李松麗 張 俊 王婷婷 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

0 引言

作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，市場(chǎng)上光伏組件的測(cè)試大多是以標(biāo)準(zhǔn)工作條件下的輸出功率為基準(zhǔn)進(jìn)行的。然而在實(shí)際應(yīng)用中，周邊的環(huán)境溫度對(duì)于光伏組件的輸出有著顯著的影響[1]。光伏組件的溫度系數(shù)是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選型過程[2]中不可或缺的重要技術(shù)參數(shù)。

IEC61215現(xiàn)行版本對(duì)溫度系數(shù)測(cè)試的描述比較簡單，使得當(dāng)前檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)于溫度系數(shù)的測(cè)試有著較大的不確定性。本文以一塊標(biāo)稱功率為235 W的多晶硅組件作為測(cè)試樣品，討論在穩(wěn)態(tài)模擬器和脈沖模擬器下進(jìn)行溫度系數(shù)測(cè)試時(shí)遇到的問題，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較深入的分析，對(duì)于科學(xué)開展溫度系數(shù)的測(cè)試具有一定借鑒作用。

1 測(cè)試裝置

1.1 穩(wěn)態(tài)法

穩(wěn)態(tài)測(cè)試法的主要設(shè)備有中國臺(tái)灣樂利士公司制造的穩(wěn)態(tài)模擬器，包含4個(gè)T型熱電偶的溫度測(cè)試系統(tǒng)、日本EKO公司的具有輻照度和溫度監(jiān)控輔助功能的MP-160 I-V曲線測(cè)試儀和中國計(jì)量院校準(zhǔn)的2 mm×2 mm的單晶硅標(biāo)準(zhǔn)電池片。測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 脈沖法

圖1 穩(wěn)態(tài)法溫度系數(shù)測(cè)試裝置

脈沖法的測(cè)試設(shè)備主要有：步入式恒溫恒濕箱、瑞士pasan3b脈沖模擬器、由萊茵TUV（上海）測(cè)試的參考組件、安裝有4根熱電偶的MX100數(shù)據(jù)采集儀和一個(gè)水平面大于被測(cè)樣品的平板車。其中，pasan3b脈沖模擬器為AAA級(jí)，有效測(cè)試面積為3 m×3 m，具有自身的紅外測(cè)溫裝置和輻照度監(jiān)測(cè)裝置。

2 測(cè)試過程

2.1 穩(wěn)態(tài)模擬器

將待測(cè)光伏組件、標(biāo)準(zhǔn)電池片、熱電偶與MP-160連接。穩(wěn)態(tài)模擬器系統(tǒng)的4只T型熱電偶的終端用絕緣膠帶粘貼在組件背板某個(gè)電池片中心的位置，熱電偶在背板的分布如圖2所示（接線盒位于3#熱電偶的對(duì)稱位置）。

用標(biāo)準(zhǔn)電池片調(diào)整穩(wěn)態(tài)模擬器輸出，使光強(qiáng)維持在1 000 W/m2左右，將被測(cè)組件安裝在測(cè)試支架的有效輻照度范圍內(nèi)，使樣品表面與入射光垂直。用大面積泡沫+紙板遮擋組件，打開穩(wěn)態(tài)模擬器。待光強(qiáng)達(dá)到要求的強(qiáng)度后，去掉遮擋物，由MP-160監(jiān)控背板溫度，在25℃～60℃的溫度范圍內(nèi)，每間隔5℃測(cè)試一次組件的I-V特性曲線。

利用上述測(cè)試所得的I-V特性數(shù)據(jù)，由最小二乘法計(jì)算被測(cè)組件Isc、Voc、Pmp的溫度系數(shù)。

圖2 組件背板熱電偶分布示意圖

2.2 脈沖模擬器

開始之前，用TUV校準(zhǔn)的多晶硅參考組件將脈沖模擬器校準(zhǔn)到合適的狀態(tài)，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使溫度采集和I-V曲線測(cè)試工作全部就緒。

