CN104467663B - 一种检测光伏热斑损害的太阳电池漏电流的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测光伏热斑损害的太阳电池漏电流的系统及方法，通过测试太阳电池反向偏压下温度变化情况，判定反偏漏电流的分布情况，根据反向漏电流大小，进行电池分类，同时通过红外热相扫描，检测太阳电池反向漏电流分布，挑选出局部漏电流密度大的电池。采用本发明将局部漏电流大的太阳电池挑选出来，避免太阳电池实际使用中，在电流失配引起的电压反偏情况下产生温度过高的热斑问题。

Description

一种检测光伏热斑损害的太阳电池漏电流的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种检测光伏热斑损害的太阳电池漏电流的系统及方法，属于光伏电池检测技术领域。

背景技术

随着这几年国内太阳能光伏工业迅速发展以及光伏系统安装容量的快速增长，光伏系统的运行安全性和可靠性问题逐渐显露。

光伏的使用环境千差万别，不同的环境因素如辐照、温度、湿度等对太阳电池和组件封装材料的性能影响机制不尽相同。其中，根据国际标准IEC 61215对光伏组件的性能评估显示，热斑、湿热老化、高低温循环等试验环境使组件产生较高的失效率；而在光伏的实际应用中往往显示出旁通二极管失效、栅线界面失效、封装胶膜脱层、汇流条锈蚀、背板裂纹等多种失效形式，从而导致组件的光电性能下降幅度远超过预期，甚至引发火灾。在众多光伏失效模式中，由于各种动态阴影遮挡、局部积尘(雪)以及自动太阳跟踪系统故障等引起的组件表面辐照非均匀分布，进而产生太阳电池高温热斑等问题，成为光伏组件失效的重要原因。

非均匀辐照下，较低辐照下的单体太阳电池输出电流变小，使得其两端处于反向偏置，从而产生局部过热现象，这就是热斑现象，这种现象会消耗组件的功率，严重的话甚至可能造成光伏组件的永久失效。现在我国的一些光伏研究、检测机构与光伏企业，也开展了一些光伏可靠性的测试评估与热斑解决方法研究，如：增加多个旁通二极管保护太阳电池，由于旁通二极管成本较高，本身也存在可靠性问题，这种方法推广有较大局限性；同时，当太阳电池严重反向偏置时，用于保护太阳电池、防止其产生过高偏置电压的旁通二极管，将处于正向工作导通状态，其产生的大量热使二极管结温可达100℃以上，长时间运行也将产生可靠性问题。此外，当旁通二极管因长期高温运行而性能失效，不能对反向偏置的太阳电池产生保护作用，从而导致电池两端电压升高，产生大量的热，造成更严重的太阳电池击穿和烧毁问题。此外，太阳电池厂家通过分选方式，降低太阳电池反偏电压下的漏电流值，该方法能够很好部分减少热斑问题，但由于太阳电池反向漏电流分布不均匀的，一些低漏电流电池，漏电流集中在局部几个甚至1个点，仍会形成热斑问题，在热斑可靠性方面并没有一个完全有效的解决方案。

发明内容

为弥补现有技术的缺陷，本发明提供一种检测光伏热斑损害的太阳电池漏电流的系统及方法，通过太阳电池通反向漏电流后的温度分布，检测漏电流大小分布，根据温度分布分选太阳电池，将局部漏电流大的太阳电池挑选出来。

本发明所采用的技术方案为：

一种检测光伏热斑损害的太阳电池漏电流的系统，包括测试平台，金属板，光学系统和驱动采集与图像处理电路，所述金属板置于测试平台上，所述光学系统置于太阳电池的上方，所述光学系统与驱动采集与图像处理电路相连，所述光学系统由红外探测器和光学成像物镜构成。

