简述光伏组件热斑耐久试验的主要步骤及其原理
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当某个串联的太阳电池串中存在被遮挡或有 缺陷的太阳电池时，该电池将会被当作负载来消 耗电池串中其他正常接收光照的电池所产生的能 量 [1]，导致该电池的表面温度远高于电池串中其 他正常电池的表面温度，即产生了热斑现象。热 斑现象会严重损坏太阳电池，并会导致光伏组件 局部发热。由于光伏组件内部的太阳电池一般采 用串联结构，为了防止因某块电池产生热斑现象 而导致整个电池串的电流下降，需在组件内部每 隔数个电池串并联 1 个旁路二极管，当发生严重 的光伏组件遮挡情况时，电流会流经旁路二极管 以避开被遮挡的太阳电池，从而确保光伏组件正 常、安全地运行。
其中，对于 A 类太阳电池而言，最严重的热斑现象将发生在并联电阻最小的太阳电池上；对于 B 类太阳电池
而言，最严重的热斑现象将发生在并联电阻最大的太阳电池上。
关键词：光伏组件；热斑现象；试验；原理
中图分类号：TM615
文献标志码：A
0 引言 能源短缺一直是阻碍我国经济发展的主要瓶
颈之一，随着化石能源的日益匮乏及其对环境污 染的不断加重，改变能源结构成为我国长期的战 略目标。为此，我国逐渐减少了对煤炭等化石能 源的使用，并大力开发了各种清洁的可再生能源。 太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源， 光伏发电是其主要的利用方式之一，而光伏组件是 该方式下将太阳能的光能转换为电能的重要设备。
第 09 期 总第 329 期 2021 年 09 月
DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20200702.01
太 阳 能
SOLAR ENERGY
文章编号：1003-0417(2021)09-26-05
No.9 Total No.329 Sept., 2021
简述光伏组件热斑耐久试验的 主要步骤及其原理
光伏组件产生热斑现象的常见原因主要包 括：1) 由光伏组件的生产过程导致。比如，在光 伏组件生产时未严格筛选太阳电池，导致存在太 阳电池黑斑、隐裂及太阳电池串联失配等缺陷， 造成部分太阳电池的光生电流低于太阳电池串正 常状态下的工作电流，存在缺陷的电池被迫反向 消耗功率，导致其温度上升幅度较大，从而产生 热斑现象。2) 在光伏组件运输或安装过程中因外 力造成太阳电池产生裂缝或破碎。3) 光伏电站运 维不到位，存在建筑物、植物、鸟屎或灰尘等遮 挡情况。本文主要针对第 3 种情况进行分析。
图 2 产生热斑的太阳电池的红外图像 Fig. 2 Infrared image of solar cell that produces hot spot
2 产生热斑现象的太阳电池串的电路图 以某厂家生产的晶体硅光伏组件为例。该组
件由 60 片太阳电池组成，每 20 片太阳电池为 1 个太阳电池串，每个太阳电池串并联 1 个旁路二 极管，共 3 个旁路二极管。假设某太阳电池串内 的某片太阳电池全部被遮挡，并由此产生了热斑 现象，现对该太阳电池串的电路情况进行分析。 由于被遮挡的太阳电池与剩余的太阳电池属于 串联关系，因此将 19 片未被遮挡的太阳电池等 效视为 1 个电源，用 S19 表示；被遮挡的 1 片太 阳电池用 S 遮表示。该太阳电池串的电路图如图 3 所示。图中：Imp 为光伏组件的最大功率点电 流；Ud 为旁路二极管的两端电压；Rs19、Rsh19 分 别为 S19 的等效串联电阻和等效并联电阻；Rs 遮、 Rsh 遮分别为 S 遮的等效串联电阻和等效并联电阻； ψ1、ψ2、ψ3、ψ4 分别为太阳电池内的各点电势， 对于正常状态的太阳电池，其电势升高方向应与 内部的电流方向一致，即 ψ4 > ψ3，但由于 S 遮相 当于负载，因此该电池电势升高方向与内部的电 流方向相反，即 ψ1 > ψ2。
仲政祥 *，胡晋荣，卢 杰，陈 栋，陈 勇
( 中认南信检测技术有限公司，南京 210023)
摘 要：光伏组件的热斑现象较为普遍，但 IEC 等相关标准仅对光伏组件热斑耐久试验的步骤进行了介绍，
导致初步接触该试验的人员很难理解采用这些步骤的原因。基于此，在简述热斑耐久试验主要步骤的同时，
揭示了各个操作步骤的原理。将光伏组件采用的太阳电池根据其特性分为“A 类太阳电池”和“B 类太阳电池”，
