戶外光伏組件接線盒鼓包失效分析

張棟兵，孟慶法

(無錫市檢驗檢測認證研究院，無錫 214101)

0 引言

近年來，隨著采用高效新技術(shù)的高光電轉(zhuǎn)換效率、高發(fā)電量的光伏組件成為市場主流產(chǎn)品，對于光伏組件的接線盒旁路二極管(下文簡稱為“二極管”)等關(guān)鍵零部件提出了更高要求[1]。在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)中，接線盒作為光伏組件的重要組成部分，主要作用是將光伏組件產(chǎn)生的電力與外部線路連接，傳導產(chǎn)生的電流，其質(zhì)量是否可靠，直接關(guān)系到光伏組件發(fā)電的穩(wěn)定性與連續(xù)性。文獻[2]的研究表明：在實際光伏發(fā)電系統(tǒng)中可能因靜電引起二極管擊穿，從而造成接線盒和光伏組件燒毀。文獻[3]的研究表明：雷電感應過電壓會導致光伏組件二極管擊穿，但需要出現(xiàn)足夠大且持續(xù)時間足夠長的反灌電流，才能燒毀二極管。文獻[4]的研究表明：高額順向電流有很低的概率會造成二極管擊穿，過大電壓沖擊會導致二極管擊穿失效。文獻[5]的研究表明：戶外光伏電站實際運行中會因感應雷擊導致二極管擊穿失效。上述研究主要是針對二極管的擊穿進行分析測試，很少從通過模擬測試來復現(xiàn)相關(guān)現(xiàn)象的角度來開展研究?；诖?，本文以中國西北地區(qū)某戶外光伏電站為例，針對該電站中光伏組件出現(xiàn)的接線盒鼓包情況，拆取正常光伏組件至實驗室進行二極管短路電流下的熱性能、反向電流過載下的熱性能、熱逃逸性能的模擬測試分析。

1 實驗樣品

以中國西北地區(qū)某戶外光伏電站為例，以從該電站拆回的接線盒無鼓包的光伏組件作為實驗樣品，重點進行光伏組件二極管相關(guān)測試分析。該光伏組件的銘牌標稱信息如表1 所示。

表1 光伏組件的銘牌標稱信息Table 1 Nameplate nominal information of PV module

正常與鼓包的光伏組件接線盒的照片如圖1所示。

圖1 正常與鼓包的光伏組件接線盒的照片F(xiàn)ig. 1 Photos of normal and bulging PV module junction boxes

2 測試設計

2.1 短路電流下的熱性能測試

根據(jù)經(jīng)驗分析，接線盒鼓包主要是因為內(nèi)部發(fā)熱引起，因此根據(jù)IEC 61215：2005《Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules ——

Design qualification and type approval》[6]的測試條件，主要模擬測試在不同短路電流下二極管表面的溫度變化情況。但在測試結(jié)束后不再按照該標準進行光伏組件外觀、最大功率和絕緣性能測試，也不再按照標準中的要求進行二極管結(jié)溫、光伏組件功率衰減、絕緣等合格與否的判定，而是僅測試施加不同倍率的短路電流時二極管的發(fā)熱性能。

2.1.2 測試條件

參照IEC 61215：2005[6]，將光伏組件二極管短路，然后將用于溫度測試的熱電偶粘接在二極管表面，蓋上接線盒盒蓋后將待測光伏組件放入環(huán)境箱，加熱光伏組件至75 ℃，對光伏組件二極管分別施加標準條件(1 倍和1.25 倍短路電流)和模擬條件(1.5 倍、2 倍、2.5 倍短路電流)，1 h 后測試每個二極管的表面溫度。

測試時的接線盒連線圖如圖2 所示，測試時的測試條件如表2 所示。

表2 短路電流下熱性能測試時的測試條件Table 2 Test conditions for thermal performance testing under short-circuit current

圖2 測試時的接線盒連線圖Fig. 2 Wiring photo of junction box during testing

2.2 反向電流過載下的熱性能測試

2.2.1 測試內(nèi)容

分別進行不同倍率最大保護電流條件下的反向電流過載測試，評估光伏組件在反向電流過載下的熱性能，判斷是否會發(fā)生起火或燃燒等危險情況。

2.2.2 測試條件

環(huán)氧樹脂混凝土在橋梁工程中的應用前景十分可觀，具有耐久性好、韌性強的特點，且環(huán)氧樹脂混凝土的強度比一般的混凝土強度增長速度快，對于溫度的要求沒有普通混凝土嚴格，在低溫或者常溫下也可以進行固化。環(huán)氧樹脂混凝土是一種有機復合材料，混凝土保留了原有的特性，同時環(huán)氧樹脂混凝土的黏附性很好，是一種適合橋梁快速修補的材料[5]。

參照IEC 61730-2：2004《Photovoltaic(PV)

module safety qualification—— Part 2: requirements for testing》[7]，光伏組件朝下放置在松木板上，背面覆蓋棉花布面織物，短路所有二極管，分別進行標準條件(1.35 倍最大保護電流)和模擬條件(1.5 倍、2 倍、2.5 倍最大保護電流)下的反向電流過載測試，每次測試持續(xù)2 h 后查看光伏組件是否有異常。測試時的測試條件如表3 所示。

表3 反向電流過載下熱性能測試時的測試條件Table 3 Test conditions for thermal performance testing under reverse current overload

