太阳能光伏接线盒-半导体二极管调研报告

吉林华微电子—技术工程部0太阳能光伏接线盒市场调研报告调研人：李世刚2010-11-12吉林华微电子—技术工程部1目录1、太阳能光伏发电的简介……………………………………… 21.1．概述 ………………………………………… 21.2．太阳能光伏发电的定义 …………………………21.3．太阳能光伏发电应用的领域…………………… …21.4． 太阳能光伏发电系统的组成………………………31.5． 太阳能光伏发电的基本原理 …………………… 42、太阳能光伏接线盒的介绍………………………………………42.1．太阳能光伏接线盒的作用…………………………42.2．太阳能光伏接线盒的要求…………………………52.3．太阳能光伏接线盒的分类…………………………52.4．太阳能光伏接线盒的发展趋势……………………83、肖特基二极管在光伏接线盒中的应用 ……………………… 93.1．热斑效应 …………………………………… 93.2．肖特基二极管在光伏接线盒中的作用……………93.3．旁路二极管 Bypass diode 的选择…………104、太阳能光伏接线盒市场分析……… …………………… 13吉林华微电子—技术工程部24.1．太阳能光伏接线盒厂家发展趋势 ……………134.2．太阳能光伏接线盒厂家分析 ……………… 145、总结 …………………………………………………… 171、 太阳能光伏发电的简介1.1．概述取之不进，用之不竭的太阳能，因为其安全、干净、环保而越来越受到人们的青眯。太阳能光伏产业成为全球竞相追逐的朝阳产业，在中国，越来越多的企业加入到这个“逐日产业 ”当中来，中国已经成为全球第三大光伏制造基地，仅次于日本、德国。同时，也促进了太阳能相关零部件产业的发展，如太阳能光伏接线盒、光伏连接器、控制器、逆变器、蓄电池等等。1.2．太阳能光伏发电的定义太阳能发电分为光热发电和光伏发电。通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电” 。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。1.3．太阳能光伏发电应用的领域吉林华微电子—技术工程部3理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。主要应用在三大方面：1.3.1．无电场合提供电源；1.3.2．太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地灯具等；1.3.3．并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。1.4．太阳能光伏发电系统的组成光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜等设备组成。1.4.1． 太阳能电池方阵：在有光照（无论是太阳光，还是其它发 光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压” ，这就是“光生伏打效应” 。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。1.4.2．蓄电池组：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。1.4.3．充放电控制器：是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。1.4.4．逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能吉林华微电子—技术工程部4电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。1.5．太阳能光伏发电的基本原理太阳能电池就是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的一种装置。常规太阳电池简单装置如图 1 所示。当 N 型和 P 型两种不同型号的半导体材料接触后，由于扩散和漂移作用，在界面处形成由 P 型指向 N 型的内建电场。当光照在太阳电池的表面后，能量大于禁带宽度的光子便激发出电子和空穴对，这些非平衡的少数载流子在内电场的作用下分离开，在电池的上下两极累积，这样电池便可以给外界负载提供电流。图 1吉林华微电子—技术工程部52、太阳能光伏接线盒的介绍2.1．太阳能光伏接线盒的作用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，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，为用户提供了太阳能电池板的组合连接方案。2.2．太阳能光伏接线盒的要求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具有以下几个主要特性：2.2.1．蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备；2.2.2．符合于室外恶劣环境条件下的使用要求；2.2.3．优秀的散热模式和合理的内腔容积来有效降低内部温度，以满足电气安全要求；2.2.4．良好的防水、防尘保护为用户提供安全的连接方案。目前，对光伏接线盒产品质量的考核来自于 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，也都在为其研发的产品能通过TUV、UL 等的认证而努力。2.3．太阳能光伏接线盒的分类2.3.1．传统型（图 2）吉林华微电子—技术工程部62.3.1.1．结构特点：背部开口的壳体，壳体内设有电器端子（滑块） ，将太阳能电池模板电能输出端的各汇流带与对应地电器端子的各输入端（配电孔）电连接，电缆线经壳体一侧的孔伸入到壳体内与电器端子另一侧的输出端孔电连接。2.3.1.2．优点：夹紧式连接，操作快捷、维修方便。2.3.1.3．缺点： 2.3.1.3.1．由于电器端子的存在，接线盒的体积较大、散热性差。2.3.1.3.2．壳体上的电缆线孔会导致产品的防水性能下降。2.3.1.3.3．线接触连接，导电面积小，连接不够可靠。图 22.3.1.4．改进方法： 针对传统接线盒存在的不足，各大厂家对传统接线盒进行了改进，先后推出了一系列改进型接线盒：吉林华微电子—技术工程部72.3.1.4.1．采用散热性好的金属端子代替电器端子，锡焊连接方式增大接触面积。2.3.1.4.2．采用夹紧与螺钉的“双保险”固定连接，增加连接的可靠性。2.3.1.4.3．加散热片改善散热性能。2.3.1.4.4．采取了高密度的 PCB 板焊接方式 ，减小接触电阻。2.3.2．封胶密封小巧型（图 3）2.3.2.1．优点：2.3.2.1.1．由于采用薄片状金属端子锡焊方式，体积小巧，且具有更好的散热性、稳定性。2.3.2.1.2．由于灌胶密封，具有更好的防水、防尘性能。2.3.2.1.3．提供更加灵活的连接方案，根据不同需要可以采用封胶和不封胶两种方式。2.3.2.2．缺点：一旦封胶后出现问题，维修不方便。图 3吉林华微电子—技术工程部82.3.3．玻璃幕墙专用型（图 4）2.3.3.1．优点：2.3.3.1.1． 由于是用于小功率光伏电池板，盒体制作得更加小巧玲珑，不会影响室内的采光和美观。2.3.3.1.2． 也是封胶密封的设计，具用良好的导热性、稳定性和防水防尘性能。2.3.3.2．缺点：2.3.3.2.1． 由于采用锡焊连接的方式，电缆导线经两侧出线孔伸入到盒体内，在狭长的盒体内焊接到金属端子上极为不方便。2.3.3.2.1． LY0803-1 型接线盒在结构上采用了插片的形式，避免了上述加工不便的情况图 42.4．太阳能光伏接线盒的发展趋势太阳能光伏接线盒正在朝着以下几个方面发展： 体积小巧充分考虑到材料节省，包括接线盒本身材料的节省和用户材料（密硅胶）的节省。吉林华微电子—技术工程部9高电流承载能力目前接线盒的最大电流最高的可达到 30A，常规的为16A、10A、8A。更加优良的散热性从最初的通过壳体空腔内辐射及对流方式使空气膨胀，由导气阀导出的散热方式，到后来的采用薄片状金属端子、增加散热片、散热突起。更加优良的结构密封性从盒体、盒盖分体由密封圈密封，到盒体、盒盖压接一体式密封。更加优良的安全可靠性从夹紧与螺钉的“双保险”到内鼓形簧片接插的连接插头式。用户安装使用的更加灵活性根据需要预留有扩展连接座；装配不同规格的二极管会改变接线盒的最大工作电流；根据需要选用封胶和不封胶两种安装方式。3、肖特基二极管在光伏接线盒中的应用3.1．热斑效应太阳能电池组件为串联使用，当串联支路中被遮蔽的太阳电池组件将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应。这种效应能严重的破坏太阳电池。有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。3.2．肖特基二极管在光伏接线盒中的作用3.2.1．电池组件正常工作时肖特基二极管的作用吉林华微电子—技术工程部10肖特基二级管并联在电池组件两端，在电池组件正常工作状态下，利用的是二极管的反向偏置特性，对于 72 片串联（每片太阳能电池能产生 0.5V 电压） ，三个二极管的情况，每个二极管两端的电压大约为 12V,此时根据二极管的反向电流电压特性曲线得知，通过二级管的电流只有 0.01A 左右；此时功率损耗非常小，大约 0.1W。3.2.2．太阳能电池组件出现异常时肖特基二极管的作用以 72 片太阳能电池串联，使用三个二极管为例：当电池片被遮蔽，虚焊或者隠裂,会使电池片不发电，转而作为负载，这时利用二极管的正向偏置特性，电池片串联，其短路电流最大约为 8A，所以根据二极管的正向电流电压曲线得知，其压降大约为 0.45V，此时绝大部分电流通过二极管，热斑电池功率损耗被极大的降低，这样起到保护整个组件功率损失达到最小，这就是所说的旁路二极管 Bypass diode 的作用。但是与旁路二极管并联的 24 片电池就不再能够发电了。