光伏组件失效分析

光伏组件失效分析

宋端鸣

无锡市产品质量监督检验院江苏无锡214101

摘要：本文对运行光伏电站中光伏组件热斑失效情况，定义典型热斑类别，选择实际运行光伏电站代表性的热斑组件，监测其电性能变化数据，分析不同热斑类型的产生原因与机理。在光伏系统中模拟太阳电池失配情况，进行热斑试验，验证遮挡对热斑的影响。

关键词：光伏组件；热斑；分析

一、光伏热斑案例分析

在实际使用光伏中，尽管光伏组件安装时都要考虑阴影的影响，并加配保护装置以减少热斑的影响。但长期使用中难免落上飞鸟、尘土、落叶等遮挡物，这些遮挡物在光伏组件上就形成了阴影。由于局部阴影的存在，电池单片本身通常一定程度存在杂质与缺陷，这些组件在工作时局部发热，长时间热斑高温会导致焊点熔化、背板烧毁、玻璃碎裂等失效。

作者调研了某地区已运行1～3年的约200MW。的平板光伏组件，对异常组件的性能进行了测试和分析，总结了这些组件的衰减与失效构成因素。

在所有115块短期失效或高衰减光伏组件中，由于电池热斑导致的失效组件占25块，占到总失效光伏组件的20％以上。在这些实际运行光伏电站的典型热斑问题中，有3类比较常见：电池间显著温差（定义为A类）、单电池串电性能失效（定义为B类）、玻璃与电池碎裂（定义为C类）。A类光伏组件中不同电池片会出现明显温差，最高温度电池与正常电池温差通常达到10℃以上，部分温差达到40～50℃。该类组件热斑问题较为常见，由于电池之间电流失配造成，组件搬运、安装过程造成的电池隐裂是产生电流失配的重要原因。将光伏电站中该类热斑问题组件进行的红外热相（正常并网工作状态），与电致发光（EL）测试，如图1所示。图中红外热相图片从组件背面拍摄，EL图为组建正面图，从图1可看出，组件中发热电池与EL隐裂电池能有一定对应关系。此外部分发热电池EL照片不能反应其明显缺陷，封装材料的内部分层对组件局部散热的影响等可能是产生电池问温度差异的原因。A类热斑组件在组件室内太阳模拟器中测试功率，功率下降幅度为5％一8％。B类光伏组件中单串太阳电池功率失效（多串失效在所收集的热斑组件中未见到），对于商用60片156mmX156mm电池组件成的组件，约三分之一的功率损失。如图2所示，安装某民用屋顶光伏组件，产生热斑后，通过微型逆变器监控到组件经过的3个阶段输出电性能变化数据：

1）2013年9月前，该组件产生A类热斑问题，但功率正常，相对系统中其他组件，平均发电量损失（百分比）在3％以内；2）2013年10月～2013年12月，该组件发电量损失（百分比）明显增大，达到5％～15％；3）2014年1月，该组件发电量损失（百分比）达到30％以上，约三分之一组件功率损失，组件EL测试照片显示，该组件中单串20片电池失效。以上数据显示，热斑光伏组件功率变化是缓慢逐渐下降，经历数月或更长时间，电池串出现完全失效；严重的A类热斑组件在室外长期运行可能转变成B类热斑组件。

a.温度分布

b.EL图

圈1A类热斑光伏组件温度分布与电致发光（EL）图

a.电性能

b.EL图

图4B类热斑光伏组件电性能变化趋势曲线与EL图

C类热斑光伏组件在大的反偏漏电流密度或反偏电压下致使局部超高温，背板与电池较短时间（几天）内直接烧穿，玻璃碎裂。通过分析该类实际失效组件，推断：光伏组件使用过程中，由于遮挡或电池衰减，造成电池电流失配，这时旁通二极管正向导通并产生大量热，长期处于高温工作状态，这种高温工作使二极管接触电阻逐渐增加，长时间后性能衰减并失效；旁通二极管失效后，在阴影继续遮挡下，光伏组件没有保护情况下，将承受更高的反向偏置电压，可能出现非常高温的热斑情况，最终造成电池烧毁失效。因此，如果旁通二极管是薄弱环节，先于反偏的太阳电池失效，这种情况将形成极为严重的C类热斑问题。

二、实验

（一）电池缺陷对热斑影响

根据电致发光（EL）测试图片，选择不同缺陷的156mmX156mm多晶硅太阳电池进行如下实验：1）测试电池的高温漏电流；2）比较EL缺陷多和EL缺陷少的电池高温漏电流性能，并红外测试温度分布；3）比较高温测试完前后，反偏漏电流变化情况。

反向电流低，EL图像好的电池，在高温时能表现出很好的反向特性。红外显示局部最高温处均在EL暗斑或电池边缘，而EL对边缘处的缺陷拍摄降并不清晰，边缘处又是热斑失效的高发区域，需要通过红外或其他手段剔除边缘有缺陷的电池。尽管电池反向电流已经控制的很低，但从红外图像可看出，仍有局部漏电且发热严重的区域。控制组件热斑问题须从源头包括硅片，电池工艺等，控制电池片质量。

（二）热斑对光伏组件电性能影响

通过不同漏电流组件进行热斑遮挡实验显示：即使有旁路二极管的情况下，反偏漏电流大于2A（室温反偏电压12V条件下）的组件有热斑时易产生组件烧焦现象。热斑引起电池片局部微小烧焦的组件电性能变化很小。

三、结论

1）实际光伏电站中存在电池间显著温差、电池串失效、玻璃与电池碎裂等多种典型光伏组件热斑情况。光伏组件失效非简单因电池缺陷引起的快速失效，而是性能逐渐衰减的过程。

2）不同漏电流值的太阳电池均有可能产生热斑高温问题，电池微缺陷引起高温条件下反偏漏电流过大或反偏漏电流分布不均匀是太阳电池产生热斑失效的主要原因。

3）太阳电池最坏热斑产生条件有待进一步确认，它与热斑电池耗散热量最大不是同一情况，因此不能通过绘制太阳电池的反向电流电压曲线图计算得到。

参考文献：

[1]贾力.太阳能光伏组件热斑效应的检测与控制措施研究[J].《山东工业技术》 ，2017（4）：73-75.