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隨著高效電池功率的提升，組件熱斑溫度越來越高；但各組件廠在解決高效組件熱斑影響上還沒有切實(shí)可行的解決方案。為此，TUV 南德意志集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱“TUV SUD”）聯(lián)合光伏行業(yè)專家黃子健先生與王囯峰先生對(duì)剛剛推出的無熱斑組件進(jìn)行了測(cè)試，并和傳統(tǒng)組件熱斑溫度進(jìn)行了技術(shù)解讀。TUV SUD大中華區(qū)光伏產(chǎn)品部總監(jiān)許海亮先生特別指出，“隨著電池效率的不斷提升，組件的輸出功率越來越高，對(duì)組件熱斑保護(hù)也越來越受到關(guān)注。而組件安裝后很多情況下熱斑是不可控的，因此對(duì)于組件熱斑的保護(hù)就格外重要。無熱斑組件無論從理論還是實(shí)際，都證實(shí)了其優(yōu)異的熱斑保護(hù)效果。”
概述：
傳統(tǒng)組件根據(jù) IEC 61215測(cè)量熱斑時(shí)，高效單晶72片電池組件電池片遮擋處的絕對(duì)溫度已經(jīng)超過150°C。而硅基半導(dǎo)體的PN結(jié)Tj標(biāo)定值也只有150°C。很明顯，隨著電池片效率的提升，組件熱斑溫度還將進(jìn)一步升高，傳統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足組件長(zhǎng)期安全可靠工作的要求了。
針對(duì)光伏組件中的“熱斑”這一頑疾，通過新的電路設(shè)計(jì)，開發(fā)出無熱斑組件。無熱斑組件不僅徹底解決了組件發(fā)生熱斑時(shí)電池片的高溫問題，而且當(dāng)電池串內(nèi)電流失配時(shí)，無熱斑組件的輸出功率也比傳統(tǒng)組件高，提高了光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益。
在同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，選一件傳統(tǒng)60片多晶組件和一件60片單晶無熱斑組件測(cè)試發(fā)生熱斑時(shí)對(duì)應(yīng)電池片和旁路保護(hù)二極管的溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，無熱斑組件中熱斑電池片溫度基本沒有變化，和該組件中其它正常工作電池片沒有明顯溫差；而傳統(tǒng)組件中熱斑電池片溫度比組件中其它正常工作電池片溫度高出30°C，而且該電池片的絕對(duì)溫度也達(dá)到了120°C以上。無熱斑組件發(fā)生熱斑時(shí)的低溫特性使高效電池片的長(zhǎng)期安全應(yīng)用得到技術(shù)上的保障。
為了保障光伏組件長(zhǎng)期安全可靠正常的發(fā)電能力，建議組件熱斑溫度判定標(biāo)準(zhǔn)限定在150°C以下，并且，熱斑絕對(duì)溫度越低，可以判定組件的長(zhǎng)期可靠性能越好。
測(cè)試：
(1) 選用60片單晶無熱斑光伏組件(267.268Wp, Imp=8.569A)。
(2) 選用傳統(tǒng)60片多晶光伏組件 (262.440Wp, Imp=8.496A) 。
(3) 選用Honel穩(wěn)態(tài)測(cè)試儀，箱內(nèi)溫度設(shè)定為28°C，實(shí)際溫度27.5°C。
(4) 溫度測(cè)量是通過貼在組件背板相對(duì)應(yīng)位置的熱電偶獲得的。
(5) 由于測(cè)試箱條件的限制，組件溫度保持在80°C而不是IEC標(biāo)準(zhǔn)的50°C。
圖一
圖二
(6) 遮擋面積的確定
a) 電池片沒有遮擋時(shí)，對(duì)應(yīng)面積為0%；
b) 按IEC 61215 第三版確定Imp時(shí)遮擋面積；
無熱斑組件Imp 的遮擋面積為6.18%；