前述的测试平台采用绝缘、保温材料制成。

利用检测光伏热斑损害的太阳电池漏电流的系统检测光伏电池漏电流的方法，包括以下步骤：

1)将太阳电池置于金属板上，使太阳电池背面正极与金属板接触，通过金属板与直流电源正极相连，使太阳电池正面负极通过导电压条与直流电源负极连接；

2)直流电源对太阳电池施加电压；

3)通过光学系统采集光伏电池的温度分布数据；

4)驱动采集与图像处理电路对采集的光伏电池的温度分布数据进行处理，生成温度分布图像；

5)将生成的温度分布图像与电池漏电流与温度分布关系数据库比较，判断太阳电池漏电流的分布；

6)将局部漏电流大的太阳电池挑选出来。

前述的步骤5)中，电池漏电流与温度分布关系数据库的建立包括以下步骤：

5-1)计算均匀辐照分布下初始组件温度；

5-2)分别采用单片低纯硅电池、隐裂电池和局部缺陷电池制作成光伏组件；

5-3)在被测组件两端施加12V反偏电压；

5-4)采用红外热像仪分别对三组光伏组件进行温度测量，得到不同漏电流类型太阳电池表面沿着发热源形成的温度场；

5-5)提出均匀面、均匀线、集中点三种漏电流类型的太阳电池的热源能量密度分布假设；

5-6)计算被遮挡太阳电池由于反偏电压产生的热量；

5-7)通过计算机模拟得出被遮挡太阳电池的最高温度模型；

5-8)搭建试验系统，将实测数据和理论计算数据进行对比，对最高温度模型进行修正，形成太阳电池漏电流与温度分布关系数据库。

前述的步骤5-1)均匀辐照分布下初始组件温度为：

T₀＝T_a+K×I_r (1)

其中，T₀为初始组件温度(K)，T_a为环境温度(K)，I_r为辐照强度(W/m²)，K为组件温度与辐照的关系系数。

前述的步骤5-2)的低纯硅电池对应步骤5-5)的均匀面漏电流类型；所述步骤5-2)的隐裂电池对应步骤5-5)的均匀线漏电流类型；所述步骤5-2)的局部缺陷电池对应步骤5-5)的集中点漏电流类型。

前述的步骤5-5)中，均匀面漏电流类型的太阳电池的热源能量密度分布假设为，均匀面漏电流分布为：低纯硅电池反偏漏电流/电池面积；

所述均匀线漏电流类型的太阳电池的热源能量密度分布假设为，均匀线漏电流分布为：隐裂电池反偏漏电流/(隐裂长度*裂口)；所述集中点漏电流类型的太阳电池的热源能量密度分布假设为，集中点漏电流分布为：局部缺陷电池反偏漏电流/缺陷点面积。

前述的步骤5-6)中，被遮挡太阳电池由于反偏电压产生的热量为：

Ph＝(Ir/1000)*Ps*Isc*(n-1)*Voc (2)

其中，Ph为被遮挡太阳电池产生的热量，Ps阴影遮挡比例，Isc和Voc分别为光伏组件标准条件下额定短路电流和开路电压，n为每个旁通二极管保护n个太阳电池。

前述的步骤5-7)中，采用稳态热模型，光伏组件接收到的热量等于产生的电能与对外传散热热量总和，热平衡状态是指该最高温度T_c下通过，热斑高温度点、线或面通过传导、对流、辐射三种散热达到平衡，通过计算机模拟，可计算出三种漏电类型的最高温度T_c。

