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1、新版热斑耐久试验方法解析李松丽;张俊;陈有余【摘要】根据地面晶体硅光伏组件设计鉴定和定型的最新IEC标准,光伏组件的热 斑耐久试验方法发生了彻底改变该文对IEC61215 3rd草案D中所述热斑耐久试 验的最新测试方法进行了比较深入的研究，并与IEC61215 2nd所述热斑试验方法 进行比较利用最新方法开展热斑耐久测试，对标准中易产生歧义或误解的关键部分 进行解读与分析,讨论选择遮光片的具体方法和确定遮光面积的实际条件,对科学、 准确地追踪和执行最新国际标准具有一定的指导意义.期刊名称】 上海计量测试年(卷),期】 2012(000)003【总页数】4页(P12-14,17)关键词】 热斑耐
2、久试验;光伏组件;旁路二极管作 者】 李松丽;张俊;陈有余【作者单位】 上海市质量监督检验技术研究院;上海市质量监督检验技术研究院;上海市质量监督检验技术研究院正文语种】 中 文0 引言随着科技日新月异的发展，光伏发电技术在国内外均得到了广泛的应用，形式多种多样，大型地面光伏电站、住宅和商用建筑物的屋顶、建筑光伏建筑一体化、光伏 路灯等。在这些场所，不可避免地会出现建筑物、树荫、烟囱、灰尘、云朵等对太 阳能电池组件造成遮挡。在光照条件下，一串联组件中被遮蔽的光伏电池，会由发 电单元变为耗电单元，被遮蔽的光伏电池不但对组件输出没有贡献，而且消耗其他 电池产生的电力，此时会发热，这就是热斑效应。实
3、际应用中，相互串联的光伏组件之间或串联结构的光伏组件本身通常安装有旁路 二极管。选用适当的旁路二极管可以减少或避免热斑效应的发生。现行的第二版 IEC61215主要给出了没有安装旁路二极管或其不发挥作用时光伏组件本身的热斑 耐久试验方法1。实际上，光伏组件是在带有旁路二极管保护的条件下经受热斑 效应的。相对而言，IEC61215 （第三版）草案D的热斑耐久试验提供了旁路二极管保护 下光伏组件热斑耐久试验的方法2，更能模拟实际情况。虽然该草案还没有正式 颁布，已经有不少企业和用户要求采用该标准中的方法进行试验。上海市光伏产品 检测技术公共服务平台追踪国际标准动态，对新版热斑耐久试验进行了比较深入
4、的 分析和讨论。1 检测方法由于大部分组件的旁路二极管是不可拆卸的，电路也不能直接触及，因此热斑耐久 试验通常采用非侵入法测试。测试的主要过程依然由寻找被遮光电池片和确定被遮 光面积两步组成，不过具体的测试方法和技术要求发生了较大改变。将IEC612152 nd和3rd草案中热斑耐久试验的主要技术要求列于表1。从选择被遮光电池片而言，IEC612152 nd提供了两种方法，选择稳态光下温度最 高的，或完全遮光时使组件短路电流减小值最大的电池作为最坏片。3rd标准草案 认为并联电阻最小的电池产生的热斑效应最严重。试验时通过比较单片遮光条件下 旁路二极管启动点所对应漏电流来确定，漏电流最大时的被遮
5、光电池片即为所选片 从确定最坏遮光面积来看，IEC612152 nd通过比较被遮光组件ISC和遮光前最大 功率点电流Imp来确定遮光面积。3rd标准草案强调的是在具体的遮光条件下， 被遮光组件最大功率点电流与遮光前Imp的关系。2 主要检测设备在一块由54片156x156多晶硅电池串联而成的光伏组件上进行，该组件安装有 3个旁路二极管，每个旁路二极管与18片电池并联。所用的测试设备主要有：FLK-TI32红外成像仪、瑞士 PANSAN公司的A级脉冲 模拟器和台湾乐利士的B级稳态模拟器等。3 分析与讨论3.1遮光组件I-V曲线特征分析对于电路不可侵入型、安装了多个不可拆卸旁路二极管的光伏组件而言
