热点对光伏组件寿命的影响

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Effect of hotspots on the lifetime of photovoltaic modules

　　

张鹏宇|贾晓明|张英轩|卢璐怡|李建兰

华中科技大学能源与动力工程学院，中国武汉430074

摘要

热点现象会显著影响光伏（PV）模块的效率和寿命。本研究通过实验探讨了热点对PV模块电气输出特性、温度场和热机械应变的影响。基于微电池的热点PV模块电热结构耦合仿真模型被建立，并提出了一种基于拓扑的热点PV模块寿命评估方法，用于预测热点条件下的PV模块寿命。实验结果表明，单晶硅PV模块的部分遮挡会导致I-U和P-U特性曲线发生畸变，热点电池的局部最高温度可达到141℃。仿真结果显示，与无热点情况相比，热点电池的最大主应力、冯·米塞斯应力、剪切应力和应变分别增加了2.37倍、13.77倍、13.11倍和1.51倍。这表明热点电池在长期运行过程中会受到昼夜循环引起的循环热应力和应变的影响。寿命评估结果表明，热点对PV模块寿命的影响取决于模块结构以及热点电池的遮挡比例、数量和分布。对于所研究的PV模块，正常电池的年衰减率为0.009–1.094%/年，而遮挡比为0.4的热点电池的年衰减率急剧上升至0.102–8.573%/年，从而使其寿命缩短至15.27年，比正常模块短54.36%。

引言

随着全球能源需求的持续增长，清洁且成本效益高的光伏（PV）发电技术在全球能源结构中发挥着越来越重要的作用。根据国际能源署（IEA）的数据，预计2024-2030年间全球光伏系统的装机容量将增加5500吉瓦，是2017-2023年期间增长量的三倍[1]。

光伏系统被部署在各种复杂环境中以满足日益增长的容量需求，这些环境包括沙漠[2]、城市屋顶[3]、湖泊[4]和公路斜坡[5]等。然而，附近植被、建筑物、灰尘或积雪造成的部分遮挡已成为一个不可避免且普遍存在的问题[6]。部分遮挡会显著降低PV模块的输出性能，因为被遮挡的电池接收到的入射辐照度减少。不同遮挡模式下PV模块的输出性能也有所不同[7]。例如，当模块中单个电池的50%被完全遮挡（遮挡面积小于模块总面积的1%）时，其输出性能下降超过30%[8]。实验表明，在单个电池100%被遮挡的情况下，PV模块的功率输出可减少80%[9]。除了遮挡面积的比例外，阴影分布模式也对PV模块的功率输出有显著影响。例如，Benjamin等人发现，与纵向阴影分布相比，横向阴影分布下PV模块的输出性能下降更为严重，全电池模块的功率下降幅度大于半切电池模块[10]。

部分遮挡导致电池之间的电性能不匹配，从而形成热点并使PV模块部分过热[11]。热点温度与遮挡几何形状之间存在强相关性[12]。Hong等人对特定类型PV模块进行的实验表明，当单个电池的遮挡比例为40%-60%时，模块表面温度可达到108℃，远超过模块的正常工作温度[13]。然而，这一热点温度值并非普遍适用，因为它强烈依赖于太阳能电池技术、电池切割方式和模块互连方案。Reichel等人通过仿真比较了PERC、TOPCon和SHJ太阳能电池的非均匀温度场，结果显示SHJ和TOPCon太阳能电池的热点温度高于PERC太阳能电池[14]。Qian等人发现IBC太阳能电池的热点温度低于传统单晶硅（mono-c-Si）太阳能电池[15]。在极端气候条件下，PERC太阳能电池的长期可靠性优于SHJ和TOPCon太阳能电池[16]。此外，全电池模块的热点温度高于半电池模块[17]，这一点也得到了实验的证实[18][19]。瓦片式（shingled）模块的热点温度也高于半电池模块[20]。关于模块互连方案，实验[21]和仿真[22]均表明增加旁路二极管的数量可以降低热点温度。基于此，Hatice系统评估了不同旁路二极管配置策略对热点和功率输出的影响[23]。结果表明，在严重遮挡条件下，增加旁路二极管的数量可以防止热点的形成，并使功率输出提高多达113%。

现有研究表明，热点温度会对PV模块造成不可逆的损伤并加速其老化[24]。Wang等人指出，在辐照度频繁变化的条件下，电池温度会频繁波动，这会导致电池寿命缩短[25]。热点引起的非均匀温度场为长期运行中的各种退化机制提供了有利条件。Vásquez等人指出，PV模块的退化受水解降解、光降解和热机械降解的共同影响，其中热机械降解在所有气候区域都是主导机制[26]。此外，高湿度、盐雾腐蚀和强烈的紫外线辐射等环境因素会加速这些退化过程，缩短PV模块的使用寿命[27]。所有退化机制都与PV模块或太阳能电池结的温度密切相关[28]。这些热诱导机制会导致宏观缺陷，如翘曲、分层和开裂[29]，从而产生局部热应力，最终加速机械退化并缩短PV模块的使用寿命，其严重程度与遮挡引起的热点位置密切相关[6]。

先前的研究表明，部分遮挡导致的电池间电流不匹配会引起温度分布不均匀，而这种不均匀的温度场受太阳能电池技术、电池切割方式和模块互连方案的影响，同时热点引起的局部高温会降低PV模块的功率输出并加速其老化。然而，目前仍缺乏对热点对PV模块长期退化和寿命影响的定量评估。为了解决这一问题，本研究开发了热点PV模块的电热结构耦合模型和基于拓扑的热点PV模块寿命评估方法。该模型的计算结果被用作边界条件，以定量研究PV模块的退化情况，从而能够评估不同阵列拓扑和遮挡场景下的PV模块寿命。

本研究的贡献如下：(1) 提出了一种基于拓扑的热点PV模块寿命评估方法。(2) 开发了热点PV模块的电热结构耦合模型。(3) 定量分析了热点电池的局部高温、局部应力集中和热变形，并定量评估了具有热点的PV模块的寿命。

节片段

实验

本研究构建了一个用于研究部分遮挡对PV模块输出功率、温度场和热机械应变行为影响的实验平台。

方法

晶硅PV电池本质上是具有非对称结构的薄P-N结。如图7所示，由于硅PV电池前后电极的等势性，单个电池内的不同空间区域共享相同的端电压，而产生的光电流则取决于入射辐照度。因此，可以将PV电池等效地划分为多个具有相同面积和物理特性的并行微电池单元。

仿真

使用MATLAB/Simulink和ANSYS开发了一个部分遮挡PV模块的电热结构耦合仿真模型。通过与第2.3节中介绍的部分遮挡PV模块的实验结果进行比较，验证了该模型的准确性。

结果与讨论

遮挡比例是决定热点电池局部过热严重程度的关键因素之一。如图13所示，当单个电池形成热点时，热点温度和热功率随着遮挡比例的增加而先增加后减少。热点的形成主要受PV电池的电工作点控制。在部分遮挡条件下，串联连接的电池中的电流不匹配会导致被遮挡的

结论

本研究通过实验和机理/仿真方法研究了热点对PV模块电气输出特性、温度场、热应力和热应变的影响。基于提出的热点PV模块寿命评估方法，分析了热点分布对PV模块寿命的影响。主要结论如下：

(1)

实验结果表明，电池的部分遮挡会导致I–U和P–U

CRediT作者贡献声明

张鹏宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，研究，概念化。贾晓明：方法论，概念化。张英轩：可视化，研究。卢璐怡：软件。李建兰：监督，方法论，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了国家自然科学基金（资助编号：52475595）的支持。