時(shí)會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，

稱為熱斑效應(yīng)，如圖1所示。熱斑效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響組件的輸出功率，同時(shí)會(huì)破壞太陽電

池的性能。有光照的太陽電池所產(chǎn)生的部分能量，都可能被遮蔽的電池所消耗，熱斑效

應(yīng)時(shí)組件溫度分布如圖2所示，可以看到被遮擋電池的溫度明顯高于其它電池。

圖1熱斑效應(yīng)原理示意圖

熱斑

熱斑

圖2熱板效應(yīng)時(shí)組件的溫度分布圖

2、熱斑效應(yīng)的防護(hù)措施

組件中電池片的電流失配、電池片破損、組件虛焊和污損遮擋等原因都會(huì)引起電池

發(fā)熱，為了防止熱斑效應(yīng)對(duì)光伏電站造成發(fā)電量損失及對(duì)太陽電池造成損傷，應(yīng)該在組

件生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)施工和運(yùn)行維護(hù)過程中采取相應(yīng)的措施來減少熱斑效應(yīng)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，降低

其危害。

2.1組件生產(chǎn)過程控制

首先對(duì)太陽電池進(jìn)行電流分檔，減少組件中串聯(lián)太陽電池之間的電流失配，另外對(duì)

組件進(jìn)行功率分檔后，仍要進(jìn)行電流分檔；其次在電池兩端并聯(lián)旁路二極管，即在組件

中安裝旁路二極管；再次對(duì)太陽電池的反向漏電進(jìn)行控制，太陽電池承受12V反向電壓

時(shí)漏電流不超過1.5A，最后，對(duì)電池的隱裂和組件焊接工藝可靠性進(jìn)行控制，組件在生

產(chǎn)過程中需進(jìn)行兩次電致發(fā)光測(cè)試（EL測(cè)試）。

電流分檔：如果串聯(lián)太陽電池的工作電流相差較大，則電池串的總電流將受到小電

流電池的限制。則大電池產(chǎn)生的額外電流（比小電流電池高出的那部分電流）將變成小

電流電池的前置偏壓。當(dāng)數(shù)量很多的串聯(lián)電池一起把前置偏壓變成小電流電池的反向電

壓時(shí)，在小電流電池處將會(huì)有大的能量耗散，這就是熱點(diǎn)加熱現(xiàn)象。巨大的能量消耗在

一片小小的區(qū)域，局部過熱就會(huì)發(fā)生，或者叫“熱點(diǎn)”，極端情況下導(dǎo)致破壞性影響，

例如電池或玻璃破碎、焊點(diǎn)熔化或電池性能的退化。針對(duì)這個(gè)問題，電池片進(jìn)行效率分

檔的同時(shí)，對(duì)效率相同的電池片進(jìn)行電流分檔，同一檔位的電流相差不超過0.1A。在光

伏電站的設(shè)計(jì)中，組件要先進(jìn)行串聯(lián)組成一個(gè)組件串，然后通過匯流箱匯流，最后接入

逆變器，因此也應(yīng)減少組件之間的電流失配，組件進(jìn)行功率分檔，然后對(duì)同一功率檔位

的組件進(jìn)行工作電流分檔，同一檔位的電流相差不超過0.1A。

旁路二極管保護(hù)：在太陽電池并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，當(dāng)電池正常工作時(shí)，旁路二極

管承受方向電壓，處于反向截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)電池被遮擋時(shí)，旁路二極管會(huì)導(dǎo)通，起到分流

的作用，可以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被受遮蔽的組件全部消耗，同時(shí)起到保護(hù)電池

的作用，原則上每個(gè)電池片應(yīng)并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，以便更好保護(hù)并減少在非正常狀態(tài)

下無效電池片數(shù)目，但因?yàn)榕月范O管價(jià)格成本的影響和暗電流損耗以及工作狀態(tài)下壓

降的存在，目前由60片電池片封裝成的多晶硅組件是每二十個(gè)電池可并聯(lián)一個(gè)旁路二

極管。組件的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3晶硅組件電路結(jié)構(gòu)圖

太陽電池漏電流控制：旁路二極管作為組件的保護(hù)元件，可以提高組件被遮擋時(shí)的

安全可靠性，旁路二極管的保護(hù)原理就是依賴其單向?qū)щ姷奶匦?，而旁路二極管兩端的

電壓是由與之并聯(lián)的電池片的電流電壓特性決定的，在被遮擋情況下，電池片的暗特性

決定了旁路二極管兩端的電壓極性，也決定了旁路二極管能否導(dǎo)通起到保護(hù)作用。當(dāng)組

件被遮擋時(shí)，若要旁路二極管導(dǎo)通，則被遮擋電池兩端的壓降應(yīng)大于與同一個(gè)旁路二極

管并聯(lián)且未被遮擋電池的電壓之和，因此太陽電池的反向漏電流要足夠小，否則電池被

遮擋時(shí)旁路二極管導(dǎo)通需要較大的電流，被遮擋電池的發(fā)熱較大，在光照條件較差的情

況，旁路二極管可能會(huì)無法導(dǎo)通，起不到保護(hù)作用；在極端情況下，例如電池在承受反

向12V電壓時(shí)的漏電流大小超過其短路電流，則電池在被遮擋時(shí)旁路二極管無法導(dǎo)通。

對(duì)于晶硅電池片的漏電流大小的控制標(biāo)準(zhǔn)，有的研究人員曾利用軟件模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證的

