二极管的滞启——半片电池组件的隐痛
发布时间：2024-9-21 11:25:33
来源：光伏测试网
序言：
2016年，我们陆续推出了【le】由【yóu】黄子健先生主笔【bǐ】的无热斑专题，受到专【zhuān】业人士的普遍关注【zhù】，并根据黄【huáng】子健先生的建议，对组件的热斑效应【yīng】做了【le】改进。行业【yè】也推出了半【bàn】片组件以减【jiǎn】轻热【rè】斑【bān】效应。然【rán】而【ér】，半片组件【jiàn】并非无【wú】热斑的神器。本文中，黄子健【jiàn】先【xiān】生特别针对【duì】半【bàn】片组件的热斑效应做了详【xiáng】细的分析。
众所周知，光伏组件中的二极管是为【wéi】了解决光伏中最普遍【biàn】的现象之一热斑而【ér】特【tè】意【yì】设置【zhì】的【de】。因此，二极管能否被启动，将问【wèn】题【tí】电池旁路出【chū】电【diàn】池串/组【zǔ】件，及时消除热斑电池给组件带来的高热压力，应是衡【héng】量组件【jiàn】是否正常【cháng】工作的指标之【zhī】一。很显然，二【èr】极【jí】管【guǎn】越容易【yì】，越【yuè】早被启动，热斑带来【lái】的失效【xiào】可能【néng】性越【yuè】低【dī】。说明组件设计结构越合理【lǐ】，可靠性也越高【gāo】。与之相对应的是二【èr】极管滞启现象，这一现象是【shì】指当组件中某一或【huò】某些电池片被局【jú】部遮挡【dǎng】或电池片和电池【chí】串有【yǒu】电流失配，造成组件输【shū】出功率明显下【xià】降以及出现热斑效应时，旁路二极【jí】管【guǎn】却【què】不能及时启【qǐ】动导通【tōng】，将【jiāng】失配电池片旁路出组件电路的现象【xiàng】。很显然，二极管滞启越严重【chóng】，组件承受的热应【yīng】力【lì】越大。
随着高【gāo】功【gōng】率电池的量产，组【zǔ】件输【shū】出电流越来越【yuè】大，导致热【rè】斑电池的温【wēn】度也节节攀升，不仅早【zǎo】已超过组件规格书【shū】中标注的85度【dù】工【gōng】作温【wēn】度上限【xiàn】，有些72片【piàn】的高【gāo】效组【zǔ】件热斑温【wēn】度更是达到160度以上（IEC 61215热斑测试【shì】的试【shì】验条件下）。对系统的安全使用和组件的长期可靠性都带来了极大的【de】隐患【huàn】。
采用适【shì】当的结构【gòu】设计，可使【shǐ】半片电池组【zǔ】件中电池串的【de】电流降【jiàng】低一【yī】半【bàn】，从而使其在发生【shēng】热斑时降低【dī】了热斑【bān】电池温度，从这一点来看【kàn】，半【bàn】片电池组件【jiàn】似乎为高功率组件，特【tè】别是72片【piàn】高效【xiào】组件【jiàn】解决热斑高温问题找到一条解决之路。
我们对144片【piàn】（相当【dāng】于常规72版型）横排先【xiān】并后【hòu】串，120片（相【xiàng】当【dāng】于常规60版型）竖排【pái】先串后并【bìng】两种典型半片组【zǔ】件【jiàn】做了热斑测试后发现，两种半片【piàn】电池组件【jiàn】的遮挡面积均要达到半片电【diàn】池片本身面积的90% 左右【yòu】时，二【èr】极管才【cái】被导通。
90% 意味着，要对156X78mm半片【piàn】电池，至少【shǎo】要【yào】覆盖成156X70mm，或者140X78mm这【zhè】样的面【miàn】积，二极【jí】管才【cái】能被启【qǐ】动工作。如果不【bú】能保证【zhèng】这【zhè】样大的遮挡面积，二极管【guǎn】将发生滞启现象，组件将失去热斑【bān】旁路保护功【gōng】能。
