光伏組件用接線盒

1、1.1 接線盒接線盒是集電氣設(shè)計、機械設(shè)計與材料科學(xué)相結(jié)合的跨領(lǐng)域的綜合性設(shè)計；接線盒充當(dāng)"保鏢"時，它利用二極管自身的性能使得太陽電池組件在遮光、電流失配等其他不利因素發(fā)生時，還能保持其能工作，適當(dāng)降低損失。接線盒的作用一是增強組件的安全性能，二密封組件電流輸出部分（引線部分）三使組件使用更便捷、可靠。一般接線盒由盒蓋、盒體、接線端子、二極管、連接線、連接器幾大部分組成。外殼要具有強烈的抗老化、耐紫外線能力； 符合室外惡劣環(huán)境條件下的使用要求；自鎖功能使連接方式更加便捷、牢固；必須應(yīng)有防水密封設(shè)計、科學(xué)的防觸電絕緣保護(hù)，具有更好的安全性能；接線端子安裝要牢固，與匯流帶有良

2、好的焊接性。二極管分為：旁路二極管和防反沖二極管。二極管的主要功能是單向?qū)üδ?。旁路二極管主要作用是防止組件的熱斑效應(yīng)。在太陽能電池板正常工作時旁路二極管不會起到作用，但當(dāng)遇到熱斑效應(yīng)時，旁路二極管會自動越過該串電池串并與其它電池串相連繼續(xù)工作?，F(xiàn)在我們所使用的旁路二極管主要的作用也就是防止電池片燒掉。防反沖二極管主要作用是組件在沒有光照時防止蓄電池電流倒流。連接器、連接線要具有良好的絕緣性能，公母插頭帶有自鎖功能是太陽能電池板與電氣連接更便捷可靠。1.1.1 接線盒的基本應(yīng)用  目前市場上主流接線盒品種較多，樣式各異，按照與匯流條的連接方式可分為卡接式與焊接式；二者除了

3、與匯流條的連接方式不同外，其結(jié)構(gòu)基本是一致的。常規(guī)型的接線盒基本由以下幾部分構(gòu)成：底座、導(dǎo)電塊、二極管、卡接口/焊接點、密封圈、盒蓋、后罩及配件、連接器、電纜線等，如圖1所示： 一個簡單的接線盒所需要的材料就達(dá)十多種，原材料的性能及使用壽命關(guān)乎著接線盒本身的質(zhì)量，所以接線盒的材料一直受到廠商及組件廠使用者的倍加關(guān)注，表1簡單的例舉了接線盒原材料的材質(zhì)： 接線盒在太陽能電池組件中的作用簡單的來講可以概括為兩點：a)連接和傳輸功能，b)保護(hù)組件；它是一門集電氣設(shè)計、機械設(shè)計和材料科學(xué)相結(jié)合的跨領(lǐng)域的綜合性設(shè)計。太陽能電池組件是通過太陽能電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，而單個組件發(fā)出的電想傳

4、輸?shù)匠潆?、控制系統(tǒng)中去，必須要通過接線盒進(jìn)行傳輸；而且接線盒還是整個太陽能方陣的"紐帶"，將許多組件串聯(lián)在一起形成一個發(fā)電的整體，所以接線盒在太陽能應(yīng)用中的作用是不容忽視的。接線盒還有一個更重要的作用就是保護(hù)組件；當(dāng)陣列中的組件受到烏云、樹枝、鳥糞等其它遮擋物而發(fā)生熱斑時，旁路在組件中的二極管，利用自身的單向?qū)щ娦阅?，將問題電池、電池串旁路掉，保護(hù)整個組件乃至整個陣列，確保能使其保持在必要的工作狀態(tài)，減少不必要的損失。最理想的組件應(yīng)是每片電池都應(yīng)旁路一個二極管，這樣才能保證組件的絕對安全，但是出于成本以及工藝角度，目前為止大家采用是一串電池旁路一個二極管，這樣做是一種簡單有