6、，一般通过 在相同温度、辐照度条件下，依次遮光每个电池片并测试组件的I-V曲线的方法来 进行热斑耐久试验的准备工作。在室温、1000 W/m2标准辐照度条件下，依次将每片电池遮光，测试被测样品 的I-V曲线，测试结果如图1所示，I-V曲线的突变点代表的是旁路二极管的启动 点。当端电压大于启动点电压时，旁路二极管不工作，组件的电流全部通过被遮光 电池形成回路，此时电流为漏电流，I-V曲线基本为直线。随着电流逐渐增大，被 遮光电池串作为电源贡献的电压越来越小。当电压完全反向并达到该电池串并联旁 路二极管的启动电压时，旁路二极管启动。端电压继续下降，旁路二极管继续保持 开启状态，通过被遮光电池的漏电
7、流保持不变，电流主要通过旁路二极管形成回路 从图1可以看出，不同电池片遮光时组件的开路电压VOC基本相同，旁路二极管 启动后（组件电压S旁路二极管启动电压）组件的I-V曲线基本重合，旁路二极管 启动点电压基本位于组件开路电压的2/3处。这是因为虽然被遮光电池片不同， 光照条件下，其他不遮光电池依然正常工作。比较不遮光组件，单片遮光组件的开 路电压仅减少了一个电池片的贡献，故不同电池遮光时，组件的V oc基本相同。 旁路二极管启动之后，包括被遮光电池在内的电池串被旁路，电流主要经过旁路二 极管形成回路，短路电流基本不受影响。被测样品中安装有3个旁路二极管，每 个旁路二极管与18片电池并联，一个旁
8、路二极管启动后，相当于1/3的组件被旁 路。即对应旁路二极管的启动点电压约为不遮光组件Voc的2/3处3。图1 3#样品单电池片全部遮光时的I-V曲线3.2 被遮光电池片的选择根据标准所述，并联电阻最小的电池反向偏置时产生的热斑效应最严重。通过比较 遮光组件I-V曲线中旁路二极管启动点对应的漏电流的大小，而不是直接比较并联 电阻的大小来确定遮光电池片的位置。为了弄清楚原因，任选1片电池，在完全遮光条件下测试组件的I-V曲线，重复4 次。4条曲线基本重合，记录曲线中 Isc、Voc、Imp、Vmp、Pmp、Rsh 的典型 特征值，计算特征值的平均值和标准差（表2）。可以看出，除Rsh外，其他几
9、个典型参数的离散性很小。这是因为，Isc、Voc、Imp、Vmp、Pmp的数值是由 曲线直接读出的，而Rsh以太阳电池直流模型为基础，在I-V曲线V=0附近线性 回归后，由V、I的变化斜率计算得出4，测试的不确定性大。由于Rsh测试值的 离散性较大，多次测试I-V曲线的重合度较高，故不适合将其作为选择遮光电池片 的依据。旁路二极管导通后，消耗在旁路二极管两端的电压（即消耗在被旁路电池组串上的 电压）是固定的，泄漏电流越大，说明对应遮光片的并联电阻越小。为了简便起见， 可将不同电池遮光时的I-V曲线放在同一坐标轴上，旁路二极管启动点对应漏电流 最大的三条曲线所对应的遮光电池片，即为热斑耐久试验所
10、应选择的电池片。表1热斑耐久试验的技术要求对比标准电池片选择遮光面积确定IEC 612152 nd1. 在不低于 700 W/m 的稳态光源照射下，用适当的温度探测器测定最热的电池。2. 在不低于700 W/m的辐照度下，依次完全挡住每一个电池，选择一个或其中个，当它被挡住时，短路电流减小最大。检查所选电池片完全遮光时组件的ISC 是否比不遮光组件的Imp小。如果ISC V Imp，逐渐减少对所选择电池的遮光面 积，直到ISCEmp。否则，不能确定在一个电池内产生最大消耗功率的条件，此 时，完全挡住所选择的电池进行试验IEC 612153 rd草案D在不低于700 W/m 的稳态或脉冲光源下，