傳統(tǒng)組件Imp時(shí)遮擋面積為 10.67%，比無熱斑組件的遮擋面積要大；
c) 選不同電池遮擋面積，測(cè)量熱斑電池片和二極管的溫度；
d) 全遮擋電池片100%；
(7) 熱斑電池片和溫度測(cè)試點(diǎn)的確定
通過紅外測(cè)溫，選定組件中最差電池片。二塊組件最差電池片都在同一位置。
圖三
無熱斑組件和傳統(tǒng)組件測(cè)試點(diǎn)唯一不同就是二極管測(cè)試點(diǎn)。無熱斑組件二極管封裝在組件背面背板電池片附近，而傳統(tǒng)組件二極管在接線盒中，要挖開硅膠，將熱電偶貼在 R6封裝的二極管上，但測(cè)試時(shí)，沒有再重新灌膠。所測(cè)溫度都是二極管的 Tc，而不是 Tj。但由于二種封裝不一樣，無熱斑組件中二極管是通過EVA+背板，傳統(tǒng)接線盒中二極管 R6 封裝是通過環(huán)氧樹脂表面測(cè)得 Tc。
溫度測(cè)試數(shù)據(jù)：
無熱斑組件不同遮擋面積時(shí)，各測(cè)試點(diǎn)溫度
注：I-V曲線對(duì)應(yīng)Imp的遮擋面積為6.16%
傳統(tǒng)組件不同遮擋面積時(shí)，各測(cè)試點(diǎn)溫度
注：I-V曲線對(duì)應(yīng)Imp的遮擋面積為11.45%
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：
1. 由于測(cè)試熱斑的電池片位于緊靠邊框的位置，相比組件中心電池片散熱條件好，導(dǎo)致兩種組件在沒有任何遮擋正常工作時(shí)，測(cè)試電池片的溫度都比組件中心電池片溫度低（無熱斑組件82.9°C /78.41°C；傳統(tǒng)組件92.3°C /80.7°C）。
2. 無熱斑組件從0%遮擋到100%遮擋，熱斑電池片的溫度始終在組件參考基準(zhǔn)溫度值附近，該電池片溫度變化范圍在78.4°C .4斑電池°C。由此推斷，無熱斑組件發(fā)生遮擋時(shí)，熱斑電池片的溫度主要受組件工作溫度的影響；而傳統(tǒng)組件熱斑電池片溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了組件參考基準(zhǔn)溫度（92°C /124.6°C）。從以上可以看出，組件熱斑電池片的高溫是由電池串設(shè)計(jì)和電池片本身發(fā)熱造成，在相同組件工作溫度下，傳統(tǒng)組件電池片熱斑最高溫度會(huì)遠(yuǎn)大于無熱斑組件。而100%遮擋的電池片，由于本身不工作，并且100%被覆蓋，電池溫度比組件中心的基準(zhǔn)參考溫度要低。二極管導(dǎo)通后，二極管的溫度將隨電池遮擋面積的增加而升高。
當(dāng)兩種組件的測(cè)試電池都被100% 遮擋時(shí)，電池串內(nèi)100%電流都要從旁路二極管通過。二極管處于100% 負(fù)載加熱狀態(tài)，所以溫度處于最高點(diǎn)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，無熱斑組件和傳統(tǒng)組件中二極管的表面溫差并不大（95.8C/93.8C），推測(cè)是由于無熱斑組件的二極管是封裝在組件中，受到輻照帶來的額外溫升。
3. 雖然電池片熱斑溫度和硅片、電池片及組件制造工藝有很大關(guān)聯(lián)性，各組件廠的測(cè)試數(shù)據(jù)也不完全一致，但有以下的平均值：
硅基材料 PN 結(jié)的結(jié)溫在正常工作條件下是150°C（不降流使用情況下）。而光伏電池片本身就是 PN 結(jié)，當(dāng)溫度超過結(jié)溫時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池片效率降低，同時(shí)加速組件其它材料的老化和損壞。因此太陽(yáng)能電池PN 結(jié)結(jié)溫不應(yīng)該高于150°C 才能保證其PN結(jié)和組件長(zhǎng)期可靠的使用。
