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绪论

太阳能光伏接线盒作为太阳能电池组件的一个重要部件,是介于太阳能电池组件构成的太阳能电池方阵和太阳能电池充电控制装置之间的连接器,是一门集电气设计、机械设计和材料科学相结合的跨领域的综合性设计,为用户提供了太阳能电池板的组合连接方案。

作为太阳能电池组件的一种连接器,太阳能光伏接线盒主要的作用就是将太阳能电池模块产生的电能经电缆导出。由于太阳能电池使用场合的特殊性和其本身的昂贵价值,太阳能光伏接线盒必须经过特殊设计才能满足太阳能电池组件的使用要求。

目前,对光伏接线盒质量的考核来自于TUV、UL认证等。国内各大接线盒生产商也都在致力于研发为用户提供更为安全、快捷、可靠的连接方案的接线盒。

一、功能

光伏接线盒主要具有两种功能:基本功能为连接光伏组件和负载,将组件产生的电流引出并产生功率。附加功能为保护组件引出线,防止热斑效应。

1.1、连接

接线盒作为连接器,起到连接太阳能组件与逆变器等控制装置的桥梁作用。接线盒内部通过接线端子和连接器将太阳能组件产生的电流引出并导入到用电设备中。

为了尽量减小接线盒对组件功率的损耗,接线盒所用的导电材料要求电阻小,和汇流带引出线的接触电阻要小。

1.2、保护

接线盒的保护作用包括三部分,一是通过旁路二极管防止热斑效应,保护电池片及组件;二是通过特殊材料密封设计防水防火;三是通过特殊的散热设计降低接线盒的工作温度,减小旁路二极管的温度,进而降低其漏电流对组件功率的损耗。

二、性质

2.1、耐候性

耐候性是指:材料如涂料、塑料、橡胶制品等,应用于室外经受气候的考验,如光照、冷热、风雨、细菌等造成的综合破坏,其耐受能力叫耐候性。

接线盒暴露在环境中的部分为盒体、盒盖及连接器(PC),它们都是由耐候性强的材料制作,目前最常用的材料为PPO(聚苯醚),它是世界五大通用工程塑料之一。具有刚性大、耐热性高、难燃、强度较高电性能优良等优点。另外,聚本醚还具有耐磨、无毒、耐污染等优点。PPO的介电常数和介电损耗在工程塑料中是最小的品种之一,几乎不受温度、湿度的影响,可用于低、中、高频电场领域。PPO的负荷变形温度可达 190℃以上,脆化温度为-170℃。

2.1.1、耐高温高湿

组件的工作环境非常恶劣,有的工作在热带地区,日平均温度非常高;有的工作温度非常低,如高海拔地区、高纬度地区;有的昼夜温差非常大,如沙漠地区。因此要求接线盒要有优良的耐高温,耐低温性能。

耐候性测试如下表所示:


2.1.2、耐紫外线

紫外线对塑料产品都有一定的破坏,尤其是高原地带空气稀薄,紫外线辐照度很高。

2.3、阻燃性

阻燃性是指物质具有的或材料经处理后具有的明显推迟火焰蔓延的性质。

阻燃等级由HB,V-2,V-1向V-0逐级递增: HB:UL94和CSA C22.2 No 0.17标准中最底的阻燃等级。要求对于3到13 毫米厚的样品,燃烧速度小于40毫米每分钟;小于3毫米厚的样品,燃烧速度小于70毫米每分钟;或者在100毫米的标志前熄灭。 V-2:对样品进行两次10秒的燃烧测试后,火焰在60秒内熄灭。可以有燃烧物掉下。 V-1:对样品进行两次10秒的燃烧测试后,火焰在60秒内熄灭。不能有燃烧物掉下。 V-0:对样品进行两次10秒的燃烧测试后,火焰在30秒内熄灭。不能有燃烧物掉下 。

2.4、防水防尘

标准:GB 4208 2008 《外壳防护等级(IP代码)》中规定的防尘防水等级IP等级,表示为:

