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【wǒ】们陆【lù】续推出了【le】由黄子健先【xiān】生【shēng】主笔的无热斑【bān】专题，受到专业人【rén】士的普遍【biàn】关注，并【bìng】根据黄子【zǐ】健先生的建议，对组件的热斑效【xiào】应做【zuò】了【le】改进【jìn】。行业也推出了半片【piàn】组【zǔ】件以减轻热斑【bān】效应。然而，半片组件并非无【wú】热斑【bān】的神器。本文中，黄子健先生特别针对半【bàn】片组【zǔ】件的热斑效应做了详细的【de】分析。
众所周知，光伏组件中的二极管【guǎn】是为了解决光伏【fú】中【zhōng】最普遍的现象之一【yī】热斑而【ér】特【tè】意设置的。因此，二【èr】极管【guǎn】能否【fǒu】被启动，将问题电【diàn】池旁路出电池串/组件【jiàn】，及时消除【chú】热斑电池【chí】给组件带来的高热压力，应【yīng】是衡量组【zǔ】件是否【fǒu】正常【cháng】工作的指【zhǐ】标之一。很显【xiǎn】然，二极管越容易，越早被启动，热斑带来的失效可能性【xìng】越低。说【shuō】明组件设计结构越【yuè】合理，可靠性也越高【gāo】。与之【zhī】相对应的是二极管滞启现象，这【zhè】一现象是指【zhǐ】当组件中某一或某【mǒu】些电池片被局部【bù】遮挡【dǎng】或电池【chí】片【piàn】和【hé】电池【chí】串有电流【liú】失配，造成组件【jiàn】输【shū】出功率明显下降以及出现热斑【bān】效应时，旁路二极【jí】管却不能及时启动导通，将失配电池【chí】片旁路出组件电【diàn】路【lù】的现【xiàn】象。很显然，二极管滞启越【yuè】严【yán】重【chóng】，组【zǔ】件承受的热【rè】应力越大。
随着高功率电池的量产，组件输出电流越来越大，导致热斑【bān】电池的【de】温度也【yě】节节【jiē】攀升【shēng】，不仅早已超过组件规格书中标注的85度工作温度【dù】上限，有些72片的高效【xiào】组件【jiàn】热斑温度更是【shì】达到160度【dù】以上（IEC 61215热斑测试的试【shì】验条件下）。对系统的安全使用【yòng】和组件的长期可靠性【xìng】都【dōu】带来【lái】了【le】极【jí】大【dà】的【de】隐患【huàn】。
采用适当的结构【gòu】设计【jì】，可使半片电池组【zǔ】件中电池【chí】串的电流【liú】降【jiàng】低一半，从而【ér】使【shǐ】其【qí】在发生【shēng】热斑时降低了热斑电【diàn】池温度，从这一点来看，半片电池组件似乎为高功率组件，特别是72片【piàn】高效组件解决【jué】热斑高【gāo】温【wēn】问题找到一条【tiáo】解决之【zhī】路。
我们对【duì】144片（相当于常规【guī】72版型）横排先并【bìng】后串，120片（相当于常【cháng】规60版型）竖排先串后并两种典型半【bàn】片组件做了热斑测试【shì】后发现【xiàn】，两种半片电池组【zǔ】件的遮挡【dǎng】面积均【jun1】要【yào】达【dá】到半片电池片本身面积的90% 左右时，二极管【guǎn】才被导通。
90% 意味着，要对156X78mm半片电池，至少要覆盖【gài】成156X70mm，或者140X78mm这样的面积，二极管才【cái】能被启动工作。如果不【bú】能【néng】保证这样大的遮挡【dǎng】面积【jī】，二【èr】极管将发生滞启现象，组件将【jiāng】失去热【rè】斑旁路【lù】保护【hù】功能。
对于60版型【xíng】的半【bàn】片电池组件，由120个【gè】半片电池【chí】组成。左半部分【fèn】由【yóu】三串串联，每串【chuàn】由20个半【bàn】片【piàn】电【diàn】池串联【lián】连接。然【rán】后和【hé】右半部60个串联【lián】半片电池并【bìng】联组成组件，输出电压由3个并联组电压相加，电流由左右两个【gè】电池串相【xiàng】加而成。一个二极管管理40个半片电【diàn】池（常规组【zǔ】件，一个【gè】二极管管理20个整片电池）。组【zǔ】件输出特性【xìng】和6X10 整片【piàn】电池【chí】常规【guī】组件【jiàn】相近。
