7.7　电气保护

如果某种原因导致了一个或多个光伏电池的电流无法流过，思考该阵列的输出会如何变化。如图7.10所示。

由于组件是由电池串联的，一个电池损坏（或部分电池被遮挡）会使整个组件的电流减小。同样，如果这个组件为一个阵列的一部分，那么阵列的电流也将减少。

如果一个电池损坏了，阵列的其余部分将迫使电流通过它，在电池内部将会造成显著的温度升高，甚至会造成进一步的损坏，这种现象被称为“热斑”效应。在电池开路的极端情况下，阵列输出将为0。

二极管是允许电流单向流动的半导体，通过并联二极管可以减小上述情况的影响。

7.7.1　旁路二极管

如果组件由电池串联而成，那么在下述条件下，组件的输出功率将会减少：

（1）电池有缺陷。

（2）一个或者多个电池被遮挡。

即使剩余的电池在理想的工作条件和全日照情况下运行，输出功率也会减少。

有缺陷或受遮挡的电池工作在运行的组件或阵列中时，会在其两端产生反向电压，如图7.11所示，当反向电压出现时，二极管可用来提供电流的替代路径，这种二极管被称为旁路（分流）二极管。

图7.11中电池/组件的极性为正常运行时的状态。如果电池/组件被损坏或者受到遮挡，其极性会产生反转，使得二极管能够导通，组串电流流过二极管。

针对大多数商用晶硅组件，旁路二极管并没有被安装到每一个电池上，虽然这应该是理想情况。很多制造商对一个18个电池组成的组串配置一个旁路二极管，36个电池配置两个旁路二极管。如果制造商没有提供旁路二极管，推荐做法是在由电池串联组成组件的光伏阵列中，针对每一个组件至少配置一个旁路二极管。图7.12展示了一个组件的实际的接线盒，可以看到二极管与终端相连。

注意：许多薄膜光伏组件已经集成了电池旁路二极管。

图7.13展示了旁路二极管的作用。在图7.13（a）中没有旁路二极管以及缺陷电池，输出电压为x V。在图7.13（b）中当一个组件开路时，没有安装旁路二极管的阵列输出电压为0。图7.13（c）中安装了2个旁路二极管，阵列的输出电压为0.5x V。图7.13（d）中安装了4个旁路二极管，阵列的输出电压为0.75x V。总的来说，如果阵列中的一个组件被遮挡（或有缺陷），安装的旁路二极管数目越多，组件的输出电压越大。

对于图7.13，如果每一个组件都运行在18V的电压下，并用来为48V的电池组充电，那么在图7.13（b）中不能对电池进行充电（输出电压为0），在图7.13（c）中也不能对进行电池充电（输出电压为36V），但是在7.13（d）中可以对电池进行充电（输出电压为54V）。因此如果组件被遮挡，旁路二极管的数量越多，其输出电压能够为电池充电的概率越大。

缺陷电池在产生反向电压的情况下会聚集热量，旁路二极管的主要目的是为了保护电池组在单个电池出现问题时免于局部过热（热斑效应），过多的热量会导致封装或焊接材料的永久性破坏，最终导致组件被替换。

7.7.2　阻塞二极管

阻塞二极管（也被称为串联二极管或隔离二极管）在正常系统运行时导通电流，与组件串联或者与组串串联使用。其主要作用是阻止夜晚电流在组件内部回流，同时阻止电流流入一个有缺陷的并联组串。图7.14展示了阻塞二极管的放置方式。

是否需要安装阻塞二极管主要取决于光伏技术以及夜晚的电气特性，在过去的独立供电系统中比较常见，在目前的系统中并不经常使用。

7.7.3　二极管的选用方法

在二极管的选择上，以下参数比较重要：

（1）在正方向上二极管允许通过的最大电流（最大正向持续电流IF）。

（2）在反方向上二极管所能容忍的最大临界电压（反向临界电压UR）。

注意：6A（9A）、600V的二极管通常被用作旁路二极管和阻塞二极管。

AS 5033—2005第二部分概述了阻塞和旁路二极管的选择和安装要求。

需要进一步考虑的是二极管正向导通压降。例如一个硅整流二极管在额定电流情况下的压降为0.6～0.7V，即上述二极管在6A电流下将消耗3.6W（6A×0.6V）的功率。肖特基二极管的压降则只有0.2～0.4V，因此如果压降（功率损失）在系统设计中很关键，就应该选择肖特基二极管。