第一个X表示防尘等级

0:没有保护

1:防止大的固体侵入

2:防止中等大小的固体侵入

3:防止小固体进入侵入

4:防止物体大于1mm的固体进入

5:防止有害的粉尘堆积

6:完全防止粉尘进入

第二个X表示防水等级

0:没有保护

1:水滴滴入到外壳无影响

2:当外壳倾斜到15度时,水滴滴入到外壳无影响

3:水或雨水从60度角落到外壳上无影响

4:液体由任何方向泼到外壳没有伤害影响

5:用水冲洗无任何伤害

6:可用于船舱内的环境

7:可于短时间内耐浸水(1m)

8:于一定压力下长时间浸水

一般接线盒的防水防尘等级为IP65。

2.5、散热性

使接线盒内温度升高的因素主要为二极管和环境温度。二极管在导通时会产生热量,同时,由于二极管和接线端子存在接触电阻,也会产生热量。另外,环境温度升高也会使接线盒内部温度升高。

接线盒内容易受高温影响的部件为密封圈,二极管。高温会加速密封圈的老化速度,影响接线盒的密封性;二极管内部存在反向电流,温度每升高10℃,反向电流就会增大一倍,反向电流会减小组件产生的电流,影响组件的功率。所以,接线盒必须具备优良的散热性,或作特殊的散热设计。

常见的散热设计为安装散热片。但是安装散热片并没有彻底解决散热问题。因为如果在接线盒内部安装散热片,虽然暂时降低了二极管的管温,但是仍然会使接线盒温度升高,影响橡胶密封圈的使用寿命;如果安装在盒外面,一方面会影响接线盒整体的密封性,也会容易使散热片被腐蚀。

三、分类

接线盒主要有两种类型:普通和灌封两种。

普通接线盒采用硅胶密封圈密封,灌胶接线盒则采用双组分硅胶填充来灌封,普通接线盒应用较早,操作简单,但是密封圈使用年限较长时易老化。灌封接线盒操作较复杂(需要填充双组分硅胶,并固化),但密封效果好,耐老化,能保证接线盒密封长期有效,且价稍便宜。

注:灌封装接线盒以前一般用于薄膜组件,但是目前如尚德、阿特斯等也将其应用与晶体硅组件。

接线盒还有其他分类,按照功率和连接器分,也有按二极管工作电流分类的。

四、组成

接线盒无论怎么变化,基本结构都是基本不变的,及包括盒体、盒盖、连接器、接线端子、二极管等,一些接线盒厂家设计了散热片加强河内温度的散发,也有一些接线盒厂家做了其他方面细节的设计,但是总的结构没有发生变化。

4.1、盒体

盒体是接线盒的主体部分,内置接线端子和二极管,外接连接器和盒盖,是接线盒的框架部分,承受大部分的耐候要求。盒体的制作材料一般为PPO(聚苯醚),它是世界五大通用工程塑料之一。具有刚性大、耐热性高、难燃、强度较高电性能优良等优点。另外,聚本醚还具有耐磨、无毒、耐污染等优点。PPO的介电常数和介电损耗在工程塑料中是最小的品种之一,几乎不受温度、湿度的影响,可用于低、中、高频电场领域。PPO的负荷变形温度可达 190℃以上,脆化温度为-170℃。

4.2、盒盖

盒盖起到密封盒体,防水防尘防污染的作用。密封性主要体现在内置橡胶密封圈,阻止空气及水分等进入接线盒内部。有的厂家在盒盖中心部位设置小孔,空中装有透析膜,该膜透气不透水,水下三米无水渗入,起到非常好散热和密封的作用。

盒体及盒盖一般有耐候性好的材料注塑而成,弹性好,抗温度冲击,耐老化性能强。

4.3、连接器

连接器连接接线端子和外部用电设备如逆变器,控制器等。连接器采用PC(聚碳酸酯)材质,但PC容易被多种物质腐蚀。接线盒老化主要体现在连接器易被腐蚀,塑料螺母低温冲击容易出现破裂。因此,接线盒的使用寿命体现为连接器的寿命。