对于【yú】60版型的半片电池组件，由120个【gè】半片电池组成【chéng】。左半部分由【yóu】三【sān】串串联【lián】，每串由20个半片【piàn】电池串联连接【jiē】。然后和右半部【bù】60个串联【lián】半片【piàn】电池并【bìng】联组成【chéng】组件，输出电压由【yóu】3个并联组电压相【xiàng】加，电流由左右两个电池串相加【jiā】而成。一【yī】个二极管管【guǎn】理【lǐ】40个半片电池（常规组件，一个二极管管理20个【gè】整片电池）。组件输【shū】出特性和6X10 整片电池常规【guī】组件相近。
对于72横版【bǎn】型的半片电池【chí】组件，是由144个半片电池组成。由12个半片电池串联，再和【hé】另外12个半片电池串形成一【yī】个并【bìng】联回路。6个并联回路串【chuàn】联组成组件，输【shū】出电压由6个并【bìng】联回路【lù】电【diàn】压相加，电流和【hé】6个并联【lián】回路大小【xiǎo】一样。一个旁路二极管管【guǎn】理二个并联回路48个半片【piàn】电池（常规组件，一个二极【jí】管管理24个整片电池）。组件输出特性和【hé】6X12 整【zhěng】片【piàn】电【diàn】池【chí】常规组件相近。
半片电【diàn】池【chí】组【zǔ】件和常规整【zhěng】片电【diàn】池组件在电路上的最大差别【bié】就是常【cháng】规【guī】组件【jiàn】中【zhōng】只【zhī】有电【diàn】池片串联连接，而半片电池【chí】组件中则增加了并联的电池连接【jiē】。 正是这个并联连接，导致了和【hé】常规整片电池组件不同的二极管【guǎn】旁路特【tè】性。
分别【bié】对【duì】120和144半片电池组【zǔ】件【jiàn】做【zuò】不同面积的遮【zhē】挡测试，确定二【èr】极管【guǎn】启动的【de】遮挡面积【jī】。120半片电池组件，选择电池串内任意一半片电池进行遮挡【dǎng】，当【dāng】遮挡【dǎng】面积达【dá】到【dào】半片电池本身的90% 左右时，组件的输出【chū】电流恢复到正常状态，电【diàn】压【yā】因为旁路掉一个【gè】并【bìng】联串而减【jiǎn】少1/3。大致判定遮挡电池的一个并联回路被二极管完全从组件电路中【zhōng】旁路【lù】掉【diào】了。
同理，我【wǒ】们对144半片电池组【zǔ】件【jiàn】也【yě】做【zuò】了相似遮挡。结【jié】果与120半片【piàn】电池【chí】组件非常相似。当遮挡面【miàn】积达到单个半片电【diàn】池本身面积的90% 左右时，组件【jiàn】的输出电流恢复正【zhèng】常。判定由二个并联回【huí】路串联在一起【qǐ】的48个半片电池【chí】串被二极管旁路出组件电【diàn】路。
上述实验结果可以得出，不论是120版【bǎn】型还是144半片电【diàn】池【chí】组件，其遮挡【dǎng】面积达到单个半片电池的90% 面【miàn】积时，二极管【guǎn】才【cái】能导通把问【wèn】题电池串旁路【lù】出组【zǔ】件电路【lù】。
从下面曲线可以看到，对于半片电池组【zǔ】件，由于电池【chí】片本身的面【miàn】积减【jiǎn】小了一半，虽然遮挡物的面【miàn】积绝【jué】对值一样，但其遮【zhē】挡面【miàn】积占电池【chí】片面积【jī】比却比整片电池提高了1倍。或者说，20%的整【zhěng】片电池的遮挡等同半片电池组件40% 的遮挡面积【jī】值【zhí】。因此【cǐ】，相【xiàng】同遮挡面积比【bǐ】下，两【liǎng】种【zhǒng】组件的功率【lǜ】损失是【shì】近似的。不存在相同【tóng】遮挡面【miàn】积下，半【bàn】片【piàn】组件多发电的可能。
从上图还可以得【dé】出【chū】，无热【rè】斑【bān】组件由于采用了【le】一【yī】个【gè】旁路二极【jí】管保护一【yī】片电池【chí】的设计原理，使得遮挡面积在15% 左右，就可以【yǐ】启动保护二极管，将问【wèn】题电池旁【páng】路出电池串，而串内其他【tā】未被遮挡电池输【shū】出功率并没有【yǒu】受到影响。
