二极管的滞启——半片电池组件的隐痛
发布时间：2017-11-01 11:25:33
来源：光伏测试网
序言：
2016年，我们陆续推出了由黄子健先生主笔的无热斑专题，受到专业人士的普遍关注，并根据黄子健先生的建议，对组件的热斑效应做了改进。行业也推出了半片组件以减轻热斑效应。然而，半片组件并非无热斑的神器。本文中，黄子健先生特别针对半片组件的热斑效应做了详细的分析。
众所周知，光伏组件中的二极管是为了解决光伏中最普遍的现象之一热斑而特意设置的。因此，二极管能否被启动，将问题电池旁路出电池串/组件，及时消除热斑电池给组件带来的高热压力，应是衡量组件是否正常工作的指标之一。很显然，二极管越容易，越早被启动，热斑带来的失效可能性越低。说明组件设计结构越合理，可靠性也越高。与之相对应的是二极管滞启现象，这一现象是指当组件中某一或某些电池片被局部遮挡或电池片和电池串有电流失配，造成组件输出功率明显下降以及出现热斑效应时，旁路二极管却不能及时启动导通，将失配电池片旁路出组件电路的现象。很显然，二极管滞启越严重，组件承受的热应力越大。
随着高功率电池的量产，组件输出电流越来越大，导致热斑电池的温度也节节攀升，不仅早已超过组件规格书中标注的85度工作温度上限，有些72片的高效组件热斑温度更是达到160度以上（IEC 61215热斑测试的试验条件下）。对系统的安全使用和组件的长期可靠性都带来了极大的隐患。
采用适当的结构设计，可使半片电池组件中电池串的电流降低一半，从而使其在发生热斑时降低了热斑电池温度，从这一点来看，半片电池组件似乎为高功率组件，特别是72片高效组件解决热斑高温问题找到一条解决之路。
我们对144片（相当于常规72版型）横排先并后串，120片（相当于常规60版型）竖排先串后并两种典型半片组件做了热斑测试后发现，两种半片电池组件的遮挡面积均要达到半片电池片本身面积的90% 左右时，二极管才被导通。
90% 意味着，要对156X78mm半片电池，至少要覆盖成156X70mm，或者140X78mm这样的面积，二极管才能被启动工作。如果不能保证这样大的遮挡面积，二极管将发生滞启现象，组件将失去热斑旁路保护功能。
对于60版型的半片电池组件，由120个半片电池组成。左半部分由三串串联，每串由20个半片电池串联连接。然后和右半部60个串联半片电池并联组成组件，输出电压由3个并联组电压相加，电流由左右两个电池串相加而成。一个二极管管理40个半片电池（常规组件，一个二极管管理20个整片电池）。组件输出特性和6X10 整片电池常规组件相近。
对于72横版型的半片电池组件，是由144个半片电池组成。由12个半片电池串联，再和另外12个半片电池串形成一个并联回路。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，电流和6个并联回路大小一样。一个旁路二极管管理二个并联回路48个半片电池（常规组件，一个二极管管理24个整片电池）。组件输出特性和6X12 整片电池常规组件相近。
半片电池组件和常规整片电池组件在电路上的最大差别就是常规组件中只有电池片串联连接，而半片电池组件中则增加了并联的电池连接。 正是这个并联连接，导致了和常规整片电池组件不同的二极管旁路特性。
分别对120和144半片电池组件做不同面积的遮挡测试，确定二极管启动的遮挡面积。120半片电池组件，选择电池串内任意一半片电池进行遮挡，当遮挡面积达到半片电池本身的90% 左右时，组件的输出电流恢复到正常状态，电压因为旁路掉一个并联串而减少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旁路掉了。
同理，我们对144半片电池组件也做了相似遮挡。结果与120半片电池组件非常相似。当遮挡面积达到单个半片电池本身面积的90% 左右时，组件的输出电流恢复正常。判定由二个并联回路串联在一起的48个半片电池串被二极管旁路出组件电路。
上述实验结果可以得出，不论是120版型还是144半片电池组件，其遮挡面积达到单个半片电池的90% 面积时，二极管才能导通把问题电池串旁路出组件电路。
从下面曲线可以看到，对于半片电池组件，由于电池片本身的面积减小了一半，虽然遮挡物的面积绝对值一样，但其遮挡面积占电池片面积比却比整片电池提高了1倍。或者说，20%的整片电池的遮挡等同半片电池组件40% 的遮挡面积值。因此，相同遮挡面积比下，两种组件的功率损失是近似的。不存在相同遮挡面积下，半片组件多发电的可能。
从上图还可以得出，无热斑组件由于采用了一个旁路二极管保护一片电池的设计原理，使得遮挡面积在15% 左右，就可以启动保护二极管，将问题电池旁路出电池串，而串内其他未被遮挡电池输出功率并没有受到影响。
60整片电池常规组件遮挡实验则表明，只有当电池的遮挡面积达到45% ~ 50% 之间时，旁路保护二极管才能启动，将整个问题电池串旁路出组件电路。此时组件输出电流恢复，输出电压下降1/3，组件输出功率损失1/3。