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第9期
仲政祥等：简述光伏组件热斑耐久试验的主要步骤及其原理
学术研究
会对光伏组件的工作温度产生影响；而被光伏组 件吸收的太阳光中，一部分是用于光电转换，另 一部分则会产生热量，使光伏组件的工作温度上 升。在风速一定的情况下，正常工作的光伏组件 的背面温度与环境温度之间的差值大小一般仅与 太阳辐照度有关，且二者呈线性关系。通常，光 伏组件并网时的背面温度应比其处于开路状态时 的背面温度低。
集中式和分布式光伏电站。之后，随着国内光伏 补贴的减少及光伏扶贫工作的开展，工商业屋顶 光伏电站及扶贫光伏电站逐渐成为国内光伏行业 发展的主流，但由于这 2 类光伏电站的业主均不 具备相应的光伏电站运维知识，电站中常存在建 筑物、植物、灰尘等遮挡光伏组件的情况，进而 导致被遮挡的光伏组件产生热斑现象。而热斑现 象若长期得不到解决，轻则会造成光伏组件的性 能衰减，重则会引发火灾。基于此，本文首先对 光伏组件热斑现象的产生原因进行了分析，然后 针对产生热斑后光伏组件中太阳电池串的电路情 况进行了研究，并阐述了通过热斑耐久试验寻找 光伏组件中发生最严重热斑现象的太阳电池的方 法及确定热斑现象最严重的光伏组件遮挡方式。
运行的光伏组件被遮挡的实物图如图 1 所 示，被遮挡的光伏组件内某块太阳电池产生热斑 后的红外图像如图 2 所示。结合图 1、图 2 可知， 光伏组件被遮挡后，受到遮挡的太阳电池极有可 能会产生热斑。
图 1 运行的光伏组件被遮挡的实物图 Fig.1 Photo of operating PV module being shaded
1 热斑现象的产生原因 照射在光伏组件上的太阳光一部分会被吸
收，而另一部分会被反射，反射的太阳光基本不
收稿日期：2020-07-02 基金项目：光伏电站中组件电压致衰减室内评测方法及ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ置研究 (ZY201914) 通信作者：仲政祥 (1982—)，男，硕士、中级工程师，主要从事光伏电站及光伏组件检测方法方面的研究。zhongzhengxiang@
在我国，以无锡尚德太阳能电力有限公司为 代表的光伏企业自 2004 年之后如雨后春笋般的 出现并迅速发展，2008 年我国光伏组件的出货 量达到全球第一，其中 90% 的光伏组件出口至 国外。但随着 2011 年欧洲光伏补贴的减少及美 国对我国光伏组件实施的“双反”政策，国内光 伏企业举步维艰；随后国家与地方政府均出台了 各种优惠及补贴政策，促进了我国国内光伏电站 的建设，从西部地区到东部地区逐渐建设了各种
其中，对于 A 类太阳电池而言，最严重的热斑现象将发生在并联电阻最小的太阳电池上；对于 B 类太阳电池
而言，最严重的热斑现象将发生在并联电阻最大的太阳电池上。
关键词：光伏组件；热斑现象；试验；原理
中图分类号：TM615
文献标志码：A
0 引言 能源短缺一直是阻碍我国经济发展的主要瓶
颈之一，随着化石能源的日益匮乏及其对环境污 染的不断加重，改变能源结构成为我国长期的战 略目标。为此，我国逐渐减少了对煤炭等化石能 源的使用，并大力开发了各种清洁的可再生能源。 太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源， 光伏发电是其主要的利用方式之一，而光伏组件是 该方式下将太阳能的光能转换为电能的重要设备。
第 09 期 总第 329 期 2021 年 09 月
DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20200702.01
太 阳 能
SOLAR ENERGY
文章编号：1003-0417(2021)09-26-05
No.9 Total No.329 Sept., 2021
简述光伏组件热斑耐久试验的 主要步骤及其原理
光伏组件产生热斑现象的常见原因主要包 括：1) 由光伏组件的生产过程导致。比如，在光 伏组件生产时未严格筛选太阳电池，导致存在太 阳电池黑斑、隐裂及太阳电池串联失配等缺陷， 造成部分太阳电池的光生电流低于太阳电池串正 常状态下的工作电流，存在缺陷的电池被迫反向 消耗功率，导致其温度上升幅度较大，从而产生 热斑现象。2) 在光伏组件运输或安装过程中因外 力造成太阳电池产生裂缝或破碎。3) 光伏电站运 维不到位，存在建筑物、植物、鸟屎或灰尘等遮 挡情况。本文主要针对第 3 种情况进行分析。
