1.引言

　　隨著電池、組件效率持續(xù)突破，大尺寸、高電壓的高功率組件遍地開花，電氣安全已然成為光伏電站的重大挑戰(zhàn)。光伏組件的串并聯(lián)特性決定了其發(fā)電能力和運行安全直接受局部受光不均引發(fā)的高溫?zé)岚哂绊憽?/p>

　　愛旭ABC太陽電池由于自身獨特優(yōu)異的結(jié)構(gòu)設(shè)計，相較常規(guī)組件可以在電池層面引入“類旁路二極管”，使其具備更靈敏的熱斑感知能力與更穩(wěn)健出眾的抗熱斑屬性。ABC組件抗熱斑能力的巧妙設(shè)計與常規(guī)組件抗熱斑機(jī)制不同，本文將從防熱斑背景、機(jī)制和抗遮擋實證案例等多角度來展示ABC組件的防熱斑性能。

　　2.光伏組件熱斑成因及為何要防熱斑

　　當(dāng)光伏組件中的某個電池被陰影（如樹葉、灰塵、積雪等）部分遮擋，或電池本身出現(xiàn)破損、老化時，該電池的發(fā)電能力會顯著下降。在組件的串聯(lián)電路中，所有電池的電流必須一致。若某個受遮擋/受損電池?zé)o法產(chǎn)生與其他電池相同的電流，它會被迫處于反向偏置狀態(tài)（相當(dāng)于被施加反向電壓），從發(fā)電單元變?yōu)樨?fù)載單元。該串聯(lián)回路的電流流經(jīng)反向偏置的電池時，電能會以熱量的形式大量耗散，導(dǎo)致該區(qū)域溫度急劇升高（超過100℃），形成熱斑。

　　光伏組件產(chǎn)生熱斑將會引入以下后果：

　　a)組件損壞：熱斑效應(yīng)嚴(yán)重的地方局部溫度非常高，甚至超過硅基材料pn 結(jié)結(jié)溫150℃,導(dǎo)致組件局部區(qū)域燒毀或形成暗斑、焊點融化、封裝材料老化、玻璃自爆、焊帶腐蝕等永久性不可逆破壞，熱斑引起的二極管頻繁啟動也加速接線盒老化，這些不但增加了系統(tǒng)運維成本也給組件的安全使用和25年長期可靠性造成極大隱患。

　　b)功率損失：單塊電池的失效可能迫使整個組串（多個組件串聯(lián)）的電流受限，顯著降低系統(tǒng)發(fā)電量。

　　c)安全隱患：極端情況下，局部高溫增加火災(zāi)風(fēng)險，尤其在屋頂光伏系統(tǒng)中，散熱條件較差，風(fēng)險更高。

　　因此在光伏組件中加入旁路二極管，通過為異常電池/電池串提供電流旁路路徑，有效抑制熱斑效應(yīng)，延長組件壽命并保障系統(tǒng)安全，是光伏設(shè)計中不可或缺的組成部分。

　　3.傳統(tǒng)組件與ABC組件防熱斑機(jī)制的差異

　　·熱斑的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素

　　在陰影遮擋實驗中，電池承受反向偏壓（U），電池上局域存在漏電流（I）形成發(fā)熱，導(dǎo)致漏電區(qū)域溫度上升，散熱功率與發(fā)熱功率等同時，溫度上升停止，形成恒定的熱斑溫度。可以看到熱斑溫度的關(guān)鍵是：漏電區(qū)域局域的發(fā)熱功率P (P=U×I)及散熱功率，其中當(dāng)組件安裝條件、物料搭配相對固定時，其關(guān)鍵因素為降低發(fā)熱功率P，也即降低陰影遮擋時漏電點的承載電壓U或者漏電點的電流大小I。

　　下面是漏電點間隔距離較遠(yuǎn)（黑色）/集中（藍(lán)色）情況下，熱斑溫度與單點發(fā)熱功率的關(guān)系，其中160℃是關(guān)鍵控制點，超過這個溫度組件內(nèi)焊點、膠膜、背板具有高風(fēng)險失效：

　　可以看到隨著單點發(fā)熱功率提升，熱斑溫度提升，當(dāng)發(fā)熱功率達(dá)到8.85 W的時候，熱斑溫度將達(dá)到160℃，如果有多點發(fā)熱且距離較近時，此時相同熱斑溫度對應(yīng)的發(fā)熱功率門檻下降至6.23 W。