5、效的辦法。1.1.2 接線盒的性能3.1接線盒性能要求及選型由于接線盒對于組件的重要性，選擇一個合適的接線盒顯得尤為重要；對于一個優(yōu)秀的太陽能電池組件用接線盒必須要具備以下幾點性能要求：a)滿足于室外惡劣環(huán)境條件下的使用要求；b)外殼有強烈的抗老化、耐紫外線能力；c)優(yōu)秀的散熱模式和合理的內(nèi)腔容積來有效降低內(nèi)部溫度，以滿足電氣安全要求；d)良好的防水、防塵保護(hù)為用戶提供安全的連接方案；e)較低的體電阻，以盡可能的減小接線盒帶來的功率損耗；具體的使用要求或指標(biāo)簡單的概括如下所示，表2列出了部分接線盒的性能指標(biāo)，圖2是接線盒測試部件拉力示意圖： 1.1.3 接線盒的選用市場上的接線盒如果

6、想被組件廠商接受的話就必須通過TUV、UL等其他國際知名認(rèn)證機構(gòu)的認(rèn)證，這些認(rèn)證機構(gòu)針對接線盒會有一系列的檢查、測試方法，以確保其滿足客戶的使用要求。組件廠在使用選擇接線盒時，除了要求接線盒已取得TUV、UL等認(rèn)證外，還必須關(guān)注以下方面，才能確保自己找到合適的接線盒：第一，二極管額定電流結(jié)溫測試（旁路二極管熱性能試驗）；由于太陽能電池采用低電壓高電流的模式，對于接線盒中旁路二極管的額定電流就顯得尤為重要；據(jù)不完全統(tǒng)計，接線盒在認(rèn)證測試時僅此一項試驗失敗的就高達(dá)40%，在組件戶外應(yīng)用中，出現(xiàn)接線盒燒毀的現(xiàn)象也屢見不鮮。目前要求二極管的結(jié)溫不能超過200，但是不同二極管之間是有差異的，如果二極管的

7、節(jié)溫過高，不但會導(dǎo)致二極管的本身的損壞和使用壽命的降低，而且會給組件帶來負(fù)面影響，比如EVA脫層、EVA及背板加速老化等其它不良狀況，甚至?xí)鸾M件燒毀現(xiàn)象。所以大家在選擇接線盒時額定電流盡可能的大，結(jié)溫測試溫度越低越好。第二，接線盒體電阻；接線盒由各種金屬、塑料組成，本身會有一定的電阻，外加到組件中去無疑會增加組件的功率損耗，這一會給組件額外增加一部分不必要的功率損失，所以這部分電阻需要越小越好。 接線盒性能測量接線盒在認(rèn)證時會經(jīng)過一系列的安全、性能測試，包括IP測試、拉力測試、旁路二極管熱性能試驗、濕漏電試驗、環(huán)境試驗等其他實驗項目，各標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證機構(gòu)有著非常詳細(xì)的要求規(guī)定，本文不

8、一一敘述，這里著重討論一下旁路二極管熱性能試驗與接線盒體電阻的測試方法。 旁路二極管熱性能試驗按照IEC6121510.18.3的要求進(jìn)行測試試驗，以下是測試某一組件旁路二極管熱性能試驗過程：先測試該組件的電性能，確定Isc為5.53A,并測試二極管的管壓降；前期工作準(zhǔn)備完畢后，將組件放入溫度為75±5的腔室內(nèi)進(jìn)行加溫，并同時通以等于標(biāo)準(zhǔn)測試條件下短路電流±2%的電流；1小時后測試每個二極管的表面溫度，再利用下列方程計算二極管的測試最大結(jié)溫： 二極管結(jié)溫測試后，再增加通以組件電流到標(biāo)準(zhǔn)測試條件下短路電流1.25倍，同時保持組件的溫度在75±5，