60整【zhěng】片电池常规【guī】组件遮挡实验则表明【míng】，只【zhī】有当电池的遮【zhē】挡面积达到45% ~ 50% 之间时，旁路【lù】保护【hù】二极【jí】管才能启动，将整个问题电池串旁路【lù】出组件【jiàn】电路。此时组件输出电流【liú】恢复，输出【chū】电【diàn】压下降【jiàng】1/3，组件输【shū】出功率【lǜ】损失1/3。
从实验【yàn】数【shù】据可知，无热斑组件，整片电【diàn】池常规组件和半片电池组【zǔ】件三种组件【jiàn】使旁路二极管工作的遮挡面【miàn】积比（占电池面积）是不一样的，从15% 到【dào】45% 到90%依【yī】次增大【dà】。很【hěn】显然，遮挡面积比越小，二极【jí】管启【qǐ】动越敏感，热斑效应可以越早的得【dé】到解决，组【zǔ】件长期可【kě】靠性越好【hǎo】。半导体行【háng】业里有一个10度法则，半导体器件温升【shēng】每提高10 ~ 15度，其可靠性下【xià】降50%【2】。60整片电池常规组件【jiàn】遮挡实验则【zé】表明【míng】，只有当电池的【de】遮挡面积【jī】达到45% ~ 50% 之间时，旁路【lù】保护【hù】二极【jí】管【guǎn】才【cái】能启【qǐ】动，将整个问【wèn】题电池串旁【páng】路出组件电路。此时组件输出电流【liú】恢复，输出电【diàn】压下【xià】降1/3，组件输出【chū】功率损【sǔn】失1/3。
实验显示，无热斑组件【jiàn】在【zài】遮挡失配过程中（二极管启动前后），组【zǔ】件的【de】电流，电压【yā】输【shū】出【chū】变化【huà】不大【dà】，可【kě】以降低【dī】系统中组件串的串联，并联的失配损失，提高系统发【fā】电效率和收益。不像常规整片电池组件【jiàn】和半片电池组件，由于串【chuàn】内电【diàn】池失配【pèi】导致好电【diàn】池也被强制“限【xiàn】发”。严重时，导致一个【gè】二极管【guǎn】启动，组【zǔ】件输出功率损失掉【diào】1/3 。
对于电池面积【jī】为156X78的半【bàn】片电【diàn】池组件，在实际应用【yòng】环境【jìng】中，这【zhè】个【gè】90%的单个电池覆盖，是【shì】很难实现的【de】，除非一大块阴影同时覆盖【gài】了几个【gè】电【diàn】池。直接后果就是接线盒中二极管启动的可能【néng】性会非常低，滞启现象严重，热斑问题只能任其【qí】发生，得不到解决。好在【zài】半片组件【jiàn】的【de】热【rè】斑温度比常【cháng】规整片组件热斑温度低不【bú】少。但由于长时间【jiān】的滞启（旁路不启动）效应【yīng】，半片电【diàn】池组件热【rè】斑带来的【de】后果也【yě】可能【néng】更加【jiā】严【yán】重，长【zhǎng】期可【kě】靠性可能存在【zài】隐患【huàn】。
综上可思【sī】，既然二极管要到【dào】90%遮挡面【miàn】积才启动，热斑温度又下降【jiàng】了，是不【bú】是可以考虑拿掉【diào】二极管【guǎn】，在节省成本【běn】的同时，有【yǒu】效【xiào】缓解热斑效应呢？
用【yòng】一块组件【jiàn】在【zài】户外【wài】进行模拟，研究组件【jiàn】安装旁路【lù】二级【jí】管和不安装旁路二极管【guǎn】两种条件下，不同遮光比例对遮挡电池片及【jí】旁路二极管的【de】电【diàn】压电流影响情况（左【zuǒ】边未安装二极管，右边【biān】安【ān】装【zhuāng】二极管）。
在未遮挡【dǎng】的【de】情况下，电池两端的电压均为单片【piàn】电【diàn】池光照时的工作电压0.4V，当电池被遮挡25%时【shí】，遮挡电池片两端的电压从正【zhèng】向转为反【fǎn】向并迅速增【zēng】大。未安【ān】装二【èr】级【jí】管的为-18.9V（左图），安【ān】装【zhuāng】二极管的为-9.5V（右【yòu】图）。随【suí】着遮挡比例的【de】进【jìn】一步增【zēng】大，电池两端的电压略【luè】微增大【dà】并趋于稳定。全部遮挡时【shí】，安【ān】装二极管的为-10.57V，未安装二极管的为【wéi】-21.3V。这说明安装二极管可以降【jiàng】低【dī】遮【zhē】挡【dǎng】电池片上【shàng】的负压从而避免电池片受到较大的反向【xiàng】电压而导致热穿击。【3】