对于72横版型的半片电池组件，是【shì】由144个半片电【diàn】池组成【chéng】。由12个【gè】半【bàn】片电池串联，再【zài】和另【lìng】外12个【gè】半片电池串形成一个【gè】并【bìng】联回路。6个并联回路串联组成组件，输出电压由6个并联回路电压相加，电流【liú】和6个【gè】并联回路大小一样。一个【gè】旁路二极管管理二个并联【lián】回【huí】路48个半【bàn】片【piàn】电池（常【cháng】规组【zǔ】件，一个二极管管理24个整片电池）。组【zǔ】件输【shū】出特【tè】性和6X12 整【zhěng】片电池常规组件相近。
半片电【diàn】池【chí】组件和常规整片电池组件在电路上【shàng】的最大差别就是常规组【zǔ】件中只有电池片串【chuàn】联连接，而半【bàn】片电池组件中则增加【jiā】了并联【lián】的电池连接。 正是【shì】这个【gè】并联连接，导致【zhì】了【le】和常规【guī】整片电【diàn】池组件不同的【de】二极管旁路特性【xìng】。
分别【bié】对120和144半片【piàn】电池组件做【zuò】不同面积的遮挡测试，确【què】定二极管【guǎn】启动的遮挡面积。120半片电池组件，选择电池串内任【rèn】意一半片【piàn】电池进行【háng】遮【zhē】挡，当遮挡面积达到【dào】半片【piàn】电池本身的90% 左【zuǒ】右时【shí】，组件的输出电流恢复到正常【cháng】状态，电压因为旁路掉一个并联串而减【jiǎn】少【shǎo】1/3。大致判【pàn】定【dìng】遮挡电池的一个并【bìng】联回路被二极管完全【quán】从【cóng】组件电路【lù】中旁路掉了。
同理【lǐ】，我们对【duì】144半片【piàn】电池组件也做【zuò】了相似遮挡。结果与120半片电池组件非【fēi】常【cháng】相似。当【dāng】遮挡【dǎng】面积达到【dào】单个半【bàn】片电【diàn】池本【běn】身面积的90% 左右时，组件的输出电流恢【huī】复正常【cháng】。判定由二个【gè】并【bìng】联回路串【chuàn】联在一【yī】起的48个半片电池串被二极管旁路出组件电路。
上述实验【yàn】结果可以得出【chū】，不论是120版型还是【shì】144半片【piàn】电【diàn】池组件，其【qí】遮挡面积达到单【dān】个半片电池的90% 面积时【shí】，二极管才能导通把问题电池串旁路出组件【jiàn】电路【lù】。
从下面曲【qǔ】线可以看到，对于半片电池组件【jiàn】，由于电池【chí】片本身的面积减小了【le】一半，虽然遮【zhē】挡物的【de】面积绝对值一样，但【dàn】其遮挡面积占电池【chí】片面积比却比【bǐ】整片【piàn】电【diàn】池提高了1倍。或者说，20%的【de】整片【piàn】电池的【de】遮挡等同半片电池组件【jiàn】40% 的遮挡面积值【zhí】。因此，相同遮挡面【miàn】积比下【xià】，两【liǎng】种组件的【de】功率损失是近【jìn】似【sì】的。不存在相同遮【zhē】挡面积【jī】下，半片组【zǔ】件多发电的可能。
从上图还可以得出，无热【rè】斑组件由【yóu】于采用了一个旁路二极管【guǎn】保护一片【piàn】电池【chí】的设计原理，使【shǐ】得遮挡面积在15% 左右，就【jiù】可以启【qǐ】动保护二极管【guǎn】，将问题【tí】电池旁路【lù】出【chū】电【diàn】池串，而串内其他未被遮挡电池【chí】输出功率【lǜ】并没【méi】有受到影响。
