6.4 光伏组件的防护
这里要考虑的问题是：如果因多个原因中的任何一个，一个或多个光伏电池不通过电流，阵列的输出会发生什么变化？
如果电池被损坏或遮蔽（图6.15），整个组件的电流会降低：太阳能电池组件的电池串联连接，因此如果一个电池有缺陷，会影响整个组件。如果该组件构成一个阵列的一部分，则阵列的电流也将减小。
图6.15 一个带缺陷电池或遮蔽部分的光伏串
如果一个电池损坏，整个阵列可以使电流强制通过故障点，这会造成该电池的温度显著上升，导致该电池进一步损坏。这种现象被称为“热斑”形成，会导致阵列输出降低。在开路电池的极端情况下，阵列输出电流将为零。
上述情况的影响可通过在将组件接入阵列时使用旁路二极管（6.4.1节）和/或阻塞二极管（6.4.2节）降至最小化。二极管是使电流仅沿一个方向流动的半导体，6.4.3节载有选择二极管的相关信息。
要点
串联组件的电流输出等于单个能源的最低电流输出。
6.4.1 旁路二极管
一个电池串串联连接以形成太阳能电池组件。如果发生以下情况，组件产生的功率将减少：一个或多个电池有瑕疵，一个或多个电池被遮蔽。
图6.16 使用旁路二极管穿过组件
在这两种情况下，串联电池的极性将反转，并且组件的输出会降低，即使电池的其余部分处于完美的工作状态和明媚的阳光下。反极性还可能导致热量积聚，在组件中形成热斑，使组件受损（6.5.4节）。这些原理同样适用于形成串的串联连接组件。
可以使用旁路二极管（图6.16）在发生反向电压时为电流提供一条备选路径。旁路二极管的作用示于图6.17。如果一个组件被遮蔽或损坏，旁路二极管的数量越多，组件的输出值就越大。
图6.17 安装旁路二极管的效果
旁路二极管增加了阵列具有逆变器工作电压以内的工作电压的可能性。这在下面的例子中进行了说明，逆变器工作电压在第13章有详细说明。
在大多数商业晶体组件中，旁路二极管没有安装到每一个电池上。大多数制造商提供1个旁路二极管穿过24片电池串；在72片电池组件中提供3个二极管，或3个二极管穿过60片电池组件中的由20片电池组成的各串。
实例
设想：图6.17所示各太阳能电池组件在VMP=35V下工作，并且该阵列用于通过具有80～150V工作电压窗口的逆变器将电源连接到电网。每种情况下的输出如下：
（1）VMP=4×35=140V，因为在逆变器电压窗口内，所以这将是并网的最大功率。
（2）VMP=0，不会有功率并网。
（3）VMP=2×35=70V，因为小于逆变器电压窗口，所以不会有功率并网。
（4）VMP=3×35=105V，因为在逆变器电压窗口内，所以会有一些功率并网。
从图6.17可知：
（1）无旁路二极管且无缺陷或遮蔽组件。输出为X V。
（2）无旁路二极管，有一个缺陷或遮蔽组件（图6.17中加深的组件）。组件串的输出将为零。
（3）两个旁路二极管，有一个缺陷或遮蔽组件。阵列的输出为0.5X V，因为上部旁路二极管为电流穿过故障组件和顶部组件提供了一条备选路径。
图6.18 具有和不具有旁路二极管的典型阵列输出
（4）4个旁路二极管，有一个缺陷或遮蔽组件。阵列的输出为0.75X V，因为缺陷组件周围的旁路二极管为电流提供了一条备选路径。
组件制造商的规格应注明配备的旁路二极管的数量。遮光对72片电池组件中具有3个旁路二极管的电池的影响如图6.18所示。在这种情况下，MPP减少了大约1/3。对于许多薄膜组件，电池旁路二极管集成在组件中。
在组件串联连接的阵列中，如果制造商尚未提供，建议每个组件应装有至少一个旁路二极管。集成旁路二极管在密闭组件接线盒中（图6.19）。
图6.19 组件接线盒中的旁路二极管
6.4.2 阻塞二极管
图6.20 阻塞二极管的布置
阻塞二极管（也被称为串联或隔离二极管）在正常系统操作期间传导电流，并与一个组件或一串串联组件串联布置（图6.20）。阻塞二极管的主要目的是防止电流在夜间通过组件倒流，并防止电流流入故障并联串。
阻塞二极管用于含有外部电源（例如电池），可能导致夜间功率流反向的系统中。通常用于独立光伏系统中，但并网系统不需要，除非经过组件制造商建议，因为逆变器不会允许反向流发生在并网系统中。
6.4.3 选择二极管
大多数组件包含旁路二极管，因此并网光伏系统的安装人员必须选择并安装单独的旁路二极管并不常见。
然而，当设计人员确实需要选择旁路二极管时，有无数不同类型和尺寸可供选择。选择二极管时有以下3个主要参数：
（1）二极管允许的正向最大电流（最大连续正向电流IF）。
（2）故障发生前二极管容许的反向最大电压（峰值反向电压VR）。
（3）通过二极管的电压降，决定了通过二极管的功率损失。
两种主要类型的二极管是可硅控整流（SCR）二极管和肖特基二极管。它们的电压降不同：可控硅整流二极管的电压降为0.6～0.7V，而肖特基二极管为0.2～0.4V。如果低电压降和功率损耗很关键，应使用肖特基二极管。
澳大利亚标准
AS/NZS5033：2014 第4.3.9条概述了选择和安装阻塞和旁路二极管的要求，包括旁路二极管最低等级的以下计算：
·电压：2×二极管所连接的组件VOC。
·电流：1.4×二极管所连接的组件ISC。
知识点
9A、600V的二极管通常用于旁路和阻塞二极管。但应随时查阅相关标准。
实例
6A下，可硅控整流二极管的功耗约为
在相同的电流下，肖特基二极管的功耗约为
