基于熱像儀的太陽能電池故障診斷

趙雪 楊晨 夏晨蹊 丁召

摘 要：太陽能電池作為目前使用最為廣泛的發(fā)電裝置，保障其高效工作對整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)十分重要。在使用過程中如果出現(xiàn)故障會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)工作效率降低，因此對其故障的診斷具有應(yīng)用價(jià)值。本文利用熱像儀成像技術(shù)對太陽能電池?zé)岚?、破碎、焊帶的斷裂三種常見故障進(jìn)行診斷分析，另外使用源表對其輸出電流進(jìn)行測量。以正常太陽能電池的熱像儀圖像和電流-電壓特性曲線為標(biāo)準(zhǔn)，將常見的三種故障電池與正常電池的熱像儀圖像和電學(xué)特性對比分析，通過此方法診斷太陽能電池的故障。研究表明常見故障電池的熱像儀圖像出現(xiàn)明亮區(qū)域、藍(lán)色區(qū)域、顏色分區(qū)和斷層現(xiàn)象。測量的結(jié)果表明故障的太陽能電池板導(dǎo)致其輸出的電流減小，本文測量減小的范圍33%到58%。本文通過熱像儀技術(shù)診斷出太陽能電能電池板的常見故障。

關(guān)鍵詞：太陽能電池板;故障;診斷

中圖分類號(hào)：TN315.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

太陽能電池是一種綠色新能源器件，在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用越來越廣泛 [1]，但在使用過程中各種故障都降低其工作的效率，比如目前比較常見的故障為太陽能電池的破碎、表面焊帶的斷裂和內(nèi)部缺陷等[2]。因此，有必要對工作的太陽能電池進(jìn)行故障診斷和電學(xué)分析。

在光伏系統(tǒng)中太陽能電池?cái)?shù)目多，采用直接對其進(jìn)行測量適用于工業(yè)生產(chǎn)級(jí)。例如，當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)界對于太陽能電池故障診斷的方法是目視檢測及伏安特性曲線，這種檢測方法能夠很好地診斷出生產(chǎn)中導(dǎo)致的故障，但不適用于戶外工作的電池檢測。研究者為了診斷在實(shí)際工作中的故障，理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，處于不同工作狀態(tài)下的太陽

能電池的表面溫度明顯的不同[3]。紅外熱成像系統(tǒng)提供了一種可以區(qū)分物體不同溫度分布的方法，這種方法可以用于太陽能電池的故障檢測。王培珍等利用對太陽能電池陣列進(jìn)行故障檢測[4]。程澤等[5]根據(jù)故障狀態(tài)下太陽能電池陣列的電流和電壓的變化對其進(jìn)行診斷，但是檢測方法受到環(huán)境限制。魯偉明等[6]用熱像技術(shù)對太陽能電池的無損檢測。本文結(jié)合已有紅外熱成像檢測技術(shù)對太陽能電池在工作一段時(shí)間后的故障進(jìn)行診斷并結(jié)合故障太陽能電池電流和電壓的改變。診斷的方法是分析正常和故障的太陽能電池板的熱像儀圖像差異，通過熱像儀圖像判斷是否出現(xiàn)故障及故障類型。測試其電流和電壓曲線，分析了故障對太陽能電池的影響。

1 太陽能電池工作原理和等效電路

1.1 工作原理

太陽能電池板主要是指將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電壓的元器件。太陽能電池板的發(fā)電原理被稱為光伏效應(yīng)[7]。在光照條件下，半導(dǎo)體PN結(jié)內(nèi)建電場將光照產(chǎn)生的電子、空穴掃到內(nèi)建電場的兩側(cè)，在內(nèi)建電壓的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)光生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。通過這種現(xiàn)象將光子轉(zhuǎn)化為電子，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。目前太陽能電池板主要分為單晶硅太陽能電池板、多晶硅太陽能電池板、非晶硅太陽能電池[8]。單晶硅、多晶硅太陽能電池板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括PN結(jié)、電池板表面的正極和負(fù)極、反射層、表面鈍化層等[9]。本文研究的太陽電池板也主要是單晶硅太陽能電池板。