方法進(jìn)行分析，結(jié)果表明電池片的在承受12V反向電壓時(shí)漏電流應(yīng)小于1.9A，否則旁路

二極管在電池被遮擋時(shí)不能導(dǎo)通起到保護(hù)作用。

EL測(cè)試：組件的虛焊、過焊等都可能導(dǎo)致焊點(diǎn)接觸電阻過大，造成局部發(fā)熱；硅片

的彎曲和扭曲與組件生產(chǎn)工藝過程可能引起電池片隱裂，在戶外使用時(shí)，裂紋將會(huì)演變

為碎片，導(dǎo)致組件功率損失甚至開路，嚴(yán)重影響組件的使用壽命和可靠性。在組件生產(chǎn)

過程中，在層壓工藝前后對(duì)組件進(jìn)行兩次EL測(cè)試，用以監(jiān)控焊接質(zhì)量和組件的隱裂。

2.2現(xiàn)場(chǎng)施工過程控制

在光伏電站的施工現(xiàn)場(chǎng)，安裝組件時(shí)主要注意兩點(diǎn)，第一是杜絕搬運(yùn)和安裝組件時(shí)

野蠻施工，不能蹬踏、拖拽及亂摔組件，以免產(chǎn)生隱裂；第二是在進(jìn)行組件安裝時(shí)，根

據(jù)組件包裝箱上電流分檔標(biāo)示，保證同一個(gè)支架上的組件是相同的電流檔位。

2.3、運(yùn)行維護(hù)措施

在實(shí)際組件的實(shí)際運(yùn)行中，灰塵遮蔽、組件破損等原因都會(huì)引起熱斑效應(yīng)，運(yùn)維人

員應(yīng)對(duì)電站進(jìn)行必要巡檢，對(duì)于灰塵遮蔽嚴(yán)重時(shí)應(yīng)及時(shí)清洗組件，而且特別注意要避免

組件局部清洗不干凈，因此組件的遮蔽面積比例與造成的功率損失比例不對(duì)等，例如遮

蔽一片電池（即面積的1/60）會(huì)引起功率損失1/3，因此如圖4中的情況一定要杜絕。

對(duì)于光伏電站中以外導(dǎo)致的破損組件應(yīng)立即予以更換，例如圖5中所示以外碰撞導(dǎo)致組

件玻璃破碎。

圖4局部清洗不干凈的組件

圖5玻璃破損組件

當(dāng)組件發(fā)生熱斑效應(yīng)時(shí)，電池片的溫度會(huì)明顯升高，在日常維護(hù)中可以通過監(jiān)測(cè)陣

列的溫度來進(jìn)行判別。在組件采購的技術(shù)協(xié)議中，已要求組件廠家提供備品備件、鉗表、

紅外熱成像儀等設(shè)備，便于日常維護(hù)和檢修。針對(duì)組件的熱斑效應(yīng)問題，可以使用紅外

熱成像儀監(jiān)測(cè)組件陣列的溫度，如果發(fā)現(xiàn)局部發(fā)熱點(diǎn)，如圖4所示，應(yīng)該檢查發(fā)熱原因，

如果是污損遮蔽引起，應(yīng)對(duì)組件進(jìn)行清洗，如果是組件自身問題，應(yīng)更換損壞組件。

圖4組件溫度紅外成像圖

3、組件運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)

在大型光伏電站中都采用集中逆變的方式，即一臺(tái)逆變器控制多個(gè)組件串，大型光

伏電站中常用逆變器的規(guī)格為500KW。光伏并網(wǎng)逆變器均為電流型逆變器，即逆變器控

制的組件串的工作電壓相同，若某一組件串出現(xiàn)熱斑，那么其電流與其它組串的電流會(huì)

有明顯差別，目前匯流箱會(huì)采集各個(gè)組串的電流值和電壓值，并通過通訊模塊傳到監(jiān)控

后臺(tái)，監(jiān)控后臺(tái)對(duì)每串的電流電壓的不平衡度進(jìn)行邏輯判斷，對(duì)于電流異常的組件進(jìn)行

提示，運(yùn)維人員可以針對(duì)性進(jìn)行排查，保證光伏電站安全和可靠的運(yùn)行。

4、結(jié)論

陰影遮擋、組件破損等原因都會(huì)導(dǎo)致電流失配，進(jìn)而導(dǎo)致熱斑效應(yīng)，可在組件生產(chǎn)

階段、安裝階段和電站運(yùn)營(yíng)階段采取措施對(duì)組件熱斑效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)和造成的損失進(jìn)行控

制，同時(shí)可以通過對(duì)組件串的電流和電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)來幫助對(duì)熱板效應(yīng)的排查，提高光伏

電站的可靠性。