本发明的有益效果是：采用本发明将局部漏电流大的太阳电池挑选出来，避免太阳电池实际使用中，在电流失配引起的电压反偏情况下产生温度过高的热斑问题。

附图说明

图1为本发明的低光伏热斑损害的太阳电池漏电流检测流程图；

图2为本发明的光伏热斑损害的太阳电池漏电流检测设备示意图；

图3为本发明的实施例中光伏组件复合失效实验系统。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明的检测光伏热斑损害的太阳电池漏电流的系统如图2所示，包括测试平台，金属板，光学系统和驱动采集与图像处理电路。在绝缘的测试平台，设置金属板，测试平台采用绝缘、保温材料制成，金属板导电性好，热容小，光学系统置于太阳电池的上方，所述光学系统与驱动采集与图像处理电路相连，光学系统由红外探测器和光学成像物镜构成，利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图。如图1所示，测试时，将太阳电池放置于金属板上，电池背面正极与金属板接触，金属板与直流电源正极相连，电池正面负极通过导电压条与直流电源负极连接，直流电源对太阳电池施加5～20V电压，电压等级与该太阳电池将制作成的光伏组件设计相关，如：光伏组件设计1个旁通二极管保护20片太阳电池，该直流电源电压设计为12V左右。太阳电池被施加反向电压Vo，由于反向漏电流Io的存在，产生Io*Vo的热功率，在一段时间内电池温度上升，局部漏电流大的区域，温度上升明显。通过光学系统采集太阳电池温度分布数据，经驱动采集与图像处理电路进行处理，可生成温度分布图像，与电池漏电流与温度分布关系数据库比较，即可对电池局部漏电流大小做出判断，最后将局部漏电流较大的电池挑选出来，避免实际使用过程产生热斑问题。

电池漏电流与温度分布关系数据库的建立实施方法如下：

参考光伏组件额定工作温度(NOCT)模型，确定组件EVA、背板、玻璃、硅片导热系数、厚度等参数，根据辐照度G和环境温度T_a建立计算均匀辐照分布下初始组件温度。

在太阳电池板散热环境良好，电池温度和环境温度、太阳辐射强度关系可近似用下式表示：

T₀＝T_a+K×I_r (1)

式中，T₀为初始组件温度(K)，T_a为环境温度(K)，I_r为辐照强度(W/m²)，K为组件温度与辐照的关系系数，K一般取值0.028～0.035。

分别采用单片低纯硅电池、隐裂电池、局部缺陷电池制作成光伏组件。在被测组件两端施加12V反偏电压，采用红外热像仪进行温度测量，观测与分析不同漏电流类型太阳电池表面沿着发热源形成的温度场，提出均匀面、均匀线、集中点漏电流三种分布方式的热源能量密度分布假设。所制作的组件中，低纯硅电池对应均匀面漏电流类型；隐裂电池对应均匀线漏电流类型；局部缺陷电池对应集中点漏电流类型。均匀面漏电流类型的太阳电池的热源能量密度分布假设为，均匀面漏电流分布为：低纯硅电池反偏漏电流/电池面积，如：太阳电池反偏漏电流大小为2A，电池面积为156mm*156mm，对于低纯硅太阳电池，均匀面漏电流分布为2A/(156mm*156mm)；均匀线漏电流类型的太阳电池的热源能量密度分布假设为，均匀线漏电流分布为：隐裂电池反偏漏电流/(隐裂长度*裂口)，如，对于隐裂引起的均匀线分布漏电流太阳电池，假设隐裂长度170mm，裂口0.2mm，漏电流1A，均匀线漏电流分布为1A/(170mm*0.2mm)；集中点漏电流类型的太阳电池的热源能量密度分布假设为，集中点漏电流分布为：局部缺陷电池反偏漏电流/缺陷点面积，如，对于局部缺陷引起的集中点分布漏电流太阳电池，假设缺陷点面积0.5mm*0.5mm，漏电流0.1A，集中点漏电流分布为0.1A/(0.5mm*0.5mm)。

依据辐照度、阴影分布(辐照不均匀分布度)、环境温度、初始组件温度T_o，确定在被遮挡电池由于反偏电压产生的热量。计算方法具体为：

其中，I_r为辐照强度(W/m²)，Ps阴影遮挡比例，Isc和Voc分别为光伏组件标准条件下(光强1000W/m²，温度25℃，AM1.5光谱)额定短路电流和开路电压，

通过被遮挡太阳电池的最大电流为(Ir/1000)*Ps*Isc，设组件中每个旁通二极管保护n个太阳电池，被遮挡电池两端的最大反向电压为(n-1)*Voc。因此可以得出阴影遮挡太阳电池的最大发热量Ph为：

Ph＝(Ir/1000)*Ps*Isc*(n-1)*Voc (2)。

再根据均匀面、均匀线、集中点漏电流三种分布方式，根据电池硅片与接触材料的尺寸、导热系数，环境条件的对流散热系数，通过数值计算与实验研究相结合，建立漏电流密度与热斑温度场的分析模型，并通过计算机模拟得出被遮挡电池的最高温度T_c。