　　?傳統(tǒng)組件的技術(shù)方案

　　控制熱斑需要外部集成旁路二極管+降低反向漏電流，控制方向是要讓電池不能出現(xiàn)任何漏電缺陷。

　　例如主流的72版型組件（單片電池開路電壓約0.73 V），集成了3個旁路二極管，每個二極管對應(yīng)保護(hù)24片電池，將單片電池會承受的最高電壓從系統(tǒng)電壓（主流為1000 V/1500 V，假設(shè)單片遮擋情況-整個光伏系統(tǒng)對做該單片電池做功）降低至0.73×（24-1）+1=17.79 V（0.73為電池開路電壓，24-1代表單片遮擋下其余23片電池對其做功，1 V代表旁路二極管的啟動電壓），即將漏電點承載電壓U限制在17.79 V。

　　由于傳統(tǒng)設(shè)計中漏電點無法做到精確控制，且無法識別是單點漏電還是多點漏電，或者是面漏電，所以需要在最高可承受的反向偏壓下，卡控電池的漏電流小于一特定值進(jìn)而使單點發(fā)熱功率小于8.85 W。

　　可以通過簡單的功率公式根據(jù)不同類型的電池技術(shù)的開路電壓進(jìn)行計算，得到各種光伏組件技術(shù)方案在8.85 W發(fā)熱功率限制下漏電質(zhì)量卡控要求：

　　可以清楚地看到：

　　對于54版型組件，需要在12.8-13.8 V的反向偏壓下，卡控漏電流<0.64-0.69 A；

　　對于72版型組件，需要在17-18.3 V的反向偏壓下，卡控漏電流<0.48-0.52 A。

　　目前行業(yè)針對不同組件版型所使用的電池，普遍的卡控要求為:在-12 V反向偏壓下，漏電流<0.5 -1 A,這個針對54小版型的組件熱斑風(fēng)險卡控也有點勉強(qiáng)，對于66、72、78版型則明顯風(fēng)險增加，因為隨著反向偏壓上升，漏電流是指數(shù)式的急劇上升。

　　-12V反向偏壓下的質(zhì)量卡控遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了大版型組件的熱斑風(fēng)險控制要求，但電池工廠也難以主動將卡控標(biāo)準(zhǔn)下的反向偏壓提升至>-17V,因為這樣帶來的后果是良率的大幅下降，傳統(tǒng)組件廠家無法接受，也即意味著低標(biāo)準(zhǔn)低要求的卡控實際上將熱斑風(fēng)險直接轉(zhuǎn)移給了客戶。這個是傳統(tǒng)技術(shù)方案的局限性，其限定了產(chǎn)品更適合做小版型，或者不適合做單玻組件，因為單玻組件的老化對熱斑更為敏感。

　　?ABC組件采用的技術(shù)方案

　　核心思想是通過單片電池集成類旁路二極管，降低電池會面臨的最高反向偏壓U，通過分散類旁路二極管的設(shè)計，使單點的局域漏電流I分?jǐn)偨档停云鸬铰╇姳Ｗo(hù)作用，解決熱斑風(fēng)險。做個簡單的計算：假設(shè)ABC電池（M10）會面臨的最高反方向偏壓U=-5 V，我們分散設(shè)置了50個防熱斑二極管，那么單個發(fā)熱功率就為U×Impp(≈Isc)/50=5 V×14.8 A/50=1.48 W，這將使得熱斑溫度控制在100℃。

　　為什么ABC組件具有抗陰影遮擋功能？這一獨特能力得益于ABC電池的巧妙結(jié)構(gòu)設(shè)計從而使單片電池內(nèi)部集成類旁路二極管。其在電池正常工作條件下基本絕緣，并不影響并聯(lián)電阻（ABC電池的并聯(lián)電阻在1000 Ω以上）及低輻照性能，但在電池受到較大面積陰影遮擋時啟動，作為傳輸通道傳輸電池串的光生電流。