从实验数据可知，无热斑组件，整片电池常规组件和半片电池组件三种组件使旁路二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，遮挡面积比越小，二极管启动越敏感，热斑效应可以越早的得到解决，组件长期可靠性越好。半导体行业里有一个10度法则，半导体器件温升每提高10 ~ 15度，其可靠性下降50%【2】。60整片电池常规组件遮挡实验则表明，只有当电池的遮挡面积达到45% ~ 50% 之间时，旁路保护二极管才能启动，将整个问题电池串旁路出组件电路。此时组件输出电流恢复，输出电压下降1/3，组件输出功率损失1/3。
实验显示，无热斑组件在遮挡失配过程中（二极管启动前后），组件的电流，电压输出变化不大，可以降低系统中组件串的串联，并联的失配损失，提高系统发电效率和收益。不像常规整片电池组件和半片电池组件，由于串内电池失配导致好电池也被强制“限发”。严重时，导致一个二极管启动，组件输出功率损失掉1/3 。
对于电池面积为156X78的半片电池组件，在实际应用环境中，这个90%的单个电池覆盖，是很难实现的，除非一大块阴影同时覆盖了几个电池。直接后果就是接线盒中二极管启动的可能性会非常低，滞启现象严重，热斑问题只能任其发生，得不到解决。好在半片组件的热斑温度比常规整片组件热斑温度低不少。但由于长时间的滞启（旁路不启动）效应，半片电池组件热斑带来的后果也可能更加严重，长期可靠性可能存在隐患。
综上可思，既然二极管要到90%遮挡面积才启动，热斑温度又下降了，是不是可以考虑拿掉二极管，在节省成本的同时，有效缓解热斑效应呢？
用一块组件在户外进行模拟，研究组件安装旁路二级管和不安装旁路二极管两种条件下，不同遮光比例对遮挡电池片及旁路二极管的电压电流影响情况（左边未安装二极管，右边安装二极管）。
在未遮挡的情况下，电池两端的电压均为单片电池光照时的工作电压0.4V，当电池被遮挡25%时，遮挡电池片两端的电压从正向转为反向并迅速增大。未安装二级管的为-18.9V（左图），安装二极管的为-9.5V（右图）。随着遮挡比例的进一步增大，电池两端的电压略微增大并趋于稳定。全部遮挡时，安装二极管的为-10.57V，未安装二极管的为-21.3V。这说明安装二极管可以降低遮挡电池片上的负压从而避免电池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情况下，组件功率损失和遮挡面积的关系。有二极管组件，遮光面积从0% 到50%时， Pm和 Im 都呈下降趋势，尤其Pm的下降呈线性递增趋势。遮光面积从50% 增至100%时，功率下降不明显，说明二极管导通。可见50% 是影响组件功率的转折点。无二极管组件，遮光面积下70%~ 80%之前时，Pm下降比随遮光面积增大成线性增加。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更容易受遮挡影响。说明组件实际应用时受尘埃，树叶，垃圾之类影响，旁路二极管对维持组件效率起到明显作用。【4】。
显然，没有了旁路二极管，热击穿的可能性更大了。 因此，即使半片组件要遮挡到90%，二极管才开始导通，还是保留二极管更加安全。
半片电池组件，在没有热斑发生时，通过降低热斑高温有限减小了144半片电池高功率组件（比如330W以上组件）热斑带来的质量风险。结合本文中实验及相关讨论，可得出如下结论：（1）对于半片电池组件，只有当遮挡面积占到电池面积90%时，才能使接线盒中二极管导通。然而，这么大的遮挡面积使得电站在实际运行时，二极管导通的几率非常低。就像高压锅中减压阀一样，正常情况下不工作，但锅内压力过高时，会起到减压作用。如果二极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效应也可能给组件和系统带来可靠性隐患。
（2）半片电池组件一方面由于热斑温度风险降低，可以应用到72片高效组件，对于组件供应商来讲，还有2% 的输出功率标定的真金白银收益。但同时，用户则要承担二极管滞启效应带来的风险，成了半片电池组件应用中的尴尬之处。
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 李蔚 刘必权 王金祥 耿文刚 匡超
【2】电力电子技术(广东工业大学)第二版 科学出版社 程汉湘主编
【3】热斑效应原理简介及模拟实验 杨江海 龚露 蒋忠伟 孙小菩
【4】太阳电池组件阴影遮挡问题实验研究. 张臻 沈辉 朱家劲 蔡睿贤
REDUCED SHADING EFFECT ON HALF-CELL MODULES Hamed Hanifi, Jens Schneider, Joerg Bagdahn