雖然 IEC 和 UL 組件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中并沒有規(guī)定熱斑電池溫度的絕對(duì)值，但限于硅基電池 PN 結(jié)的溫度特性，加上目前組件背板相對(duì)溫度指數(shù)（RTI）只有105°C ~110°C的實(shí)際狀況，特別是隨著電池片效率的提高，電池片的熱斑溫度將進(jìn)一步大幅度提高，72片 PERC 單晶組件的熱斑溫度可能超過160°C。這不但對(duì)發(fā)電效率有影響，對(duì)低 RTI 背板，甚至組件的長(zhǎng)期可靠性都將是一個(gè)巨大威脅（組件質(zhì)保使用溫度上限為+85度）。
結(jié)論：
1. 無熱斑組件測(cè)試電池片遮擋面積從0% 增加到100% 遮擋過程中，不論旁路二極管是否導(dǎo)通，被遮擋電池片的絕對(duì)溫度和組件中心參考溫度基本保持一致 (在2°C 范圍內(nèi))。無熱斑組件在發(fā)生熱斑時(shí)，被遮擋電池片的熱斑溫度主要將由此時(shí)組件工作溫度決定。
2. 傳統(tǒng)組件測(cè)試電池片遮擋面積從0% 增加到100% 遮擋過程中，被遮擋電池片的絕對(duì)溫度從80.7°C 升高到124.6°C；熱斑最高溫度和組件中心參考溫度差30°C 以上。如果組件工作溫度降低到50°C，傳統(tǒng)60片多晶組件在發(fā)生遮擋時(shí)，熱斑電池片和組件其他正常工作電池片溫度差有可能會(huì)達(dá)到70°C。
3. 建議將電池?zé)岚邷囟群细衽卸?biāo)準(zhǔn)限定在150°C 以下。而且，熱斑電池溫度越低，可以判定組件在這方面的長(zhǎng)期可靠性越好。
概述：
傳統(tǒng)組件根據(jù) IEC 61215測(cè)量熱斑時(shí)，高效單晶72片電池組件電池片遮擋處的絕對(duì)溫度已經(jīng)超過150°C。而硅基半導(dǎo)體的PN結(jié)Tj標(biāo)定值也只有150°C。很明顯，隨著電池片效率的提升，組件熱斑溫度還將進(jìn)一步升高，傳統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足組件長(zhǎng)期安全可靠工作的要求了。
針對(duì)光伏組件中的“熱斑”這一頑疾，通過新的電路設(shè)計(jì)，開發(fā)出無熱斑組件。無熱斑組件不僅徹底解決了組件發(fā)生熱斑時(shí)電池片的高溫問題，而且當(dāng)電池串內(nèi)電流失配時(shí)，無熱斑組件的輸出功率也比傳統(tǒng)組件高，提高了光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益。
在同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，選一件傳統(tǒng)60片多晶組件和一件60片單晶無熱斑組件測(cè)試發(fā)生熱斑時(shí)對(duì)應(yīng)電池片和旁路保護(hù)二極管的溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，無熱斑組件中熱斑電池片溫度基本沒有變化，和該組件中其它正常工作電池片沒有明顯溫差；而傳統(tǒng)組件中熱斑電池片溫度比組件中其它正常工作電池片溫度高出30°C，而且該電池片的絕對(duì)溫度也達(dá)到了120°C以上。無熱斑組件發(fā)生熱斑時(shí)的低溫特性使高效電池片的長(zhǎng)期安全應(yīng)用得到技術(shù)上的保障。
為了保障光伏組件長(zhǎng)期安全可靠正常的發(fā)電能力，建議組件熱斑溫度判定標(biāo)準(zhǔn)限定在150°C以下，并且，熱斑絕對(duì)溫度越低，可以判定組件的長(zhǎng)期可靠性能越好。
測(cè)試：
(1) 選用60片單晶無熱斑光伏組件(267.268Wp, Imp=8.569A)。
(2) 選用傳統(tǒng)60片多晶光伏組件 (262.440Wp, Imp=8.496A) 。
(3) 選用Honel穩(wěn)態(tài)測(cè)試儀，箱內(nèi)溫度設(shè)定為28°C，實(shí)際溫度27.5°C。