1.2 等效電路圖

太陽能電池板的等效電路是研究太陽能電池板的工作特性和性能的基礎(chǔ)[10]。太陽能電池板在工作時(shí)的等效電路如圖1所示[11]。太陽能電池板等效電路中各種參數(shù)會(huì)直接影響太陽能電池板I-V特殊性和太陽能電池工作時(shí)的表面的溫度產(chǎn)生影響。有缺陷的太陽能電池板在工作時(shí)等效電路中的電子元件的參數(shù)會(huì)發(fā)生明顯的變化。電子元件的參數(shù)的變化會(huì)直接導(dǎo)致太陽能電池板的I-V特性曲線發(fā)生變化和太陽能電池板的表面的溫度發(fā)生變化。

2 太陽能電池的分電流和紅外熱成像技術(shù)

2.1 分電流

太陽能電池板的并聯(lián)電阻改變對其輸出特性、轉(zhuǎn)換效率和輸出功率都有直接的影響。在理想的情況下和沒有任何材料缺陷的太陽能電池板通常認(rèn)為太陽能電池板的并聯(lián)電阻是接近于無窮大的，此時(shí)的太陽能電池板的分流電流接近于零[13]。太陽能電池板在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)技術(shù)的限制使得太陽能電池板內(nèi)部的原子排列發(fā)生位錯(cuò)，這樣會(huì)導(dǎo)致太陽能電池板的并聯(lián)電阻減小，其分流電流增加[14]。太陽能電池板在生產(chǎn)過程中工藝的問題會(huì)使太陽能電池板的并聯(lián)電阻減小分流電流增加。太陽能電池板在使用過程中外界環(huán)境的影響會(huì)使其內(nèi)部存在缺陷。缺陷的存在也會(huì)使太陽能電池板的并聯(lián)電阻減小和串聯(lián)電阻增加從而產(chǎn)生分流電流。如果太陽能電池板的內(nèi)部存在分流電流，那么存在分流電流的區(qū)域相比于其他區(qū)域溫度較高。

2.2 紅外熱成像技術(shù)

紅外熱成像通過運(yùn)用光電技術(shù)檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號(hào)，將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供人類視覺分辨的圖像和圖形，并通過進(jìn)一步計(jì)算得出不同位置的溫度分布情況。太陽能電池板在接受到太陽光照時(shí)，將接受到的光能轉(zhuǎn)換電能的同時(shí)會(huì)向周圍的環(huán)境輻射熱能，通過熱像儀可以觀察太陽能電池板在工作的時(shí)候其表面溫度分布[15]。

熱像儀能夠清晰地顯示太陽能電池板中各個(gè)部分溫度的情況。如果電池表面出現(xiàn)比較高或者比較低的溫度能夠通過熱像儀顯示出來。太陽能電池板的熱區(qū)在熱像儀圖像中會(huì)顯示為高溫區(qū)域，焊帶斷裂在熱像儀中能夠比較清晰看出焊帶的斷開。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 正常太陽能電池板

太陽能電池板放置于測試平臺(tái)上，沒有對其進(jìn)行LED燈照射，其熱像儀圖像如圖3所示。通過測試結(jié)果可以看出太陽能電池表面的顏色和其周圍的顏色一致，這表明電池在開始工作時(shí)候的溫度分布很均勻并且和周圍環(huán)境溫度一致。太陽能電池板在光功率為1000 W/m2的LED照射一段時(shí)間后的熱像儀圖像如圖4所示。測試的熱像儀圖像表明正常太陽能電池板在工作后一段時(shí)間后其表面趨于穩(wěn)定且各個(gè)部分無明顯差異，如圖4中的標(biāo)注2，中間有黃色的條形狀區(qū)域?yàn)楹笌В鐖D4中的標(biāo)注1。通過測試的熱像儀圖像表明正常太陽能電池板在工作后一段時(shí)間后其表面的溫度分布比較均勻，但是焊帶區(qū)域與其他差異存在差異，這是由于焊帶材料與太陽能電池板的材料不同導(dǎo)致。

3.2 存在熱區(qū)太陽能電池板

太陽能電池板在光功率為1000 W/m2的LED照射下太陽能電池板表面的溫度逐漸上升，在過一段時(shí)間后太陽能電池板的表面的溫度達(dá)到穩(wěn)定，其表面的熱像儀圖像如圖6所示。從圖6中可以看出太陽能電池板表面的最高溫度為50.6度，另外其表面溫度趨于穩(wěn)定。在太陽能電池板熱像儀圖片中出現(xiàn)了白色區(qū)域如圖6標(biāo)注區(qū)域，該區(qū)域的溫度為50.6度，該區(qū)域的溫度明顯高于其他區(qū)域，表示該區(qū)為太陽能電池板的熱區(qū)。熱區(qū)的存在表明太陽能電池在該區(qū)域存在缺陷。