9、保持通過組件電流1h，驗證二極管仍能工作，表3是測試過程部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄：  此塊組件的二極管結(jié)溫測試結(jié)果是比較理想的，且通完1.25倍的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下短路電流1小時后，二極管仍能繼續(xù)工作。制作組件時層壓溫度一般設(shè)定為150左右，如果二極管結(jié)溫測試超過170，那可就要當(dāng)心了，若再加上接線盒的散熱性能不好，后果那是相當(dāng)嚴(yán)重的，比如會造成組件材料的封裝退化、加速老化等其他不良現(xiàn)象，組件可能會較早或加速失效，雖然它并沒有超過200。為了避免或減低組件在戶外使用的時候出現(xiàn)接線盒燒毀、組件燒灼的現(xiàn)象（如圖3所示），就必須要關(guān)注此項測試，結(jié)溫測試結(jié)果要盡可能的低。  接線盒體電阻

10、測試如圖4所示，我們模擬組件中的連接方式，將2根同規(guī)格匯流條分別插接在接線盒兩邊的卡接口，并將公母頭短接，用低電阻測試儀測試匯流條兩端電阻。接線盒的實際電阻，為測試電阻減去2根匯流條電阻的差值。這個電阻主要與3部分有關(guān)：接觸電阻、線阻及內(nèi)部金屬電阻； 一般接線盒的體電阻在13m，根據(jù)P=I2R進(jìn)行估算，13m的電阻會給組件帶來近1W的功率損失，但是每個接線盒的體電阻是不一樣的，我們又進(jìn)行了以下試驗：選用3個廠商的接線盒進(jìn)行對比測試，測試3種接線盒的體電阻后，分別連接在同一塊組件層壓件上進(jìn)行電性能測試，表4是測試結(jié)果，組件層壓件的測試功率為248.52W，結(jié)果顯示體電阻小的接線盒封裝組

11、件后，功率損失小，反之則大：  以上實驗可以看出，接線盒的體電阻對組件封裝損失的影響；如果接線盒體電阻測試值較大的話，雖然其本身的其他性能良好，但是高體電阻的接線盒給組件帶來的負(fù)面影響是顯而易見的，所以我們在選擇接線盒時在保證其他性能的前提下，它的體電阻應(yīng)越小越好。1.1.4 接線盒的未來發(fā)展方向由于接線盒對太陽能電池組件的重要性，以及隨著整個光伏市場以及廣大客戶的應(yīng)用，目前各大接線盒廠商也在朝著高質(zhì)量的接線盒的方向努力，比如設(shè)計出高額定電流、高防水性、優(yōu)良的散熱性、低體電阻等等的接線盒，這些隨著技術(shù)發(fā)展必將會在今后的接線盒產(chǎn)品中出現(xiàn)。另一方面，傳統(tǒng)的太陽能組件隨著年月而退

12、化（一般來說組件的性能會以每年0.5%至1.0%的速度逐漸退化），導(dǎo)致這個現(xiàn)象的原因可能包括光伏組件之間的失配、旁路二極管的熱能耗散令組件性能加速退化、以及各種的環(huán)境因素如浮云、污垢及碎片等等；大大降低了單個組件以及整個系統(tǒng)的發(fā)電量，人們?yōu)榱私鉀Q或盡可能減小這個問題，在接線盒內(nèi)部進(jìn)行改造，并對改造后的接接線盒稱為"SmartBox"，而應(yīng)用這種接線盒的組件則稱之為"SmartModule"。而"SmartBox"通常利用的技術(shù)有MOS集成電路基礎(chǔ)的智能光伏組件、旁路電路集成無線發(fā)射接收數(shù)據(jù)系統(tǒng)、MPPT+DCtoDC/DCtoAC轉(zhuǎn)換