11、依次完全遮挡每片电池，测试一组I-V曲线。选择旁路二极 管启动点处漏电流最高的电池（即并联电阻最小的电池）。另选择两片并联电阻最 低的电池。对电路不可触及的组件，调整所选电池的遮光面积，测量一组I-V曲线， 选择被遮光组件最大功率消耗点对应的电流等于不遮光组件的Imp1。表2 3#样品单片电池完全遮光时并联电阻的测量值参数第一次第二次第三次第 四次平均值标准差 Isc/ A 8.505 8.506 8.505 8.507 8.50575 0.001 Voc/ V 28.21 28.188 28.199 28.213 28.2025 0.010 Imp/ A 7.937 7.923 7.937
12、7.891 6.422 0.018 Vmp/ V 16.9 16.943 16.943 17.01 16.949 0.039 Pmp/ W 134.139 134.238 134.485 134.220 134.2705 0.129 Rsh/ Q 184.56 218.42 183.17 151.70 184.4625 23.6023.3 电池片遮光面积的确定 关于最坏遮光面积，标准给出了文字和图形描述。根据文字描述，最恶劣的遮光条 件是被遮光组件的最大功率点电流，等于不遮光组件初始最大功率点电流I mp1。图2是用于确定遮光面积的图形（引用IEC612153 rd草案D图6）,根据图注， 遮
13、光组件的最大功率消耗点发生在不遮光组件最大功率点电流处，所谓最大功率消 耗点在I-V曲线中对应的是旁路二极管的启动点。图3分别是根据文字和图形的信息进行的遮光面积调整时被测样品的实测I-V曲线 图。图3a ）遮光面积的确定条件是：遮光组件的最大输出功率点电流Imp与不遮 光组件最大功率点电流Imp1基本相等。图3b ）遮光面积的确定条件是：旁路二 极管启动点电流与不遮光组件的Imp1相等。两种条件所确定的遮光面积毫不相关。 图3a )强调的是遮光条件下组件输出的最大功率；图3b)强调的是遮光后组件自 身消耗功率的最大值。热斑耐久试验的目的是考察组件在最恶劣遮光条件下的可能 危险性，局部高热是最
14、可能的质量风险，此时组件自身耗能最大。显然，图3b) 能更准确地反应标准内涵。也就是说应当采用旁路二极管启动点电流与Imp的关 系来确定最恶劣遮光面积。图2 IEC612153 rd草案中的图6图3遮光面积确定过程3#样品的I-V曲线4 结语热斑耐久试验是影响光伏组件性能和使用寿命的关键项目IEC612153 rd草案 D 给出了进行热斑耐久试验的最新方法。通过研究最新方法的技术要求和试验过程， 发现遮光前后光伏组件的I-V曲线进行热斑耐久试验比旧方法更科学、准确。具体 方法如下：1) 选择电池片依次遮光每个电池片，测试I-V曲线，将所有曲线在同一坐标轴上显示，旁路二极 管启动点漏电流最大时对
15、应的电池片即为所选。2) 确定遮光面积不同遮光条件下的一系列I-V曲线中，旁路二极管启动点漏电流与不遮光组件最大 功率点电流Imp1相等时的遮光情况即为组件自身的耗能最大的遮光面积。相关文献】1 International Electrotechnical Commission. IEC61215 ：2005S.Switzerland, 2005.2 International Electrotechnical Commission. IEC61215 ED3-Draft DS. Switzerland, 2010.3 孔凡建.太阳电池组件IV特性曲线异常J.电源技术，2010，34：181-185.4陈庭金，涂洁磊，汪东翔，等.太阳能电池并联电阻的一种测量方法J.半导体光电,1998 , 19 (8)：227-228, 262.