4.4、接线端子

接线端子连接组件引出线与连接器,数量有2、3、4、5、6等多种规格,端子本身宽度根据引出线的不同有2.5、4、6mm三种,不同厂家的接线盒,端子间距也不同。

接线端子与引出线的接触方式有两种:一种为压紧或加紧型等物理接触式,一种为焊接方式。两种方式的优缺点前面已有论述。

4.5、二极管

光伏接线盒内的二极管是作为旁路二极管使用,起到防止热斑效应,保护组件的作用。

组件正常工作时,旁路二极管处于截止状态,这时存在反向电流,即暗电流,一般小于0.2微安。 暗电流会减小组件产生的电流,虽然幅度很小。

从最理想的角度来说,每一个光电池都应连上一个旁路二极管,但因为旁路二极管价格成本的影响和暗电流损耗以及工作状态下压降的存在,这样就很不经济了。此外,光伏组件各电池片的位置比较集中,接上相应的二极管之后,还得为这些二极管提供充分的散热条件。

因此,实际运用时一般比较合理的方法是使用一个旁路二极管为多个相互连接的电池分组提供保护。这样可以降低光伏组件的生产成本,但也会使其性能受到不利的影响。其实,若某串电池片中某一电池片的输出功率下降。那么这个串电池片,其中包括那些工作正常的电池片,便会因旁路二极管的作用而与整个光伏组件系统隔离。结果就会是整个光伏组件的输出功率因某一个电池片的失效而出现过多的下降。

除上述问题之外,旁路二极管与其相邻的旁路二极管之间的连接必须考虑周全。实际上,这些连接要受到一些应力的影响,这些应力是机械负荷和温度周期性变化的产物。因此,在光伏组件的长期使用过程中,上述连接就可能因疲劳而失效,使光伏组件产生异常

另外,遮蔽一个电池片与遮蔽两块电池片各一半的效果不同,所以遮蔽不可避免时,尽量使遮蔽尽可能多的电池,每个电池尽可能少的阴影。

4.5.1、热斑效应

在太阳能组件的构造中,单个电池片被串联在一起,就是所谓的串联以达到更高的系统电压。 一旦其中一个电池片被遮挡(例如:树枝或者天线等等),受影响的电池就不再作为电源工作,而是变成能量消耗者,其他未遮挡的电池将继续通过它们传递电流造成高的能量损耗,“热斑”就会出现,甚至电池损毁。

为了避免这个问题,旁路二极管被并联在一个或者几个串联在一起的电池上。旁路电流绕过被遮挡的电池片,经二极管而传递下去。

当电池片正常工作时,旁路二极管反向截止,对电路不产生任何作用;若与旁路二极管并联的电池片组存在一个非正常工作的电池片时,整个线路电流将由最小电流电池片决定,而电流大小由电池片遮蔽面积决定,若反偏压高于电池片最小电压时,旁路二极管导通,此时,非正常工作电池片被短路。

可见,热斑即组件发热或局部发热,热斑处电池片受到损伤,降低组件功率输出甚至导致组件报废,严重降低组件的使用寿命,对电站发电等安全造成隐患。热量聚集导致组件不良或损坏。

电池组件热斑的形成,外部因素主要事组件或局部组件受到遮挡物遮挡,常见的遮挡物有:树叶、尘土、云层、动物及动物粪便、积雪等;内在因素有太阳电池内阻和太阳电池自身逆电流大小有关。从电池片的实际等效电路即可分析到此结论。负载与太阳电池内阻串联,由等效电路图得到流过负载的电流:

I= Iph–ID–ISh则串联电阻工作功率:

P= I2Rs,故Rs对电池片温度的影响是肯定的,对于电池片来讲,内阻越小越好。内阻主要是电池片自身由于制作工艺产生的内阻外,还有就是焊带产生的内阻,因此,对于电池片的焊接工艺应该引起充分重视,对焊带的选择也应该选择内阻小的为好;至于逆电流因素,还是要从实际等效电路分析,对于不同的电池片,其暗电流有差异。组件短路,遮挡组件上的某片电池片无法正常工作,相对于组件来说其是个内阻,消耗:

P = I2 R (R:被遮挡电池片的等效内阻)。

被遮挡的电池片的生热电流为 I = ID + ISh(I :逆电流,ID :暗电流,Ish: 漏电流),故,逆电流较大的太阳电池硅片,在外界环境相同的条件下,其产生热斑的可能性较大。

安装在外部环境下的组件阵列温度T与日照强度L、系统环境温度Ts、内阻产生的温度Ti相关。组件温度可表示为:

T = T0+αTs +βL+Ti

(T0、α、β是根据实验数据按最小二乘法处理后所得的系数,系数值与所使用的太阳电池的类型、安装地点、支架形式等因素都有关系 )