13、方式等其他新技術(shù)。4.1MOS集成電路基礎(chǔ)的智能光伏組件此組件使用MOS集成電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)二極管，降低組件被遮擋時二極管的發(fā)熱能耗，同時減少組件正常工作時晶體管的反向漏電流，提高組件的發(fā)電效率；由于二極管的特性，當(dāng)大電流流過時會在上面產(chǎn)生1V左右的電壓降。由W=V*I得知，當(dāng)有10A的電流流過時就會有10W左右的功率損失，長時間的積累使二極管的溫度逐漸升高，且二極管沒有散熱裝置，二極管就會發(fā)燙，甚至燒壞極管，燒毀接線盒；而MOS管與普通的二極管比較，其導(dǎo)通電阻只有510m，且其自帶散熱片，散熱性能較好等優(yōu)點，圖5是QCSOLAR公司生產(chǎn)的MOS電路接線盒。  4.2旁路電路集

14、成無線發(fā)射接收數(shù)據(jù)系統(tǒng)此系統(tǒng)中接線盒內(nèi)集成了無線收發(fā)裝置，可以實時監(jiān)控并傳輸數(shù)據(jù)，譬如組件的電流、電壓、功率等，其工作原理是組件在工作時，利用接線盒內(nèi)的單片機，通過檢測兩串太陽電池的端電壓來判斷太陽電池是否處于正常工作狀態(tài)，一旦檢測到兩處電壓不一樣，就認(rèn)為低電壓的一串電池出現(xiàn)了熱斑效應(yīng)，兩串電池的輸出電流就有差別，此時單片機通過控制MOS管的柵極電壓來控制MOS管的導(dǎo)通狀態(tài)，來把其中一串電池多產(chǎn)生的電流旁路掉，使組件正常工作，實現(xiàn)了MOS管的旁路作用。單片機在監(jiān)控光伏組件工作，控制MOS管的同時，把每一時刻的電壓、電流信息采集下來，經(jīng)過其內(nèi)部運算累加，得到整個組件的發(fā)電量，并在需要時可傳輸相關(guān)

15、數(shù)據(jù)信息。4.3MPPT+DCtoDC/DCtoAC轉(zhuǎn)換方式接線盒加裝此種裝置后，通過對陣列中每塊電池板分布式安裝最大功率跟蹤模塊，使電站方陣中每塊板始終工作在最大功率輸出點。目前市場上出現(xiàn)的產(chǎn)品都是基于美國國家半導(dǎo)體研制的SolarMagic技術(shù)之上設(shè)計開發(fā)出的；當(dāng)陣列中的組件被建筑、云、樹等陰影遮擋、自身出現(xiàn)失配情況時，由于二極管的作用部分電池會被旁路掉，從而減低了整個組件陣列的發(fā)電總量；利用NS的SolarMagic技術(shù)能夠以太陽能電池組件為單位進(jìn)行控制，使其在MPP狀態(tài)下工作，在以上情況發(fā)生時與之前比較最多可提高45%的發(fā)電量；圖6是NS開發(fā)的SolarMagic智能太陽能光伏組件接線

16、盒，以及摘自Photon雜志的一組利用這一技術(shù)性能數(shù)據(jù)：  雖然這類技術(shù)優(yōu)勢明顯，但是高額的成本很大程度上限制了它的廣泛應(yīng)用，相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們一定會找到合適的辦法去生產(chǎn)出價廉物美的接線盒。1.1.5 電纜接線盒目前采用的電纜規(guī)格有三種2.5、  4、  6mm2，但是從目前的組件設(shè)計上看，組件最大的短路電流沒有超過10A的，光伏電纜的要求很高，導(dǎo)體的銅含量很高，即使2.5mm2的電纜載流量也不會低于15A，4mm2的電纜應(yīng)該不會低于25A，而且如果這么大的電流通過的話，應(yīng)該可以保證電纜不會發(fā)熱。再就是，電池組件采用的是串聯(lián)