(4) 溫度測(cè)量是通過貼在組件背板相對(duì)應(yīng)位置的熱電偶獲得的。
(5) 由于測(cè)試箱條件的限制，組件溫度保持在80°C而不是IEC標(biāo)準(zhǔn)的50°C。
圖一
圖二
(6) 遮擋面積的確定
a) 電池片沒有遮擋時(shí)，對(duì)應(yīng)面積為0%；
b) 按IEC 61215 第三版確定Imp時(shí)遮擋面積；
無熱斑組件Imp 的遮擋面積為6.18%；
傳統(tǒng)組件Imp時(shí)遮擋面積為 10.67%，比無熱斑組件的遮擋面積要大；
c) 選不同電池遮擋面積，測(cè)量熱斑電池片和二極管的溫度；
d) 全遮擋電池片100%；
(7) 熱斑電池片和溫度測(cè)試點(diǎn)的確定
通過紅外測(cè)溫，選定組件中最差電池片。二塊組件最差電池片都在同一位置。
圖三
無熱斑組件和傳統(tǒng)組件測(cè)試點(diǎn)唯一不同就是二極管測(cè)試點(diǎn)。無熱斑組件二極管封裝在組件背面背板電池片附近，而傳統(tǒng)組件二極管在接線盒中，要挖開硅膠，將熱電偶貼在 R6封裝的二極管上，但測(cè)試時(shí)，沒有再重新灌膠。所測(cè)溫度都是二極管的 Tc，而不是 Tj。但由于二種封裝不一樣，無熱斑組件中二極管是通過EVA+背板，傳統(tǒng)接線盒中二極管 R6 封裝是通過環(huán)氧樹脂表面測(cè)得 Tc。
溫度測(cè)試數(shù)據(jù)：
無熱斑組件不同遮擋面積時(shí)，各測(cè)試點(diǎn)溫度
| 電池片 遮擋面積 |
組件中心 參考基準(zhǔn)溫度 |
電池片遮擋位置 溫度 |
電池片和 基準(zhǔn)溫度差 |
二極管溫度 Tc |
封裝在組件中二極管 和基準(zhǔn)溫度差 |
| 0% |
82.9 |
78.41 |
-4.49 |
80.1 |
-2.8 |
| 6.16% |
81.5 |
77.8 |
-3.7 |
80.7 |
-0.8 |
| 10.28% |
84.6 |
79.8 |
-4.8 |
83.8 |
-0.8 |
| 100% |
84.2 |
78.6 |
-5.6 |
95.8 |
11.6 |
注：I-V曲線對(duì)應(yīng)Imp的遮擋面積為6.16%
傳統(tǒng)組件不同遮擋面積時(shí)，各測(cè)試點(diǎn)溫度
| 電池片 遮擋面積 |
組件中心 參考基準(zhǔn)溫度 |
電池片遮擋位置 溫度 |
電池片和 基準(zhǔn)溫度差 |
二極管溫度 Tc |
接線盒內(nèi)二極管 和基準(zhǔn)溫度差 |
| 0% |
92.3 |
80.7 |
-11.6 |
73.5 |
-18.8 |
| 4.89% |
92.3 |
112.0 |
19.7 |
74.1 |
-18.2 |
| 11.45% |
92.0 |
124.6 |
32.6 |
75.9 |
-16.1 |
| 18.53% |
93.7 |
123.5 |
29.8 |
77.7 |
-16.0 |
| 28.39% |
94.3 |
117.0 |
22.7 |
80.41 |
-13.9 |
| 50.0% |
94.3 |
106.5 |
12.2 |
85.8 |
-8.5 |
| 100% |
90.5 |
80.2 |
-10.3 |
93.8 |
3.3 |
注：I-V曲線對(duì)應(yīng)Imp的遮擋面積為11.45%
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：
1. 由于測(cè)試熱斑的電池片位于緊靠邊框的位置，相比組件中心電池片散熱條件好，導(dǎo)致兩種組件在沒有任何遮擋正常工作時(shí)，測(cè)試電池片的溫度都比組件中心電池片溫度低（無熱斑組件82.9°C /78.41°C；傳統(tǒng)組件92.3°C /80.7°C）。