存在熱區(qū)的太陽能電池的電流-電壓特性曲線如圖7所示。由圖7可以看出該太陽能電池板的短路電流為0.4A，開路減小。將存在熱區(qū)的太陽能電池板與正常電池的電流電壓特性進(jìn)行比較，存在熱區(qū)的太陽能電池板的輸出電流了減小0.2A，表明太陽能電池板的熱區(qū)會(huì)直接影響其工作時(shí)的輸出。

3.3 破碎的太陽能電池板

破碎的太陽能電池板在光功率為1000 W/m2的LED照射一段時(shí)間后其表面溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，太陽能電池板的表面的熱像儀圖像如圖8所示。由圖8可以看出太陽能電池板表面的最高溫度為50.7度，其表面上出現(xiàn)了藍(lán)色區(qū)域，如圖8標(biāo)注1，通過溫度顯示表明該區(qū)域的溫度比其他區(qū)域的溫度要低，該區(qū)域的溫度與放置太陽能電池板的底盤的溫度很接近。太陽能電池表面出現(xiàn)的，低溫區(qū)域表明其表面出現(xiàn)了破碎。另外在太陽能電池?zé)嵯駜x圖像可以看出很明顯的顏色劃分，如圖8中標(biāo)注2區(qū)域。在無裂痕的正常工作的太陽能電池?zé)嵯駜x圖像中，太陽能電池表面各個(gè)區(qū)域溫度相等，不會(huì)出現(xiàn)低溫區(qū)域與高溫區(qū)域互相分離的現(xiàn)象。

破碎的太陽能電池板的電流-電壓特性曲線如圖9所示。由圖9可以看出太陽能電池板的短路電流為0.25 A，開路電壓為0.55 V。將圖9與圖5進(jìn)行比較，破碎的太陽能電池板的輸出電流比正常的太陽能電池板減小了50%。

3.4 焊帶斷裂的太陽能電池板

焊帶斷裂的太陽能電池板在光功率1000 W/m2的LED照射一段時(shí)間后其熱像儀圖像如圖10所示。太陽能電池在照射一段時(shí)間后，其表面的最高溫度為49.8度。如圖10中所示，太陽能電池板表面的溫度趨于穩(wěn)定。從圖中可以看出太陽能電池板表面焊帶的熱像儀圖像發(fā)生了明顯斷開，如圖10標(biāo)注所示，表示了其表面的焊帶發(fā)生了斷裂。

實(shí)驗(yàn)選取了四類太陽能電池板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為正常電池、存在熱斑的電池、破碎的電池和焊帶斷裂的電池。最后實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：正常電池工作時(shí)，表面的溫度分布均勻，并且其輸出的電流符合標(biāo)準(zhǔn)的電流電壓特性曲線。故障電池的熱像儀圖像出現(xiàn)明亮區(qū)域、藍(lán)色區(qū)域、顏色分區(qū)和斷層，另外故障電池的輸出電流出現(xiàn)不同程度的減小。根據(jù)輸出電流的減小驗(yàn)證熱像儀技術(shù)用于診斷電池故障的可行性。

4 結(jié)語

熱像儀技術(shù)可以用于診斷太陽能電池的故障。正常電池的表面的溫度分布均勻，熱像儀圖像中焊帶熱像儀圖像顏色為黃色條狀。電池?zé)嵯駜x圖像有明亮區(qū)域表示該電池存在熱斑。電池的熱像儀圖像存在藍(lán)色區(qū)域和顏色分區(qū)表示該電池為破碎電池。電池的熱像儀圖像的黃色條狀區(qū)域出現(xiàn)斷層表示電池的焊帶發(fā)生斷裂。如果太陽能電池的熱像儀圖像出現(xiàn)這些現(xiàn)象，表明電池出現(xiàn)故障。太陽能電池的故障直接導(dǎo)致其輸出的電流減小。本文中熱斑導(dǎo)致電池的輸出電流減小33%，破碎導(dǎo)致電池的輸出電流減小50%，焊帶的斷裂導(dǎo)致電池的輸出電流減小58%。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）