TUV南德技术解析:无热斑组件和传统组件热斑温度对比

来源:TUV南德意志集团
2016-05-13 16:00:00
分享

上海2016年5月13日电 /美通社/ -- 随着高效电池功率的提升,组件热斑温度越来越高;但各组件厂在解决高效组件热斑影响上还没有切实可行的解决方案。为此,TUV 南德意志集团(以下简称“TUV SUD”)联合光伏行业专家黄子健先生与王囯峰先生对刚刚推出的无热斑组件进行了测试,并和传统组件热斑温度进行了技术解读。TUV SUD大中华区光伏产品部总监许海亮先生特别指出,“随着电池效率的不断提升,组件的输出功率越来越高,对组件热斑保护也越来越受到关注。而组件安装后很多情况下热斑是不可控的,因此对于组件热斑的保护就格外重要。无热斑组件无论从理论还是实际,都证实了其优异的热斑保护效果。”

概述:

传统组件根据 IEC 61215测量热斑时,高效单晶72片电池组件电池片遮挡处的绝对温度已经超过150°C。而硅基半导体的PN结Tj标定值也只有150°C。很明显,随着电池片效率的提升,组件热斑温度还将进一步升高,传统组件的设计已经不能满足组件长期安全可靠工作的要求了。

针对光伏组件中的“热斑”这一顽疾,通过新的电路设计,开发出无热斑组件。无热斑组件不仅彻底解决了组件发生热斑时电池片的高温问题,而且当电池串内电流失配时,无热斑组件的输出功率也比传统组件高,提高了光伏系统的经济收益。

在同一实验环境下,选一件传统60片多晶组件和一件60片单晶无热斑组件测试发生热斑时对应电池片和旁路保护二极管的温度。实验结果证实,无热斑组件中热斑电池片温度基本没有变化,和该组件中其它正常工作电池片没有明显温差;而传统组件中热斑电池片温度比组件中其它正常工作电池片温度高出30°C,而且该电池片的绝对温度也达到了120°C以上。无热斑组件发生热斑时的低温特性使高效电池片的长期安全应用得到技术上的保障。

为了保障光伏组件长期安全可靠正常的发电能力,建议组件热斑温度判定标准限定在150°C以下,并且,热斑绝对温度越低,可以判定组件的长期可靠性能越好。

测试:

(1) 选用60片单晶无热斑光伏组件(267.268Wp, Imp=8.569A)。

(2) 选用传统60片多晶光伏组件 (262.440Wp, Imp=8.496A) 。

(3) 选用Honel稳态测试仪,箱内温度设定为28°C,实际温度27.5°C。

(4) 温度测量是通过贴在组件背板相对应位置的热电偶获得的。

(5) 由于测试箱条件的限制,组件温度保持在80°C而不是IEC标准的50°C。

(6) 遮挡面积的确定

a) 电池片没有遮挡时,对应面积为0%;

b) 按IEC 61215 第三版确定Imp时遮挡面积;

无热斑组件Imp 的遮挡面积为6.18%;

传统组件Imp时遮挡面积为 10.67%,比无热斑组件的遮挡面积要大;

c) 选不同电池遮挡面积,测量热斑电池片和二极管的温度;

d) 全遮挡电池片100%;

(7) 热斑电池片和温度测试点的确定

通过红外测温,选定组件中最差电池片。二块组件最差电池片都在同一位置。

无热斑组件和传统组件测试点唯一不同就是二极管测试点。无热斑组件二极管封装在组件背面背板电池片附近,而传统组件二极管在接线盒中,要挖开硅胶,将热电偶贴在 R6封装的二极管上,但测试时,没有再重新灌胶。所测温度都是二极管的 Tc,而不是 Tj。但由于二种封装不一样,无热斑组件中二极管是通过EVA+背板,传统接线盒中二极管 R6 封装是通过环氧树脂表面测得 Tc。

温度测试数据:

无热斑组件不同遮挡面积时,各测试点温度

电池片遮挡面积

组件中心参考基准温度

电池片遮挡位置温度

电池片和基准温度差

二极管温度

Tc

封装在组件中二极管和基准温度差

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曲线对应Imp的遮挡面积为6.16%

传统组件不同遮挡面积时,各测试点温度

电池片遮挡面积

组件中心参考基准温度

电池片遮挡位置温度

电池片和基准温度差

二极管温度

Tc

接线盒内二极管和基准温度差

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曲线对应Imp的遮挡面积为11.45%

实验数据分析:

1. 由于测试热斑的电池片位于紧靠边框的位置,相比组件中心电池片散热条件好,导致两种组件在没有任何遮挡正常工作时,测试电池片的温度都比组件中心电池片温度低(无热斑组件82.9°C /78.41°C;传统组件92.3°C /80.7°C)。

2. 无热斑组件从0%遮挡到100%遮挡,热斑电池片的温度始终在组件参考基准温度值附近,该电池片温度变化范围在78.4°C .4斑电池°C。由此推断,无热斑组件发生遮挡时,热斑电池片的温度主要受组件工作温度的影响;而传统组件热斑电池片温度已经远远超过了组件参考基准温度(92°C /124.6°C)。从以上可以看出,组件热斑电池片的高温是由电池串设计和电池片本身发热造成,在相同组件工作温度下,传统组件电池片热斑最高温度会远大于无热斑组件。而100%遮挡的电池片,由于本身不工作,并且100%被覆盖,电池温度比组件中心的基准参考温度要低。二极管导通后,二极管的温度将随电池遮挡面积的增加而升高。

当两种组件的测试电池都被100% 遮挡时,电池串内100%电流都要从旁路二极管通过。二极管处于100% 负载加热状态,所以温度处于最高点。从实验数据看,无热斑组件和传统组件中二极管的表面温差并不大(95.8C/93.8C),推测是由于无热斑组件的二极管是封装在组件中,受到辐照带来的额外温升。

3. 虽然电池片热斑温度和硅片、电池片及组件制造工艺有很大关联性,各组件厂的测试数据也不完全一致,但有以下的平均值:

组件种类 60片多晶 72片多晶 72片普通单晶 72片高效单晶

热斑电池温度 120°C 130°C 140°C >150 °C

硅基材料 PN 结的结温在正常工作条件下是150°C(不降流使用情况下)。而光伏电池片本身就是 PN 结,当温度超过结温时,会导致电池片效率降低,同时加速组件其它材料的老化和损坏。因此太阳能电池PN 结结温不应该高于150°C 才能保证其PN结和组件长期可靠的使用。

虽然 IEC 和 UL 组件相关标准中并没有规定热斑电池温度的绝对值,但限于硅基电池 PN 结的温度特性,加上目前组件背板相对温度指数(RTI)只有105°C ~110°C的实际状况,特别是随着电池片效率的提高,电池片的热斑温度将进一步大幅度提高,72片 PERC 单晶组件的热斑温度可能超过160°C。这不但对发电效率有影响,对低 RTI 背板,甚至组件的长期可靠性都将是一个巨大威胁(组件质保使用温度上限为+85度)。

结论:

1. 无热斑组件测试电池片遮挡面积从0% 增加到100% 遮挡过程中,不论旁路二极管是否导通,被遮挡电池片的绝对温度和组件中心参考温度基本保持一致 (在2°C 范围内)。无热斑组件在发生热斑时,被遮挡电池片的热斑温度主要将由此时组件工作温度决定。

2. 传统组件测试电池片遮挡面积从0% 增加到100% 遮挡过程中,被遮挡电池片的绝对温度从80.7°C 升高到124.6°C;热斑最高温度和组件中心参考温度差30°C 以上。如果组件工作温度降低到50°C,传统60片多晶组件在发生遮挡时,热斑电池片和组件其他正常工作电池片温度差有可能会达到70°C。

3. 建议将电池热斑温度合格判定标准限定在150°C 以下。而且,热斑电池温度越低,可以判定组件在这方面的长期可靠性越好。

分享