左图显示了有无【wú】二极管情【qíng】况下，组件【jiàn】功率损失和遮挡面积的关【guān】系。有二极管组件【jiàn】，遮光面积从【cóng】0% 到50%时， Pm和 Im 都呈下降【jiàng】趋势，尤其Pm的【de】下降呈线性【xìng】递增趋势。遮光面积从50% 增至100%时【shí】，功率下降不明显【xiǎn】，说明【míng】二极管【guǎn】导通。可见50% 是影【yǐng】响组【zǔ】件【jiàn】功率的【de】转【zhuǎn】折【shé】点。无二极【jí】管组件，遮光【guāng】面积下70%~ 80%之前时，Pm下【xià】降比随遮光面积增大成线【xiàn】性增加。80% 以后时，Pm基本没什么变化。
无二极管【guǎn】组件明显比有二极【jí】管的更容易受遮【zhē】挡【dǎng】影响【xiǎng】。说明组件实际应用时受【shòu】尘埃，树【shù】叶【yè】，垃圾之类影【yǐng】响，旁路二极管对维持组件效【xiào】率【lǜ】起到明显作用。【4】。
显然【rán】，没有【yǒu】了旁【páng】路二【èr】极管，热击穿的可能性更大了。 因此，即使半片组件要遮【zhē】挡到90%，二【èr】极管才开【kāi】始导通，还是保留【liú】二极管【guǎn】更加【jiā】安全。
半片电池组件，在没有热【rè】斑发生时，通过降低热斑【bān】高温有限减小了144半片【piàn】电【diàn】池高功率组【zǔ】件（比【bǐ】如330W以上组件）热斑带【dài】来的质量风【fēng】险【xiǎn】。结合【hé】本文中【zhōng】实验及相关讨论【lùn】，可得出如下结【jié】论：（1）对【duì】于半【bàn】片电池组件，只【zhī】有当遮挡【dǎng】面【miàn】积占【zhàn】到电池面积90%时【shí】，才能使接线盒【hé】中二极管导通。然而，这么【me】大的遮挡面积使得【dé】电站在实【shí】际运行时，二极管导通的几【jǐ】率非常低。就像高压锅中减压阀一样，正常情况下不工作【zuò】，但锅内压力过高时，会起到减压【yā】作用。如【rú】果二极【jí】管这个【gè】组件中的【de】减【jiǎn】压阀长【zhǎng】期“怠工”，半片电池组件热【rè】斑【bān】效应产生的长【zhǎng】期【qī】聚热【rè】效应也【yě】可能给组件【jiàn】和【hé】系【xì】统带来可靠性隐患。
（2）半片电池组件一方面【miàn】由【yóu】于热【rè】斑温度【dù】风险降低，可以【yǐ】应用【yòng】到72片高【gāo】效组件【jiàn】，对于组件供应商来讲【jiǎng】，还有2% 的输出功率标定的真金白银收益。但同时，用户则【zé】要承担二极管【guǎn】滞启【qǐ】效应【yīng】带【dài】来的风险【xiǎn】，成了半片电池【chí】组件应用中的尴【gān】尬之处。
本文作者：黄子健 安全长 武耀忠 施晓丹 王春成 等
注：
【1】CN 202585481 U 2012 黄子【zǐ】健 李蔚【wèi】 刘必权 王金祥 耿文刚【gāng】 匡【kuāng】超
【2】电【diàn】力【lì】电【diàn】子【zǐ】技术(广东工业大学)第【dì】二版 科学出版社 程汉湘主编
【3】热【rè】斑效应原理【lǐ】简介及模【mó】拟实验 杨江海【hǎi】 龚露【lù】 蒋忠伟 孙小菩
【4】太阳电池组件阴影【yǐng】遮挡问【wèn】题实验【yàn】研究【jiū】. 张臻 沈辉 朱家劲 蔡睿贤
REDUCED SHADING EFFECT ON HALF-CELL MODULES Hamed Hanifi, Jens Schneider, Joerg Bagdahn