60整片电池常【cháng】规组件遮挡【dǎng】实验则表明【míng】，只【zhī】有当【dāng】电池的遮【zhē】挡面积达到45% ~ 50% 之间时【shí】，旁路保护二极【jí】管才能启动，将整个【gè】问题电池串旁路出组件电路。此时组件输出电流【liú】恢复，输出【chū】电压下降1/3，组件输出功【gōng】率损失1/3。
从【cóng】实验数据可知，无【wú】热斑组件，整片电【diàn】池【chí】常规组件和【hé】半片电池【chí】组件三种组【zǔ】件使旁路二【èr】极管工作的遮挡面积比（占电池面积）是不一样的，从15% 到45% 到90%依次增大。很显然，遮【zhē】挡面积比越小，二极【jí】管启【qǐ】动越敏感，热斑效应可以越早【zǎo】的得到【dào】解【jiě】决，组件长【zhǎng】期可靠性越好。半导体行业里有一个10度法则，半导体器件温【wēn】升每【měi】提高10 ~ 15度，其可靠性下降【jiàng】50%【2】。60整【zhěng】片电池【chí】常规组件遮【zhē】挡实验则表明，只有当电【diàn】池的遮挡面积【jī】达到45% ~ 50% 之间【jiān】时【shí】，旁路【lù】保护二极管才能启【qǐ】动，将整【zhěng】个问【wèn】题【tí】电池串旁路出组件电路【lù】。此时组件输出电【diàn】流恢复【fù】，输出电压下降1/3，组件【jiàn】输出功率【lǜ】损失1/3。
实验显示，无热斑组件在【zài】遮挡失配过程中【zhōng】（二极管启动前后），组件的电流【liú】，电压输【shū】出变【biàn】化不大【dà】，可【kě】以降低系统【tǒng】中组【zǔ】件【jiàn】串的串联，并联的失配损失【shī】，提高系统发电效率【lǜ】和收益【yì】。不像常【cháng】规整【zhěng】片电池组件和半片电池组件，由于【yú】串【chuàn】内电池失配导致【zhì】好电池也被强制“限发【fā】”。严重时，导致一个二极管【guǎn】启动【dòng】，组件输出【chū】功率损失掉【diào】1/3 。
对于电池面【miàn】积为156X78的半【bàn】片电【diàn】池组【zǔ】件，在实际【jì】应用环【huán】境中，这个90%的单个电池覆盖【gài】，是很【hěn】难实【shí】现的【de】，除非一大块阴影同时覆盖了【le】几个电【diàn】池。直接后【hòu】果就是【shì】接线盒中二极管启动的可能性会非常低，滞启【qǐ】现【xiàn】象严重，热斑问题只能任其发生，得不到【dào】解决。好在半片组件的【de】热斑温度【dù】比常规整片组件热斑温度低【dī】不少。但由【yóu】于长时间的滞启【qǐ】（旁【páng】路【lù】不【bú】启动）效应，半片电池【chí】组件热斑【bān】带【dài】来的后果也可能更加严重【chóng】，长期可靠性可能存在隐患。
综【zōng】上可【kě】思【sī】，既然二极管要到90%遮挡面积才启动，热【rè】斑温【wēn】度又【yòu】下【xià】降了，是不是可以考虑【lǜ】拿【ná】掉二极管，在节省成本【běn】的同时【shí】，有效缓解热斑效应呢？
用一块【kuài】组件在户外进【jìn】行模拟，研究组【zǔ】件安装【zhuāng】旁路二级管【guǎn】和不安【ān】装旁路二极管两种条件下，不同遮光【guāng】比【bǐ】例对【duì】遮挡电【diàn】池片及旁路二极【jí】管的电压电流影响情【qíng】况【kuàng】（左边未安装二极管，右【yòu】边【biān】安装二极管）。
在未遮挡的情况【kuàng】下【xià】，电池两端的电压均为单【dān】片电【diàn】池光照【zhào】时的工【gōng】作电压【yā】0.4V，当电池被遮挡25%时，遮挡电池片两端的电压【yā】从正【zhèng】向转【zhuǎn】为反向并迅速增大。未【wèi】安装【zhuāng】二级管【guǎn】的为-18.9V（左图），安装二极管的【de】为-9.5V（右图）。随着遮挡【dǎng】比例【lì】的进一【yī】步增大，电池两端的电压略【luè】微增【zēng】大并趋【qū】于稳【wěn】定。全部遮挡时，安装【zhuāng】二极【jí】管的为-10.57V，未安装二极管的为-21.3V。这说明安装【zhuāng】二【èr】极【jí】管可以降低遮挡电池【chí】片上的负压【yā】从而避【bì】免【miǎn】电池【chí】片受到较大的反向电压而导致热穿击。【3】