所以旁路二极管只是起到了发生热斑时的降低损失和安全作用，是无法消除热斑的，热斑的消除需要在生产制作时严加质检管理，精细生产工艺而减少发生热斑的概率。 图 4：旁路二极管对电路影响示意图3.3．旁路二极管 Bypass diode 的选择吉林华微电子—技术工程部113.3.1．旁路二极管发热测试方法这两年来因为二极管的问题造成退货事件已有多起。主要还是因为二极管的结温太低，而接线盒的散热不好，造成二极管的热击穿，并带有接线烧毁等。下面是最常见的测试方法：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（Isc 测试值） 。计算出的 Tj 不能超过二极管规格书上的结温范围以扬杰的 10A05 型二极管为例。如果实测外壳温度是150 度，用在 72 片 125 电池片 180W 的组件上，其结温为：Tj＝150+3*0.5*5.4=158.1没有超过规格书标称的 175 度，测试成功，此二极管可以在这个电池组件中应用。3.3.2．旁路二极管失效分析3.3.2.1．ESD——静电放电光伏电池是用层压膜与玻璃或透明的二氧化硅板压到一起，或是用环氧树脂材料粘在一起。玻璃、化学材料平板和层压薄膜都很容易产生 ESD，ESD 的强度取决于表面直径。ESD 可能损坏肖特基整流器的芯片端，主要是通过过热失效的方式如图 5 所示：吉林华微电子—技术工程部12图 5：肖特基由 ESD 造成的过热痕迹大多数旁路二极管的最大击穿电压只有 45V 到60V。然而，它们能处理的 ESD 也较低（Vishay 的SB15H45 和 150SQ045 的典型 ESD 为 25KV(空气放电)） ，这种 ESD 防护能力还不足以在为所有 ESD 状况或从电源线和其他来源感应的高电压提供保护由 ESD 和浪涌造成失效之间的区别是，他们涉及的失效器件的数量是不同的。在大多数由 ESD 引起的失效故障中，在接线盒里的两个或三个器件当中的某一个会失效。而浪涌会损毁所有的旁路二极管。3.3.2.2．反应能量和感应能量当高功率电缆与太阳能电池板的电缆交错或是平行摆放时，反应能量和感应能量也可能引起旁路二极管的失效。这种情况非常少见，也很难通过标准化的措施加以避免。当接线盒与电路断开，存储在电缆里的能量会反作用到接线盒里的旁路二极管，这时就会产生反应能量。能量等级取决于电缆的长度和供电电压。大多数肖特基整流器的雪崩容量低于 20mJ，还不足以应付反应能量。为了防止浪涌、静电、反应能量、感应能量造成旁路二极管的失效，目前比较大的太阳能光伏接线盒厂家在旁路二极管两端又并联了一个瞬 态 抑 制 二 极 管（ TransientVoltageSuppressor） 简 称 TVS。吉林华微电子—技术工程部133.3.3．旁路二极管选择原则 电流的选择: 电流容量为最大反向工作电流的两倍。 电压的选择：二极管的耐压一定要比被充电的电池电压高，否则电池就会击穿它了。注意电池电压不要按标称电压计算，而是要按最高电压计算，电池充满时的电压约为标称的 1.2 倍。为了防止意外，应留出余量，一般取最大值的 1.414 倍。 数量的选择：原则上每个电池片应并联一个旁路二极管，以便更好保护并减少在非正常状态下无效电池片数目，但是旁路二极管截止状态时存在反向电流，即暗电流，一般小于０.２微安，考虑到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，对于硅电池，每十五个电池片可并联一个旁路二极管为最佳。 压降、热阻、结温的选择：根据公式 Tj=Tcase + R*U*I 我们可以知道旁路二极管要选择压降小、热阻小、结温高于实际结温温度。4、太阳能光伏接线盒市场分析4.1．太阳能光伏盒厂家发展趋势世界光伏组件在 1990 年——2005 年年平均增长率约 15%。20世纪 90 年代后期，发展更加迅速， 1999 年光伏组件生产达到 200兆瓦。商品化电池效率从 10%～13% 提高到 13%～15%，生产规模从 1～5 兆瓦/年发展到 5～25 兆瓦/年，并正在向 50 兆瓦甚至100 兆瓦扩大。光伏组件的生产成本降到 3 美元/ 瓦以下。2006 年的光伏行业调查表明，到 2010 年，光伏产业的年发展速度将保持在 30%以上。年销售额将从 2004 年的 70 亿美金增加到 2010 年的 300 亿美金。中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年 17000 亿吨标准煤，吉林华微电子—技术工程部14太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国地处北半球，南北距离和东西距离都在 5000 公里以上。在中国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米 4 千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米 7 千瓦时。年日照时数大于 2000小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。