17、方式連接，匯流帶承載的電流應(yīng)該和電纜上的電流是一樣的，匯流帶按照目前的最大的組件設(shè)計的截面計算7.5*0.2=1.5mm2，電纜的截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于匯流帶的截面積，因此，個人認(rèn)為目前晶體硅組件的接線盒完全可以采用2.5mm2的電纜，一方面可以降低成本，另一方面可以節(jié)約自然資源的消耗，銅的資源本身也并不是很豐富，既然是綠色資源產(chǎn)業(yè)，同仁們應(yīng)該考慮各方面對資源的消耗，從電流方面說，一般的組件用2.5MM2的是夠了，節(jié)省了很多成本，節(jié)約資源。但現(xiàn)在一般晶體硅組件用的都是4.0MM2的電纜，功率再大點的，可能要用到6.0MM2的。2.5MM2只有薄膜組件用的比較多。這個可能考慮到電池板使用壽命長，系統(tǒng)穩(wěn)定

18、性要求高，使用環(huán)境惡劣等原因，所以采用規(guī)格更大的電纜吧。另外，行業(yè)里也約定熟成了，漸漸的也成了一種標(biāo)準(zhǔn)。1.1.6 二極管在太陽電池方陣中，二極管是很重要的元器件，常用的二極管有防反充（阻塞）二極管和旁路二極管。在儲能蓄電池或逆變器與太陽電池方陣之間，要串聯(lián)一個阻塞二極管，以防止夜間或陰雨天太陽電池方陣工作電壓低于其供電的直流母線電壓時，蓄電池反過來向太陽電池方陣倒送電，既而消耗能量和導(dǎo)致方陣發(fā)熱。它串聯(lián)在太陽電池方陣的電路中，起單向?qū)ǖ淖饔?。在有較多太陽電池組件串聯(lián)或太陽電池方陣時,需要在每個太陽電池組件兩端并聯(lián)一個二極管，擋其中某個組件被陰影遮擋或出現(xiàn)故障而停止發(fā)電時，在二極管兩端可以形

19、成正向偏壓，實現(xiàn)電流的旁路，不至于影響其他正常組件的發(fā)電，同時也保護(hù)太陽電池組件避免受到較高的正向偏壓或由于“熱斑效應(yīng)”發(fā)熱而損壞。這類并聯(lián)在組件兩端的二極管成為旁路二極管。光伏方陣中通常使用的是硅整流型二極管，在選用型號時應(yīng)注意其容量應(yīng)留有一定余量，以防止擊穿損壞。通常其耐壓容量應(yīng)能達(dá)到最大反向工作電壓的兩倍，電流容量也要達(dá)到預(yù)期最大運行電流的兩倍。由于阻塞二極管存在導(dǎo)通管壓降，串聯(lián)在電路中運行時要消耗一定的功率。一般使用的硅整流二極管管壓降為0.6-0.8V，大容量硅整流二極管的管壓降可達(dá)1-2V，若用肖特基二極管，管壓降可降低為0.2-0.3V，但肖特基二極管的耐壓和電流容量相對較小，選

20、用時要加以注意。有些控制器具有防反接功能，這時也可以不接阻塞二極管，如果所有的組件都是并聯(lián)的就可不連接旁路二極管，實際應(yīng)用時，由于設(shè)置旁路二極管要增加成本和損耗，對于組件串聯(lián)數(shù)目不多并且現(xiàn)場工作條件比較好的場合，也可不用旁路二極管。5.9.6.1二極管的工作原理晶體二極管為一個由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。當(dāng)外界有反向電壓偏置時，外界電場

21、和自建電場進(jìn)一步加強，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流I0。當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結(jié)空間電荷層中的電場強度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。5.9.6.2二極管的類型二極管種類有很多，按照所用的半導(dǎo)體材料，可分為鍺二極管（Ge管）和硅二極管（Si管）。根據(jù)其不同用途，可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管等。按照管芯結(jié)構(gòu)，又可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。點接觸型二極管是用一根很細(xì)的金屬絲壓在光潔的半導(dǎo)體晶片表面，通以脈沖電流，使觸絲一端與晶片牢固地