2. 無熱斑組件從0%遮擋到100%遮擋，熱斑電池片的溫度始終在組件參考基準(zhǔn)溫度值附近，該電池片溫度變化范圍在78.4°C .4斑電池°C。由此推斷，無熱斑組件發(fā)生遮擋時(shí)，熱斑電池片的溫度主要受組件工作溫度的影響；而傳統(tǒng)組件熱斑電池片溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了組件參考基準(zhǔn)溫度（92°C /124.6°C）。從以上可以看出，組件熱斑電池片的高溫是由電池串設(shè)計(jì)和電池片本身發(fā)熱造成，在相同組件工作溫度下，傳統(tǒng)組件電池片熱斑最高溫度會(huì)遠(yuǎn)大于無熱斑組件。而100%遮擋的電池片，由于本身不工作，并且100%被覆蓋，電池溫度比組件中心的基準(zhǔn)參考溫度要低。二極管導(dǎo)通后，二極管的溫度將隨電池遮擋面積的增加而升高。
當(dāng)兩種組件的測(cè)試電池都被100% 遮擋時(shí)，電池串內(nèi)100%電流都要從旁路二極管通過。二極管處于100% 負(fù)載加熱狀態(tài)，所以溫度處于最高點(diǎn)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，無熱斑組件和傳統(tǒng)組件中二極管的表面溫差并不大（95.8C/93.8C），推測(cè)是由于無熱斑組件的二極管是封裝在組件中，受到輻照帶來的額外溫升。
3. 雖然電池片熱斑溫度和硅片、電池片及組件制造工藝有很大關(guān)聯(lián)性，各組件廠的測(cè)試數(shù)據(jù)也不完全一致，但有以下的平均值：
| 組件種類 |
60片多晶 |
72片多晶 |
72片普通單晶 |
72片高效單晶 |
| 熱斑電池溫度 |
120°C |
130°C |
140°C |
>150 °C |
硅基材料 PN 結(jié)的結(jié)溫在正常工作條件下是150°C（不降流使用情況下）。而光伏電池片本身就是 PN 結(jié)，當(dāng)溫度超過結(jié)溫時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池片效率降低，同時(shí)加速組件其它材料的老化和損壞。因此太陽(yáng)能電池PN 結(jié)結(jié)溫不應(yīng)該高于150°C 才能保證其PN結(jié)和組件長(zhǎng)期可靠的使用。
雖然 IEC 和 UL 組件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中并沒有規(guī)定熱斑電池溫度的絕對(duì)值，但限于硅基電池 PN 結(jié)的溫度特性，加上目前組件背板相對(duì)溫度指數(shù)（RTI）只有105°C ~110°C的實(shí)際狀況，特別是隨著電池片效率的提高，電池片的熱斑溫度將進(jìn)一步大幅度提高，72片 PERC 單晶組件的熱斑溫度可能超過160°C。這不但對(duì)發(fā)電效率有影響，對(duì)低 RTI 背板，甚至組件的長(zhǎng)期可靠性都將是一個(gè)巨大威脅（組件質(zhì)保使用溫度上限為+85度）。
結(jié)論：
1. 無熱斑組件測(cè)試電池片遮擋面積從0% 增加到100% 遮擋過程中，不論旁路二極管是否導(dǎo)通，被遮擋電池片的絕對(duì)溫度和組件中心參考溫度基本保持一致 (在2°C 范圍內(nèi))。無熱斑組件在發(fā)生熱斑時(shí)，被遮擋電池片的熱斑溫度主要將由此時(shí)組件工作溫度決定。
2. 傳統(tǒng)組件測(cè)試電池片遮擋面積從0% 增加到100% 遮擋過程中，被遮擋電池片的絕對(duì)溫度從80.7°C 升高到124.6°C；熱斑最高溫度和組件中心參考溫度差30°C 以上。如果組件工作溫度降低到50°C，傳統(tǒng)60片多晶組件在發(fā)生遮擋時(shí)，熱斑電池片和組件其他正常工作電池片溫度差有可能會(huì)達(dá)到70°C。
3. 建議將電池?zé)岚邷囟群细衽卸?biāo)準(zhǔn)限定在150°C 以下。而且，熱斑電池溫度越低，可以判定組件在這方面的長(zhǎng)期可靠性越好。
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