到 2009 年年底，中国光伏系统的累计装机容量达到 12 万千瓦（120MW） ，从事太阳能电池生产的企业达到 60 余家，太阳能电池生产能力达到 300 万千瓦（3000MW） ，太阳能电池年产量达到1188MW，超过日本和欧洲，并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突破了年产千吨大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为中国光伏发电的规模化发展奠定了基础。2009年是中国太阳能光伏产业快速发展的一年。受益于太阳能产业的长期利好，整个光伏产业出现了前所未有的投资热潮，太阳能光伏接线盒的数量也从 2006 年的 800 万套上升到了 5500 万套，生产太阳能接线盒的厂家也发展到了 60 余家。图 6：中国光伏接线盒厂家产能 4.2．光伏接线盒厂家分析吉林华微电子—技术工程部15随着光伏产业的快速发展，光伏接线盒厂家也开始大量的出现。中国目前已经有 60 余家，大部分集中在华东地区的江浙一带。其中规模最大的是慈溪人和光伏电器有限公司，慈溪人和光伏电器有限公司已有 20 年的研发历史，现在企业研发生产的接线盒产品达到 50 多种，光伏产品畅销国内外市场。目前他们的太阳能光伏组件产品占到国内市场的 80%，而且公司 30%左右的产品出口德国等欧盟国家市场。下面是国内主要的光伏接线盒厂家：序号 名称 产量 使用肖特基二极管型号（主要供应商）联系方式1 慈溪人和光伏科技有限公司400 万/月 10A05、16A05(扬州扬杰电子有限公司)63578128-8005-林工(产品开发工程师)2 快可光伏（苏州）电子有限公司 12 万/月 Hy1045(扬州虹扬电子)13338693898—王新林（采购）3 宁波光之星光伏科技有限公司 20 万/月 12A45(强茂股份有限公司)0574-63537053-程先生（采购）4 宁波晶华光学有限公司 10 万/月 10sQ50、15sQ45(济南金恒电子有限公司)13905843492-赵经理（采购经吉林华微电子—技术工程部16理）5 宁波中环电子科技有限公司8 万/月 10A50、15A45、12A45（强茂股份有限公司）18906748576-马工（工程师）6 慈溪市同辉光伏科技有限公司27 万/月 10A50、15A45、12A45（强茂股份有限公司、虹扬电子）0574- 63571331（采购曹经理）7 宁波鼎弘光伏科技有限公司5 万/月 Hy1045、1545(扬州虹扬电子)0574-63077772-8501 QQ: 397728203-干工（原是人和公司工程师）8 （常熟市）冠日科技有限公司 3 万/月 10A50、12A45（强茂股份有限公司）0512-81588281（采购李小姐）9 宁波恒达电器有限公司 2 万/月 10A05、(扬州扬杰电子有限公司)Hy1045（(扬州虹扬电子)0754-86898755-3308(采购部)10 宁波康迪光伏科技有限公司8 万/月 10A05、10A1(扬州扬杰电子有限公司)13306741797-（工程师）吉林华微电子—技术工程部17其他光伏接线盒生产厂家：张家港市天能科技有限公司 扬州通灵电器设备厂 科宥股份有限公司 天益国际（保定）光伏电子有限公司 苏州讯通太阳能科技有限公司镇江市神龙电器管件有限公司苏州瀚德光伏科技有限公司宁波贝特贝尔汽配有限公司台通电气（泰州）有限公司章丘市太和电器有限公司宁波搏胜光伏科技有限公司泰州市光伏电子有限公司扬州博斯特科技实业有限公司镇江汉德电器有限公司(10 万/月)宁波企正光伏科技有限公司保定易通光伏科技有限公司慈溪市博能光伏电子科技有限公司太阳能光伏接线盒做为太阳能电池组件的一个重要部件，是太阳能光伏发电行业必不可少的一部分。随着太阳能发电在各个领域中的广泛应用，太阳能光伏接线盒产业也将迅速的发展起来，我预计未来三年之内光伏接线盒厂家将发展到 100 家，整体产能将突破 9000 万套/年。5、总结11 余姚市旭顺光伏科技有限公司20 万/月 Hy1045、1040、1050（(扬州虹扬电子)0574-22660553吉林华微电子—技术工程部18据预测，太阳能光伏发电在 21 世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030 年，可再生能源在总能源结构中将占到 30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到 10％以上；到 2040 年，可再生能源将占总能耗的 50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的 20％以上；到 21 世纪末，可再生能源在能源结构中将占到 80％以上，太阳能发电将占到 60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。太阳能光伏发电产业的发展必将带动太阳能相关零部件产业的发展。其中光伏接线盒做为最重要的部件，必将迎来很大的发展空间。