　　傳統(tǒng)組件內(nèi)部通常集成了3個二極管，其作用就是在組件發(fā)生熱斑效應(yīng)的時候?qū)⒈徽趽醪糠謱?yīng)的電池串從電路中短路出去，從而減輕熱斑效應(yīng)帶來的危害。但這種技術(shù)方案同時也帶來了另一個問題：每當(dāng)有二極管啟動，組件的功率損失是以電池串為單位的。也就意味著只要有一片電池被遮擋（遮擋達(dá)到二極管啟動的情況），就會有一串電池?zé)o法進(jìn)入組件的工作電路。解決這個問題，可以增加二極管的數(shù)量，最理想化的就是每一片電池都并聯(lián)一個二極管。這樣的話不論是哪一片電池被遮擋，二極管都只會旁路被遮擋電池，從而最大限度降低因熱斑而帶來的功率損失。這種方法當(dāng)然是不現(xiàn)實的，不可能為一個有概率發(fā)生的熱斑現(xiàn)象而如此不顧成本地為組件裝上幾十上百個二極管。所以在傳統(tǒng)組件中，裝在接線盒里的3個二極管就成了守護(hù)光伏組件熱斑安全的底線。

　　這一窘迫的情境在愛旭2023年底發(fā)布的二代ABC產(chǎn)品后迎刃而解。愛旭二代以后的ABC組件全系均標(biāo)配“陰影發(fā)電優(yōu)化功能”，從字面上來看這個功能就是為了解決組件因陰影遮擋而造成的大量功率損失的問題。同樣的測試條件和遮擋條件下，TOPCon組件因為二極管的啟動導(dǎo)致了對應(yīng)整串電池的旁路，從而使功率衰減了約1/3。而ABC組件只是旁路了被遮擋的那一片電池，電池串上的其他電池仍能夠正常在電路中工作進(jìn)行發(fā)電，所以單片的電池遮擋對ABC組件的功率輸出影響極小。

　　本文分原始場景和四個特征場景來舉例（以集成3個二極管的單塊72版型組件為例進(jìn)行分析，其中假設(shè)傳統(tǒng)組件和ABC組件的電池參數(shù)一致：Voc~0.74 V, Vmpp~0.68 V, Isc~7 A, Impp~6.5 A）。