2.3 熱逃逸性能測試

2.3.1 測試內(nèi)容

在反向偏置電流增加的情況下，光伏組件二極管溫度會升高，持續(xù)漏電流會造成二極管溫度增加，嚴重時會因為溫升和漏電流造成二極管損壞。本測試是為了驗證二極管工作時是否會出現(xiàn)失效，從而無法恢復其性能。

2.3.2 測試條件

參 照IEC 62979：2017《Photovoltaic modules——Bypass diode：thermal runaway test》[8]進行二極管熱逃逸測試。在室溫下，給二極管施加反向偏壓(即二極管所在光伏組串在標準測試條件下的開路電壓，約12.7 V)，并測量初始反向電流Irev1；給二極管施加正向1.25 倍短路電流，挑選溫度最高的二極管為待測二極管；將待測二極管放入90 ℃環(huán)境箱中，同時給二極管施加正向1.25 倍短路電流，保持40 min；然后在10 ms 內(nèi)給二極管施加同樣的反向偏壓，并觀察被測二極管的反向電流和溫度的變化；最后將二極管樣品從環(huán)境箱中取出，待樣品降至室溫后，施加同樣的反向偏壓，并測量最終的反向電流Irev2。

3 測試結(jié)果分析

3.1 短路電流下熱性能測試的測試結(jié)果分析

不同短路電流下1#～3#二極管的熱性能測試的測試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同短路電流下3 根二極管的熱性能測試的測試結(jié)果Fig. 3 Test results of thermal performance testing of three diodes under different short-circuit currents

從圖3 可以看出：隨著加載電流(Isc、1.25Isc、1.50Isc、2.00Isc、2.50Isc)的增加，二極管表面最高溫度呈現(xiàn)指數(shù)級增長。在施加高倍短路電流(2.50Isc)作用下，3 根二極管表面最高溫度均在190.0 ℃以上，最高達到222.5 ℃，此時二極管引腳均出現(xiàn)發(fā)黑，灌封膠出現(xiàn)熔化和結(jié)晶現(xiàn)象，如圖4 所示。上述測試結(jié)果表明：在2.50Isc作用下，二極管易產(chǎn)生極高溫度，引發(fā)接線盒灌封膠高溫熔化，最終導致接線盒鼓包，嚴重時會出現(xiàn)二極管燒穿，光伏組件燒壞失效的情況。

圖4 2.50Isc 作用下接線盒的內(nèi)部狀況Fig. 4 Internal condition of junction box under action of 2.50Isc

3.2 反向電流過載下熱性能測試的測試結(jié)果分析

分別進行不同倍率最大保護電流(1.35IF、1.50IF、2.00IF、2.50IF)條件下的反向電流過載測試，測試結(jié)果顯示：不同倍率最大保護電流測試后的接線盒能夠正常工作，二極管壓降依舊正常，正向?qū)ǎ聪蚪刂?，也未發(fā)生接線盒鼓包或燒穿現(xiàn)象，性能均合格。2.50IF條件下熱性能測試后的接線盒外觀照片如圖5 所示。

圖5 2.50IF 條件下熱性能測試后的接線盒外觀照片F(xiàn)ig. 5 Appearance photo of junction box after thermal performance testing at 2.50IF condition

上述研究結(jié)果說明：二極管的反向過電流能力滿足標準要求，接線盒鼓包與二極管反向電流過載下的熱性能無直接關(guān)系。

3.3 熱逃逸測試的測試結(jié)果分析

熱逃逸測試后二極管的性能結(jié)果如表4所示。

表4 熱逃逸測試后二極管的性能結(jié)果Table 4 Performance results of diodes after thermal runaway testing

測試結(jié)束后二極管的最終反向電流僅在初始反向電流的1.2～1.4 倍之間，并且二極管功能完好，正向?qū)ǎ聪蚪刂?，沒有發(fā)生燒焦熔化現(xiàn)象，殼體也未損壞，全部符合標準中規(guī)定的“Irev2不應大于5 倍Irev1”的要求。

熱逃逸測試后接線盒的內(nèi)部照片如圖6所示。

圖6 熱逃逸測試后接線盒的內(nèi)部照片F(xiàn)ig. 6 Internal photo of junction box after thermal runaway testing

4 結(jié)論

本文以中國西北地區(qū)某戶外光伏電站為例，針對該電站中光伏組件出現(xiàn)的接線盒鼓包情況，拆取正常光伏組件至實驗室進行了二極管短路電流下的熱性能、反向電流過載下的熱性能、熱逃逸性能的模擬測試分析。測試結(jié)果顯示：

1) 隨著加載的短路電流(Isc、1.25Isc、1.50Isc、2.00Isc、2.50Isc)的增加，二極管表面最高溫度呈現(xiàn)指數(shù)級增長。在施加高倍短路電流(2.50Isc)作用下，二極管表面最高溫度達到222.5 ℃時二極管引腳出現(xiàn)發(fā)黑，灌封膠出現(xiàn)熔化和結(jié)晶現(xiàn)象。

2)反向電流過載模擬測試后接線盒能夠正常工作，二極管壓降依舊正常，未發(fā)生接線盒鼓包或燒穿，說明接線盒鼓包與二極管反向電流過載無直接關(guān)系。

3) 熱逃逸測試后二極管性能仍能滿足相關(guān)國際標準要求。