在组件散热设计过程我们通常只需考虑最恶劣的持续情况，组件在辐照较强的情况，在较短时间可以达到一个近稳态的热传状态。散热设计过程我们可以采用稳态热模型进行分析。根据能量守恒，组件接收到的热量等于产生的电能与对外传散热热量总和。组件的热平衡关系可用下式表达：

R_sun+Ph_a＝P_module+RE_module+H_glass+H_backsheet+R_glass+R_backsheet (3)

式中：

Ph_a＝Ph/S，S为漏电流分布面积，由均匀面、均匀线、集中点漏电流三种分布方式确定，

Ph_a—被遮挡的单位面积电池因反向偏压产生的热量，W/m²；

R_sun—太阳辐照到组件表面全部辐射能量，W/m²；

P_module—为每平方米太阳组件的输出电能，W/m²；

RE_module—太阳组件向大气反射的能量，W/m²；

H_glass—太阳组件玻璃与周围空气的对流换热，W/m²；

H_backsheet—太阳组件背板与空气的对流换热，W/m²；

R_glass—太阳组件玻璃对大气辐射热量，W/m²；

R_backsheet—太阳组件背板与地面的辐射换热，W/m²。

在上述热平衡中，热斑高温度点、线或面通过传导、对流、辐射向周围散热。

传导散热热流公式为：

$q_1=-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\Δ}t}{\mathrm{\δ}}\[W/m^2\]---\left(4\right)$

式中q₁为传导散热热流密度即单位时间通过单位面积传递的热量[W/m²]；δ为材料的厚度[m]；Δt为两传导点之间温差，λ为材料热导率(导热系数)。热斑点热量通过传导散热到组件玻璃与背板表面，再通过对流、辐射散热到大气中。

对流散射公式为：

Φ＝hA(t_w-t_f)[W] (5)

q₂＝Φ/A＝h(t_w-t_f)[W/m²] (6)

其中，Φ为对流散热热流量[W]，即单位时间传递的热量，q₂为对流散热热流密度，h为表面传热系数，A为与空气接触的壁面(背板或玻璃)面积，t_f为流体(空气)温度，t_w为固体壁表面(背板或玻璃)温度。

辐射换热量为：

$Q=A\mathrm{\σ}(T_1^4-T_2^4)---\left(7\right)$

式中：Q为辐射换热量，σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，值为5.67×10^－8W/m²K⁴，T₁，T₂为辐射换热的两个物体温度，如光伏组件背板(T₁)对地面(T₂)散热。

上述热平衡公式(3)中，太阳辐照到组件表面全部辐射能量R_sun，每平方米太阳组件的输出电能P_module，太阳组件向大气反射的能量RE_module可直接测量得到，太阳组件玻璃与周围空气的对流换热H_glass和太阳组件背板与空气的对流换热H_backsheet可根据式(6)计算：H_glass＝h₁(t_w1－t_f)，H_backsheet＝h₂(t_w2－t_f)，其中，h₁为太阳组件玻璃对空气的传热系数，h₂为太阳组件背板对空气的传热系数，t_w1为太阳组件玻璃温度，t_w2为太阳组件背板温度，t_f为空气温度；太阳组件玻璃对大气辐射热量R_glass和太阳组件背板与地面的辐射换热R_backsheet可根据式(7)计算：t_f1为地面环境温度。

热平衡状态是该最高温度T_c下通过三种散热达到平衡，通过计算机模拟，可计算出该最高温度T_c。

搭建如图3所示的实验平台。分别将普通组件、大漏电流组件及无旁路二极管组件接入并网系统。其中，普通组件漏电流小，且均匀分布；异常组件中有漏电流大但分布均匀，漏电流小但有局部点缺陷，漏电流小但存在隐裂三种情况。模拟各种遮挡状态，用相同型号的逆变器实时监测各个阵列的运行状态，并用多路温度测试仪实时监测被遮挡处温度，观察各光伏组件发生热斑的条件，并进行总结。用上述公式(2)、(3)以及漏电流分布的3重假设，建立的数学模型进行计算机模拟，计算得出各监测点理论温度，与实际测试结果对比分析，通过修订为电池温度与辐照的关系系数K；H_backsheet、H_glass中组件对空气的传热系数h₁、h₂，修正所建立的最高温度模型。