　　（1）原始場景：組件無遮擋

　　此時：

　　V2-V1=V3-V2=V4-V3=0.68 V×24=16.3 V

　　V6-V5=0.68 V

　　I1=I2=I3=I4=I5=I6=6.5 A

　　I7=I8=I9=0 A，

　　組件電壓：

　　16.3 V×3=48.9 V

　　電流：

　　2×6.5 A=13 A

　　組件功率：

　　48.9×13=635.7 W

　　（2）場景1：單片電池遮擋

　　傳統(tǒng)組件技術(shù)中電池采用低反向漏電卡控方案，該方案接近漏電通道斷路效果。因電池均為低漏電方案，所以其通過的電流最高可上升到Isc值：

　　I1=Isc=7 A

　　當(dāng)p/n結(jié)直接存在缺陷引入點漏電時，-18 V時該漏電點漏電流~3A（I2=3A），此時：

　　I3=I4=I5=I6=6.5 A

　　I7=Isc=6.5 A×2-7 A-3 A=3 A

　　I8=I9=0 A

　　V4-V3≈-1 V

　　V6-V5=-1 V-（0.74V×（24-1））=-18.02 V

　　V3-V2=V2-V1=16.3 V

　　缺陷引入點漏電時，其發(fā)熱功率P=18×3=54 W

　　組件功率：

　?。╒4-V1）×13 A=（-1 V+16.3 V+16.3 V）×13 A=410.8 W

　　功率損失：

　　1-（410.8/635.7）=35.37%

　　對于ABC組件技術(shù)，電池為高反向漏電方案，即采用有一定壓降的旁路二極管。

　　I1=I2=I3=I4=I5=I6=6.5 A（此時V6-V5=-4.4V）

　　當(dāng)p/n結(jié)直接存在缺陷引入點漏電時，-4.4 V時該漏電點漏電流<0.1 A，此時：

　　I7= I8=I9=0 A

　　V4-V3=16.3 V-4.4 V=11.9 V

　　V3-V2=V4-V3=16.3 V

　　缺陷引入點漏電時，其發(fā)熱功率P<4.4×0.1=0.44 W

　　組件功率：

　?。╒4-V1）×13 A=（11.9 V+16.3 V+16.3 V）×13 A=578.5 W

　　功率損失：

　　1-（578.5/635.7）=9.4%（抗陰影遮擋機(jī)理）

　?。?-9.4%）/（1-35.37%）-1=40.2%

　　也即單片遮擋下ABC較TOPCon單瓦發(fā)電量高40.2%。

　　（3）場景2：組件短邊單側(cè)發(fā)生遮擋

　　傳統(tǒng)組件技術(shù)中電池采用低反向漏電卡控方案，該方案接近漏電通道斷路效果。

　　I1=I3=I5=IMPP=6.5 A

　　I7= I8=I9=0 A

　　V4-V3=V3-V2=V2-V1=16.3 V

　　組件功率：

　　(V4-V1) × 6.5 A=(16.3 V+16.3 V+16.3 V) × 6.5A=317.85 W

　　功率損失：

　　1- (317.85/635.7) = 50%

　　簡單結(jié)論：僅為單側(cè)遮擋時，傳統(tǒng)組件最大功率損失為50%。

　　此時，ABC技術(shù)電池等同于三倍場景1，即功率損失為28.2%。

　?。?-28.2%）/（1-50%）-1=43.8%

　　也即ABC較TOPCon單瓦發(fā)電量高43.8%。

　　（4）場景3：組件僅一串電池串未發(fā)生遮擋

　　傳統(tǒng)組件技術(shù)中電池采用低反向漏電卡控方案，該方案接近漏電通道斷路效果。

　　I5=IMPP=6.5 A

　　V4-V2≈-2 V

　　V2-V1=16.3 V

　　組件功率：

　?。╒4-V1）×6.5 A=（-2V+16.3V）×6.5 A=92.95 W，

　　功率損失：

　　1-（92.95/635.7）=85.4%

　　ABC電池等同于場景2，即功率損失為28.2%

　?。?-28.2%）/（1-85.4%）-1=392%

　　即ABC較TOPCon單瓦發(fā)電量高392%。

　　（5）場景4：組件三個串聯(lián)回路均發(fā)生遮擋

　　此時，傳統(tǒng)技術(shù)下組件不發(fā)電。而ABC電池等同于場景2，即功率損失為28.2%，電池按照無遮擋情況下71.8%功率發(fā)電。

　　當(dāng)然如果單串遮擋的電池數(shù)目大于4片時，ABC技術(shù)單純靠電池內(nèi)部集成二極管的抗陰影發(fā)電效果就不如接線盒集成的二極管了，因此ABC組件的抗陰影邏輯是：小陰影遮擋及部分類型中等面積遮擋通過電池集成的二極管抵抗，這個對于離線應(yīng)用、分布式光伏或鳥糞較多的場景尤為重要，因為其遮擋的形式具有多樣性，而集中性大面積陰影遮擋能通過接線盒的二極管抵抗實現(xiàn)最佳的用戶價值。電池集成的類旁路二極管也是一個雙重保障，在外部二極管失效的情況下，組件依然保持優(yōu)秀的抗熱斑效果，避免因任何一個二極管失效引起的系統(tǒng)大面積失效。

　　抗陰影抗熱斑的功能根源是在電池內(nèi)部集成了工作時絕緣、一定反向偏壓下啟動的二極管，這個對電池體內(nèi)傳輸、擴(kuò)散層橫向傳輸、電極橫向傳輸、金屬/半導(dǎo)體接觸電阻均無影響，不存在對串聯(lián)電阻相關(guān)的影響。

　　ABC防熱斑方案采取的漏電流適當(dāng)增大和并聯(lián)電阻適當(dāng)降低會影響ABC組件低輻照性能么？結(jié)論是不會。這一技術(shù)爭辯無論是理論角度的計算模擬[1]以及實驗角度驗證[2]均證實了ABC組件并聯(lián)電阻在1000 Ω之上，不存在低輻照度下性能降低的問題。詳情可參考上述兩篇文章報道。

　　4. ABC組件抗遮擋實證案例分析

　　通過前面詳細(xì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)年U述，ABC組件的抗遮擋屬性在理論層面和實驗演示層面得到了充分的驗證。為進(jìn)一步證實ABC組件抗遮擋功能在高溫抑制防熱斑和功率提升方面的獨特能力，這里展示幾個實證案例。

　　? 高溫抑制防熱斑

　　根據(jù)TüV北德測試，愛旭ABC組件在單片最壞遮擋1h熱斑測試后的ABC組件最高溫度不超過100℃，比TOPCon組件低約近30℃。這就使得ABC組件在戶外陰影遮擋發(fā)生的情況下，不僅具備更高的發(fā)電能力，同時具備更優(yōu)的溫度抑制功能，避免發(fā)生組件因持續(xù)高溫而造成的嚴(yán)重事故。愛旭ABC組件的抗遮擋陰影發(fā)電優(yōu)化功能也獲得了權(quán)威第三方機(jī)構(gòu)TüV 萊茵的認(rèn)可，并受取了TüV萊茵頒發(fā)的全球第一張抗陰影遮擋A級證書。

