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1.前言

接線盒在太陽電池組件中起著非常重要的作用，隨著光伏行業(yè)日新月異的發(fā)展，越來越多的目光轉(zhuǎn)向了接線盒身上;因為它不僅能將太陽電池產(chǎn)生的電方便的傳輸?shù)酵獠侩娐分腥?，同時它也是太陽電池組件的"保鏢"。

接線盒是集電氣設(shè)計、機械設(shè)計與材料科學相結(jié)合的跨領(lǐng)域的綜合性設(shè)計;接線盒充當"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，適當降低損失。

由于其本身的特性，在太陽能領(lǐng)域越來越多的人逐步關(guān)注這個太陽電池組件的"保鏢"，伴隨著光伏市場的發(fā)展，接線盒的品牌也隨之多了起來，產(chǎn)品質(zhì)量也參差不齊，接線盒在系統(tǒng)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題也越來越多。

2.接線盒的基本應(yīng)用

2.1接線盒的結(jié)構(gòu)

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：

2.2接線盒的材料

一個簡單的接線盒所需要的材料就達十多種，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)：

2.3接線盒的作用

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)保護組件;它是一門集電氣設(shè)計、機械設(shè)計和材料科學相結(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行光電轉(zhuǎn)換的，而單個組件發(fā)出的電想傳輸?shù)匠潆?、控制系統(tǒng)中去，必須要通過接線盒進行傳輸;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組件;當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片旁路一個二極管，這樣做是一種簡單有效的辦法。

3.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簡單的概括如下所示，表2列出了部分接線盒的性能指標，圖2是接線盒測試部件拉力示意圖：

市場上的接線盒如果想被組件廠商接受的話就必須通過TUV、UL等其他國際知名認證機構(gòu)的認證，這些認證機構(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，接線盒在認證測試時僅此一項試驗失敗的就高達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，如果二極管的節(jié)溫過高，不但會導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，甚至會引起組件燒毀現(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。

3.2接線盒性能測量

接線盒在認證時會經(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，各標準、認證機構(gòu)有著非常詳細的要求規(guī)定，本文不一一敘述，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。

3.2.1旁路二極管熱性能試驗

按照IEC6121510.18.3的要求進行測試試驗，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;前期工作準備完畢后，將組件放入溫度為75℃±5℃的腔室內(nèi)進行加溫，并同時通以等于標準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準測試條件下短路電流1.25倍，同時保持組件的溫度在75℃±5℃，保持通過組件電流1h，驗證二極管仍能工作，

表3是測試過程部分數(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倍的標準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℃，那可就要當心了，若再加上接線盒的散熱性能不好，后果那是相當嚴重的，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。

3.2.2接線盒體電阻測試

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13mΩ，根據(jù)P=I2R進行估算，13mΩ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，我們又進行了以下試驗：選用3個廠商的接線盒進行對比測試，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。

4.接線盒未來發(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，其導通電阻只有5~10mΩ，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，就認為低電壓的一串電池片出現(xiàn)了熱斑效應(yīng)，兩串電池片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管的導通狀態(tài)，來把其中一串電池片多產(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)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體研制的SolarMagic技術(shù)之上設(shè)計開發(fā)出的;

當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片會被旁路掉，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。

5.小結(jié)

接線盒對于太陽能電池組件起著非常重要的作用，越來越多的組件工廠以及系統(tǒng)用戶對接線盒有了新的認識，關(guān)注度空前的提高;同樣隨著時間的推移，接線盒自身的存在的問題也慢慢的暴露出來，對于接線盒廠商提高生產(chǎn)接線盒的質(zhì)量也是一種推動力量。

組件廠在選擇接線盒時需不僅僅的關(guān)注它是否通過了知名機構(gòu)的認證，出于今后長久使用角度考慮，更需要關(guān)注接線盒的額定電流、二極管的結(jié)溫測試以及接線盒的體電阻等其他性能要求。

將新的技術(shù)容納、集成到接線盒中，這無非是一種大膽的創(chuàng)新，而且同樣非常有效，現(xiàn)在的關(guān)鍵問題就是怎樣開發(fā)出一種低成本高性能的接線盒，這樣才能進行廣泛的推廣。 

原標題：淺談接線盒在太陽電池組件中的應(yīng)用