热斑的危害是巨大的,而且组件阵列电站如在无人维护的情况下,热斑效应也极易发生,怎么才能避免或减轻热斑的对组件的不利影响成为组件设计的重要问题。

4.5.2、二极管的选择原则

旁路二极管的选择主要遵循一下原则:

1、耐压容量为最大反向工作电压的两倍;

2、电流容量为最大反向工作电流的两倍;

3、结温温度应高于实际结温温度;

4、热阻小;

5、压降小;

五、性能参数

5.1、电性能

接线盒的电性能主要包括工作电压、工作电流、电阻等参数。衡量一个接线盒是否合格,电性能是至关重要的一个环节。

5.1.1、工作电压

加在二极管两端的反向电压高到一定值时,会将管子击穿,失去单向导电能力。为了保证使用安全,规定了最高反向工作电压值。例如,IN4001二极管反向耐压为50V,IN4007反向耐压为1000V。

也就是接线盒正常工作条件下运行时,其相应器件所承受的最高电压。目前而言,接线盒的工作电压为1000V(DC)。

5.1.2、结温电流

也称工作电流,是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热,温度上升,温度超过容许限度(硅管为140左右,锗管为90左右)时,就会使管芯过热而损坏。所以,二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。

在组件发生热斑效应时,电流流经二极管。一般而言,结温电流越大越好,这样接线盒的工作范围就越大。目前结温电流能做到16A,而对于小组件接线盒,结温电流要达到9A。

5.1.3、连接电阻

连接电阻并没有明确的范围要求,只是反应接线端子与汇流带的连接方式的好坏程度。

接线端子的连接方式分为两种,一种为夹紧式连接,一种为焊接。两种方式各有优缺点:

首先,夹紧式连接操作快捷,维修方便,但是与接线端子基础面积小,连接不够可靠,导致接触电阻大,容易发热。

第二,焊接方式导电面积答,接触电阻小,连接紧密。但是在操作时由于焊接温度较高,容易烧坏二极管。

5.2、焊带宽度

所谓的焊带宽度是指组件引出线即汇流带的宽度,还包括焊带之间的间距。由于考虑到汇流带电阻和汇流带间距,有2.5mm、4mm、6mm三种规格。

5.3、使用温度

接线盒同组件一起工作,对环境的适应性要较强。在温度方面,目前的标准是-40℃~85℃。

5.4、结温温度

二极管结温会影响其截止状态下的漏电流,一般来说,温度每升高十度,漏电流会增大一倍。因此有必要在使用时,二极管的额定结温温度要高于实际结温温度。例如2AP1型锗二极管,在25时反向电流若为250uA,温度升高到35,反向电流将上升到500uA,依此类推,在75时,它的反向电流已达8mA,不仅失去了单方向导电特性,还会使管子过热而损坏。

实际的结温温度用一下方法测量:

把组件放在75度烘箱中至热稳定,在二极管中通组件的实际短路电流,热稳定后(例如1h),测量二极管的表面温度,根据以下公式计算实际结温:

Tj=Tcase + R*U*I,其中R为热阻系数,由二极管厂家给出,Tcase

是二极管表面温度(用热电偶测出),U是二极管两端压降(实测值),I为组件短路电流。计算出的Tj不能超过二极管规格书上的结温范围。

测试二极管结温温度合格与否的方法为:

组件整体加热到75(C℃,通入Isc的反向电流持续1h后,所测旁路二极管的温度应低于其最高工作温度。随后再将通入的反向电流增加到1.25倍Isc,持续1h,旁路二极管应不失效。

六、注意事项

6.1、测试

接线盒在使用之前要进行测试,主要项目有外观,密封性,防火性等级,二极管是否合格等。

测试的明细如下表:

6.2、使用

1.使用之前请确定接线盒经过测试并合格。

2.下生产指令单之前,请先确定接线端子间距,一边确定排版工艺。

3.装接线盒时打胶要均匀,全面,保证盒体与背板之间完全密封。

4.安装接线盒请务必分清楚正负极。

5.接触式接线端子在连接汇流带时请务必检验汇流带与接线端子之间的拉力是否足够。

6.焊接式接线端子在使用时,焊接时间不要太长,以免损坏二极管。

7.安装盒盖时请务必用力卡牢。


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