　　第三方檢測機(jī)構(gòu)的BC光伏組件熱斑測試結(jié)果也同樣顯示了BC組件卓越的抗熱斑性能[3]。

　　? 功率提升

　　· 寧夏銀川（東經(jīng)106°16′，北緯38°27′）

　　12塊標(biāo)稱功率630 W的愛旭ABC雙面雙玻組件和14塊標(biāo)稱功率590 W的TOPCon組件被設(shè)計安裝在了寧夏電力設(shè)計院的樓頂。兩種組件均以固定支架安裝，且在一天的部分時間內(nèi)均存在底部陰影遮擋的情況。在統(tǒng)計的180天有效數(shù)據(jù)期中，愛旭ABC組件穩(wěn)定保持了高發(fā)電性能，單千瓦發(fā)電量較TOPCon組件高7.88%。

　　· 廣東湛江（東經(jīng)109°40′，北緯21°14′）

　　在熱帶季風(fēng)氣候特征鮮明的湛江，ABC雙玻635 W組件對比TOPCon雙玻570 W組件的實證試驗正在進(jìn)行中。試驗分為無遮擋全光照和樹蔭遮擋兩種場景，以對比組件在不同戶外環(huán)境下的實際發(fā)電能力。對比結(jié)果顯示，在存在樹蔭遮擋的實證試驗中，ABC組件較TOPCon組件單千瓦發(fā)電量增益更是高達(dá)12.04%。

　　· 廣東珠海（東經(jīng)113°34′，北緯22°16′）

　　同在南國，終年氣溫較高，屬于熱帶海洋性季風(fēng)氣候的廣東珠海，試驗人員們同樣設(shè)計了2組ABC和TOPCon組件的發(fā)電量對比實證試驗。

　　第1組是在安裝傾角為3°，組件短邊積灰的情況下，經(jīng)過數(shù)據(jù)收集對比，ABC單玻600 W組件較TOPCon單玻580 W組件在測試周期內(nèi)的單千瓦發(fā)電量增益為4.94%。

　　第2組是動態(tài)陰影遮擋后的實際發(fā)電量對比，展現(xiàn)ABC組件和TOPCon組件在模擬煙囪動態(tài)陰影遮擋下的發(fā)電量差異。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，ABC單玻組件較TOPCon單玻組件在測試周期內(nèi)的單千瓦發(fā)電量增益更是達(dá)到了50.72%！

　　5.結(jié)語

　　光伏組件起火事故多集中于工商業(yè)屋頂、高架等場景，高溫暴曬下的設(shè)備老化、線路故障及安裝缺陷成為主要誘因。盡管這些事故未造成人員傷亡，但迅速引發(fā)了公眾的廣泛關(guān)注。頻頻發(fā)生的火災(zāi)事件不僅暴露了光伏組件應(yīng)用的復(fù)雜性，為行業(yè)敲響警鐘，同時也提醒廣大光伏電站的投資者，在投資建設(shè)光伏電站時，不能僅僅看價格和電費，更需要重視光伏系統(tǒng)的安全性和電站防火性。

　　隨著光伏在城市和工商業(yè)領(lǐng)域日益普及，行業(yè)需要加速通過技術(shù)創(chuàng)新和規(guī)范化管理來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，將安全置于首位。作為光伏企業(yè)，增強(qiáng)公眾、業(yè)主對光伏組件起火、防火的正確認(rèn)知和對光伏應(yīng)用的信心，并正確宣傳自身光伏產(chǎn)品的防火能力，既是光伏企業(yè)敬畏科學(xué)、技術(shù)良知的體現(xiàn)，也是企業(yè)踐行社會責(zé)任擔(dān)當(dāng)?shù)恼蔑@。

　　ABC組件由于卓越的抗遮擋、防熱斑能力，或是光伏產(chǎn)業(yè)從“政策驅(qū)動”轉(zhuǎn)向“價值驅(qū)動”的關(guān)鍵節(jié)點。當(dāng)安全不再是企業(yè)的道德考量，而是產(chǎn)品剛需和標(biāo)配，中國光伏才能真正穿越周期，在全球能源轉(zhuǎn)型中確立領(lǐng)跑地位。

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