22、燒結(jié)在一起，形成一個“PN結(jié)”。由于是點接觸，只允許通過較小的電流（不超過幾十毫安），適用于高頻小電流電路，如收音機的檢波等。面接觸型二極管的“PN結(jié)”面積較大，允許通過較大的電流（幾安到幾十安），主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極管是一種特制的硅二極管，它不僅能通過較大的電流，而且性能穩(wěn)定可靠，多用于開關(guān)、脈沖及高頻電路中。5.9.6.3二極管的導(dǎo)電特性二極管最重要的特性就是單方向?qū)щ娦?。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負(fù)極流出。下面通過簡單的實驗說明二極管的正向特性和反向特性。正向特性：在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負(fù)極接在低電位端，二極管就會導(dǎo)通，

23、這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導(dǎo)通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值（這一數(shù)值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V）以后，二極管才能直正導(dǎo)通。導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V），稱為二極管的“正向壓降”。反向特性：在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負(fù)極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。當(dāng)二極管兩端的反向電壓增大到某一數(shù)值，反向

24、電流會急劇增大，二極管將失去單方向?qū)щ娞匦裕@種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。5.9.6.4二極管的主要參數(shù)用來表示二極管的性能好壞和適用范圍的技術(shù)指標(biāo)，稱為二極管的參數(shù)。不同類型的二極管有不同的特性參數(shù)。對初學(xué)者而言，必須了解以下幾個主要參數(shù)：1、額定正向工作電流是指二極管長期連續(xù)工作時允許通過的最大正向電流值。因為電流通過管子時會使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過容許限度（硅管為140左右，鍺管為90左右）時，就會使管芯過熱而損壞。所以，二極管使用中不要超過二極管額定正向工作電流值。例如，常用的IN40014007型鍺二極管的額定正向工作電流為1A。2、最高反向工作電壓加在二極管兩端的反向電壓高到一定

25、值時，會將管子擊穿，失去單向?qū)щ娔芰Α榱吮ＷC使用安全，規(guī)定了最高反向工作電壓值。例如，IN4001二極管反向耐壓為50V，IN4007反向耐壓為1000V。3、反向電流反向電流是指二極管在規(guī)定的溫度和最高反向電壓作用下，流過二極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向?qū)щ娦阅茉胶?。值得注意的是反向電流與溫度有著密切的關(guān)系，大約溫度每升高10，反向電流增大一倍。例如2AP1型鍺二極管，在25時反向電流若為250uA，溫度升高到35，反向電流將上升到500uA，依此類推，在75時，它的反向電流已達(dá)8mA，不僅失去了單方向?qū)щ娞匦?，還會使管子過熱而損壞。又如，2CP10型硅二極管，25時反向電流僅

26、為5uA，溫度升高到75時，反向電流也不過160uA。故硅二極管比鍺二極管在高溫下具有較好的穩(wěn)定性。5.9.6.5測試二極管的好壞 初學(xué)者在業(yè)余條件下可以使用萬用表測試二極管性能的好壞。測試前先把萬用表的轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到歐姆檔的RX1K檔位（注意不要使用RX1檔，以免電流過大燒壞二極管），再將紅、黑兩根表筆短路，進(jìn)行歐姆調(diào)零。1、正向特性測試把萬用表的黑表筆（表內(nèi)正極）搭觸二極管的正極，紅表筆（表內(nèi)負(fù)極）搭觸二極管的負(fù)極。若表針不擺到0值而是停在標(biāo)度盤的中間，這時的阻值就是二極管的正向電阻，一般正向電阻越小越好。若正向電阻為0值，說明管芯短路損壞，若正向電阻接近無窮大值，說明管芯斷路。短路和斷路的管子都不能使用。2、反向特性