Claims (7)

1.一种检测光伏热斑损害的太阳电池漏电流的方法，其特征在于，包括：

首先构建检测光伏热斑损害的太阳电池漏电流的系统，包括测试平台，金属板，光学系统和驱动采集与图像处理电路，所述金属板置于测试平台上，所述光学系统置于太阳电池的上方，所述光学系统与驱动采集与图像处理电路相连，所述光学系统由红外探测器和光学成像物镜构成；

然后，按照如下步骤进行检测：

1)将太阳电池置于金属板上，使太阳电池背面正极与金属板接触，通过金属板与直流电源正极相连，使太阳电池正面负极通过导电压条与直流电源负极连接；

2)直流电源对太阳电池施加电压；

3)通过光学系统采集光伏电池的温度分布数据；

4)驱动采集与图像处理电路对采集的光伏电池的温度分布数据进行处理，生成温度分布图像；

5)将生成的温度分布图像与电池漏电流与温度分布关系数据库比较，判断太阳电池漏电流的分布；所述电池漏电流与温度分布关系数据库的建立包括以下步骤：

5-1)计算均匀辐照分布下初始组件温度；

5-2)分别采用单片低纯硅电池、隐裂电池和局部缺陷电池制作成光伏组件；

5-3)在被测组件两端施加12V反偏电压；

5-4)采用红外热像仪分别对三组光伏组件进行温度测量，得到不同漏电流类型太阳电池表面沿着发热源形成的温度场；

5-5)提出均匀面、均匀线、集中点三种漏电流类型的太阳电池的热源能量密度分布假设；

5-6)计算被遮挡太阳电池由于反偏电压产生的热量；

5-7)通过计算机模拟得出被遮挡太阳电池的最高温度模型；

5-8)搭建试验系统，将实测数据和理论计算数据进行对比，对最高温度模型进行修正，形成太阳电池漏电流与温度分布关系数据库；

6)将局部漏电流大的太阳电池挑选出来。

2.根据权利要求1所述的一种检测光伏热斑损害的太阳电池漏电流的方法，其特征在于，所述测试平台采用绝缘、保温材料制成。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤5-1)均匀辐照分布下初始组件温度为：

T₀＝T_a+K×I_r (1)

其中，T₀为初始组件温度(K)，T_a为环境温度(K)，I_r为辐照强度(W/m²)，K为组件温度与辐照的关系系数。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤5-2)的低纯硅电池对应步骤5-5)的均匀面漏电流类型；所述步骤5-2)的隐裂电池对应步骤5-5)的均匀线漏电流类型；所述步骤5-2)的局部缺陷电池对应步骤5-5)的集中点漏电流类型。

5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，所述步骤5-5)中，均匀面漏电流类型的太阳电池的热源能量密度分布假设为，均匀面漏电流分布为：低纯硅电池反偏漏电流/电池面积；

所述均匀线漏电流类型的太阳电池的热源能量密度分布假设为，均匀线漏电流分布为：隐裂电池反偏漏电流/(隐裂长度*裂口)；所述集中点漏电流类型的太阳电池的热源能量密度分布假设为，集中点漏电流分布为：局部缺陷电池反偏漏电流/缺陷点面积。

6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤5-6)中，被遮挡太阳电池由于反偏电压产生的热量为：

Ph＝(Ir/1000)*Ps*Isc*(n-1)*Voc (2)

其中，Ph为被遮挡太阳电池产生的热量，Ps阴影遮挡比例，Isc和Voc分别为光伏组件标准条件下额定短路电流和开路电压，n为每个旁通二极管保护n个太阳电池。

7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤5-7)中，采用稳态热模型，光伏组件接收到的热量等于产生的电能与对外传散热热量总和，热平衡状态是指该最高温度T_c下通过，热斑高温度点、线或面通过传导、对流、辐射三种散热达到平衡，通过计算机模拟，可计算出三种漏电类型的最高温度T_c。