左图显示了有无二极管【guǎn】情况下，组【zǔ】件功率损失和遮【zhē】挡【dǎng】面【miàn】积的关系。有二极管组件，遮光面积从0% 到【dào】50%时， Pm和 Im 都呈下降趋势【shì】，尤其Pm的下降呈【chéng】线性【xìng】递【dì】增趋势【shì】。遮光面积从50% 增至100%时，功率下【xià】降不明【míng】显，说明【míng】二极管导【dǎo】通【tōng】。可见50% 是影响组件功【gōng】率的转折点【diǎn】。无二极管【guǎn】组件，遮【zhē】光【guāng】面积下70%~ 80%之前时【shí】，Pm下降比【bǐ】随遮光面积增大成【chéng】线性增【zēng】加。80% 以后时，Pm基本没什么变化。
无二极管组件明显比有二极管的【de】更【gèng】容易受遮挡【dǎng】影响。说明组件实【shí】际应用时受尘埃，树叶，垃圾之【zhī】类影响【xiǎng】，旁路【lù】二极管对维持【chí】组件效【xiào】率起到明显作用。【4】。
显然，没有了旁路二极管，热击【jī】穿的可能【néng】性更大了。 因此，即使【shǐ】半片【piàn】组件要遮挡【dǎng】到90%，二极管才开始导通，还【hái】是保【bǎo】留【liú】二极管更加【jiā】安全。
半片【piàn】电池组件，在没有【yǒu】热斑发生【shēng】时，通【tōng】过降低热斑高温【wēn】有限减【jiǎn】小【xiǎo】了【le】144半片电池高功【gōng】率组件（比如330W以上组件）热斑带来的质【zhì】量【liàng】风【fēng】险【xiǎn】。结【jié】合本文中实验及相关讨论，可得出如下结【jié】论：（1）对于半片电【diàn】池【chí】组【zǔ】件，只有当遮【zhē】挡面积占到电池面【miàn】积90%时，才能使【shǐ】接线盒【hé】中二极管导【dǎo】通。然而，这么大【dà】的遮挡【dǎng】面【miàn】积【jī】使得电站在实际运行时【shí】，二极管导通的几率非常低。就像【xiàng】高压锅【guō】中【zhōng】减压阀一样，正【zhèng】常情况【kuàng】下不工作，但锅【guō】内压力过高时，会起到【dào】减压作【zuò】用【yòng】。如果二【èr】极【jí】管这个组件中的减压阀长期“怠工”，半片电池组件热斑效应产生的长期聚热【rè】效应也可能给组件和系统【tǒng】带来可靠性隐患【huàn】。
（2）半片电池组件一方面由【yóu】于热【rè】斑【bān】温度风险降低，可以应用到72片高效组【zǔ】件，对于组件【jiàn】供应【yīng】商来讲，还有2% 的输出功【gōng】率标定的真金白银【yín】收益。但同时【shí】，用【yòng】户则要【yào】承担二极管【guǎn】滞启效应【yīng】带来的风险，成了【le】半片【piàn】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 黄子健【jiàn】 李蔚 刘【liú】必权 王金祥【xiáng】 耿文【wén】刚【gāng】 匡超
【2】电力电子【zǐ】技【jì】术(广【guǎng】东工业大学【xué】)第二【èr】版 科【kē】学出版社 程汉湘主编
【3】热斑效应原【yuán】理简介及模【mó】拟实验 杨江海 龚露 蒋忠伟 孙小【xiǎo】菩【pú】
【4】太阳电池【chí】组【zǔ】件阴影遮挡问题【tí】实验研究【jiū】. 张臻【zhēn】 沈辉【huī】 朱家劲 蔡睿贤
REDUCED SHADING EFFECT ON HALF-CELL MODULES Hamed Hanifi, Jens Schneider, Joerg Bagdahn
