[发明专利]太阳能面板中热点的检测与防止

说明书

相关申请案交叉参考

本申请案与轲纳罕(Kernahan)等人在2008年4月2日提交的第12/061,025号共同拥有的美国专利申请案相关，所述申请案以全文并入本文中。

背景技术

太阳能面板的制造者预期太阳能面板能持续至少二十五年。为实现此长寿命而待处理的许多寿命限制条件之一是面板上的热点。热点可由于归因于所产生的热导致对面板的损坏及/或归因于扩散老化对面板电池材料的较长期降解而限制寿命。故障模式包含电池中的熔化的焊料接点、引脚孔或开路及对面板外壳的损坏。热点的一些原因为制造相关的，例如太阳能电池的组装缺陷、不合标准的材料、污染及始终存在的制造变化。虽然面板可能已制造有若干缺陷，但其很可能使用达延长的时间，但少于预期的时间。其它原因是制造商或安装员所不能控制的。举例来说，面板中的一些电池可归因于局部区域中的部分荫蔽、灰尘或鸟粪、跨越面板的温度变化及不同电池之间扩散区的不均匀老化而被暴露于比其它电池多或少的太阳光。

可通过使用旁路二极管来规避热点加热的破坏效应。旁路二极管是并联但以相反极性连接到太阳能电池。在正常操作下，每一太阳能电池将被正向偏置且因此旁路二极管将被反向偏置且实际上将成为开路。然而，如果太阳能电池归因于数个串联连接的电池之间的短路电流的不匹配而被反向偏置，那么旁路二极管便导通，借此允许来自良好太阳能电池的电流在外部电路中流动而非正向偏置每一良好电池。跨越不良电池的最大反向偏置由旁路二极管减小到约单个二极管压降，因此限制所述电流并防止热点加热。

图1中展示太阳能面板的典型电路模型。为清晰地解释起见，实例仅为两个串联的电池。很明显，典型的面板具有多得多的串联电池以形成“串”，且一些面板具有多个并联的串。在图1的模型中，将每一太阳能电池建模为与经反向偏置二极管并联的电流源。图1的实例包含与电池104串联的电池102，其分别具有旁路二极管110、112。在暴露于充足光时，所述模型的电流由光电二极管106、108产生。考虑与在功率容量上相等及不相等的太阳能电池相关的四种情况，每一情况呈开路及短路配置。在短路条件中且在匹配的电池的情况下，跨越太阳能电池及旁路二极管两者的电压为零；所述旁路二极管不具有影响。在开路时(还在匹配的电池的情况下)，来自每一电池的短路电流正向偏置所述电池。旁路二极管被反向偏置且同样对电路不具有影响。

现在假定电池104被荫蔽，因此具有比电池102的功率提供容量小的功率提供容量。对于短路条件，一些电流从电池102流动，从而正向偏置电池102。旁路二极管110同样被反向偏置且不具有影响。良好电池102的电压正向偏置弱电池104的旁路二极管112，从而导致其传导电流。经荫蔽电池104自身通过近似约-.5伏的二极管压降反向偏置。对于第四条件，即，弱电池104及开路，经荫蔽电池104具有减小的电压。旁路二极管110、112被反向偏置且不具有影响。

然而，实际上，每太阳能电池一个旁路二极管通常为太昂贵且替代地旁路二极管通常跨越太阳能电池群组放置。跨越经荫蔽或低电流太阳能电池的电压等于共享相同旁路二极管的其它串联电池的正向偏置电压加上所述旁路二极管的电压。跨越未经荫蔽太阳能电池的电压取决于对低电流电池的荫蔽程度。举例来说，如果电池被完全荫蔽，那么未经荫蔽太阳能电池将由其短路电流正向偏置且电压将为约0.6V。如果不良电池仅被部分地荫蔽，那么来自良好电池的电流中的一些电流可流动穿过电路，且剩余部分用于正向偏置每一太阳能电池结，从而导致跨越每一电池的较低正向偏置电压。经荫蔽电池中的最大功率耗散近似等于群组中的所有电池的发电能力。在不导致损坏的情况下，每二极管的最大群组大小为约15个电池/旁路二极管(针对硅电池)。因此，对于正常的36电池模块，使用2个旁路二极管以确保所述模块将不易于受到“热点”损坏。

现在考虑典型的太阳能面板配置及对部分荫蔽的响应。具有串联连接的25个模块的集合在11.23A或5,250W下形成467.5V的标称Vmpp。假定每一模块由各自具有38个电池的三个串构造而成(在492mV、3.743A下的mpp)且连接每一串的顶部、中间与底部。在中间到顶部及中间到底部之间是旁路二极管(Vf 410mV)。如果一个电池被荫蔽或弄污达其电流下降374mA或374mA以上(10％)的程度，那么将通过对所述串的MPPT扫描来找出两个候选操作点：

在10.853A或5,075W下的近似467.5V，或

在11.230A或5,140W下的近似457.7V