图 2 产生热斑的太阳电池的红外图像 Fig. 2 Infrared image of solar cell that produces hot spot
2 产生热斑现象的太阳电池串的电路图 以某厂家生产的晶体硅光伏组件为例。该组
件由 60 片太阳电池组成，每 20 片太阳电池为 1 个太阳电池串，每个太阳电池串并联 1 个旁路二 极管，共 3 个旁路二极管。假设某太阳电池串内 的某片太阳电池全部被遮挡，并由此产生了热斑 现象，现对该太阳电池串的电路情况进行分析。 由于被遮挡的太阳电池与剩余的太阳电池属于 串联关系，因此将 19 片未被遮挡的太阳电池等 效视为 1 个电源，用 S19 表示；被遮挡的 1 片太 阳电池用 S 遮表示。该太阳电池串的电路图如图 3 所示。图中：Imp 为光伏组件的最大功率点电 流；Ud 为旁路二极管的两端电压；Rs19、Rsh19 分 别为 S19 的等效串联电阻和等效并联电阻；Rs 遮、 Rsh 遮分别为 S 遮的等效串联电阻和等效并联电阻； ψ1、ψ2、ψ3、ψ4 分别为太阳电池内的各点电势， 对于正常状态的太阳电池，其电势升高方向应与 内部的电流方向一致，即 ψ4 > ψ3，但由于 S 遮相 当于负载，因此该电池电势升高方向与内部的电 流方向相反，即 ψ1 > ψ2。
仲政祥 *，胡晋荣，卢 杰，陈 栋，陈 勇
( 中认南信检测技术有限公司，南京 210023)
摘 要：光伏组件的热斑现象较为普遍，但 IEC 等相关标准仅对光伏组件热斑耐久试验的步骤进行了介绍，
导致初步接触该试验的人员很难理解采用这些步骤的原因。基于此，在简述热斑耐久试验主要步骤的同时，
揭示了各个操作步骤的原理。将光伏组件采用的太阳电池根据其特性分为“A 类太阳电池”和“B 类太阳电池”，
26
第9期
仲政祥等：简述光伏组件热斑耐久试验的主要步骤及其原理
学术研究
会对光伏组件的工作温度产生影响；而被光伏组 件吸收的太阳光中，一部分是用于光电转换，另 一部分则会产生热量，使光伏组件的工作温度上 升。在风速一定的情况下，正常工作的光伏组件 的背面温度与环境温度之间的差值大小一般仅与 太阳辐照度有关，且二者呈线性关系。通常，光 伏组件并网时的背面温度应比其处于开路状态时 的背面温度低。
集中式和分布式光伏电站。之后，随着国内光伏 补贴的减少及光伏扶贫工作的开展，工商业屋顶 光伏电站及扶贫光伏电站逐渐成为国内光伏行业 发展的主流，但由于这 2 类光伏电站的业主均不 具备相应的光伏电站运维知识，电站中常存在建 筑物、植物、灰尘等遮挡光伏组件的情况，进而 导致被遮挡的光伏组件产生热斑现象。而热斑现 象若长期得不到解决，轻则会造成光伏组件的性 能衰减，重则会引发火灾。基于此，本文首先对 光伏组件热斑现象的产生原因进行了分析，然后 针对产生热斑后光伏组件中太阳电池串的电路情 况进行了研究，并阐述了通过热斑耐久试验寻找 光伏组件中发生最严重热斑现象的太阳电池的方 法及确定热斑现象最严重的光伏组件遮挡方式。
运行的光伏组件被遮挡的实物图如图 1 所 示，被遮挡的光伏组件内某块太阳电池产生热斑 后的红外图像如图 2 所示。结合图 1、图 2 可知， 光伏组件被遮挡后，受到遮挡的太阳电池极有可 能会产生热斑。
图 1 运行的光伏组件被遮挡的实物图 Fig.1 Photo of operating PV module being shaded
1 热斑现象的产生原因 照射在光伏组件上的太阳光一部分会被吸
收，而另一部分会被反射，反射的太阳光基本不
收稿日期：2020-07-02 基金项目：光伏电站中组件电压致衰减室内评测方法及ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ置研究 (ZY201914) 通信作者：仲政祥 (1982—)，男，硕士、中级工程师，主要从事光伏电站及光伏组件检测方法方面的研究。zhongzhengxiang@
在我国，以无锡尚德太阳能电力有限公司为 代表的光伏企业自 2004 年之后如雨后春笋般的 出现并迅速发展，2008 年我国光伏组件的出货 量达到全球第一，其中 90% 的光伏组件出口至 国外。但随着 2011 年欧洲光伏补贴的减少及美 国对我国光伏组件实施的“双反”政策，国内光 伏企业举步维艰；随后国家与地方政府均出台了 各种优惠及补贴政策，促进了我国国内光伏电站 的建设，从西部地区到东部地区逐渐建设了各种