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TUV南德技術(shù)解析:無(wú)熱斑組件和傳統(tǒng)組件熱斑溫度對(duì)比

2016-05-13 16:00 12499
TUV 南德意志集團(tuán)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(wú)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。

上海2016年5月13日電 /美通社/ -- 隨著高效電池功率的提升,組件熱斑溫度越來(lái)越高;但各組件廠在解決高效組件熱斑影響上還沒(méi)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(wú)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(lái)越高,對(duì)組件熱斑保護(hù)也越來(lái)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(wú)熱斑組件無(wú)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(guò)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(guò)新的電路設(shè)計(jì),開(kāi)發(fā)出無(wú)熱斑組件。無(wú)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(wèn)題,而且當(dāng)電池串內(nèi)電流失配時(shí),無(wú)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(wú)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(wú)熱斑組件中熱斑電池片溫度基本沒(méi)有變化,和該組件中其它正常工作電池片沒(méi)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(wú)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(wú)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(guò)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
圖一

 

圖二
圖二

(6) 遮擋面積的確定

a) 電池片沒(méi)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(wú)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(wú)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(guò)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
圖三

無(wú)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(wú)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(kāi)硅膠,將熱電偶貼在 R6封裝的二極管上,但測(cè)試時(shí),沒(méi)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(wú)熱斑組件中二極管是通過(guò)EVA+背板,傳統(tǒng)接線盒中二極管 R6 封裝是通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂表面測(cè)得 Tc。

溫度測(cè)試數(shù)據(jù):

無(wú)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(méi)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(wú)熱斑組件82.9°C /78.41°C;傳統(tǒng)組件92.3°C /80.7°C)。

2. 無(wú)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(wú)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(guò)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)組件電池片熱斑較高溫度會(huì)遠(yuǎn)大于無(wú)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(guò)。二極管處于100% 負(fù)載加熱狀態(tài),所以溫度處于較高點(diǎn)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看,無(wú)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(wú)熱斑組件的二極管是封裝在組件中,受到輻照帶來(lái)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(guò)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(méi)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(guò)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(wú)熱斑組件測(cè)試電池片遮擋面積從0% 增加到100% 遮擋過(guò)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(wú)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(guò)程中,被遮擋電池片的絕對(duì)溫度從80.7°C 升高到124.6°C;熱斑較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。

消息來(lái)源:TUV南德意志集團(tuán)
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