將在步入式恒溫恒濕箱升溫至90℃左右的被測(cè)樣品取出放在平板車上，用深色棉布均勻遮蓋樣品表面。樣品移至脈沖模擬器旁邊，取下棉布，將樣品垂直地面安裝在脈沖模擬器上，樣品背板加貼熱電偶。同時(shí)利用脈沖模擬器自身的紅外探頭監(jiān)測(cè)某一定點(diǎn)的樣品溫度。在60℃～25℃的降溫過程中，每隔5℃測(cè)試一次I-V特性。

利用上述測(cè)試所得的I-V特性數(shù)據(jù)，由最小二乘法計(jì)算被測(cè)組件Isc、Voc、Pmp的溫度系數(shù)。

為了研究重復(fù)性，穩(wěn)態(tài)法和脈沖法溫度系數(shù)測(cè)試均在不同的時(shí)間內(nèi)分別進(jìn)行三次。

3 分析與討論

3.1 穩(wěn)態(tài)模擬器下樣品位置與I-V曲線

第一次用穩(wěn)態(tài)模擬器測(cè)試溫度系數(shù)時(shí)，在25℃～60℃的整個(gè)溫度范圍內(nèi)，被測(cè)樣品的I-V曲線出現(xiàn)了比較明顯的臺(tái)階（由于該樣品在脈沖模擬器下的I-V曲線測(cè)試沒有異常，外觀檢測(cè)也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。穩(wěn)態(tài)模擬器下I-V曲線的臺(tái)階可能是由于光照不均造成的）。由于該模擬器是BBA級(jí)[3]，樣品放置在有效測(cè)試面積的邊緣可能會(huì)存在較大的光強(qiáng)不均勻性，在隨后兩次測(cè)試中調(diào)整樣品，使其靠近有效測(cè)試面積的中心位置。圖3是調(diào)整前后組件溫度為40℃左右時(shí)的I-V曲線。顯然，調(diào)整后的I-V恢復(fù)正常，沒有出現(xiàn)之前的臺(tái)階現(xiàn)象。此外，穩(wěn)態(tài)模擬器測(cè)試系統(tǒng)的4個(gè)熱電偶的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)法溫度系數(shù)測(cè)試過程中，樣品背板不同點(diǎn)的溫差在10℃～25℃之間，也在很大程度上證明了上述論斷。

3.2 穩(wěn)態(tài)模擬器下測(cè)試溫度系數(shù)的重復(fù)性

表1是在三個(gè)不同時(shí)間內(nèi)利用穩(wěn)態(tài)法測(cè)得的溫度系數(shù)。表中，α、β、γ分別代表短路電流Isc、開路電壓Voc和峰值功率Pmp的相對(duì)溫度系數(shù)。平均值是三次溫度系數(shù)測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差是由極差法[4]計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)差占平均值的百分比。標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算過程中的極差系數(shù)C取1.64。需要聲明的是，表1中溫度系數(shù)計(jì)算時(shí)溫度采用的是樣品背板上某一個(gè)定點(diǎn)的溫度。

從表1中相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差來看，電流溫度系數(shù)α的波動(dòng)很大，為33.875%，β和γ相對(duì)較小。這一方面是由于電流溫度系數(shù)α本身的絕對(duì)值較小，容易導(dǎo)致較大的相對(duì)誤差。另一方面，硅太陽能電池的短路電流與光強(qiáng)呈線性關(guān)系。測(cè)試過程中雖然對(duì)樣品的位置進(jìn)行了調(diào)整，但不可能大幅改變樣品表面光的輻照不均勻性和不穩(wěn)定度（整個(gè)測(cè)試期間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)光強(qiáng)在1 049 ～ 1 115 W/m2之間波動(dòng)），加上樣品表面較大的溫差分布使得光伏組件電參數(shù)的測(cè)試不確定度變大，從而影響了溫度系數(shù)計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖3 測(cè)組件在穩(wěn)態(tài)模擬器下的I-V曲線

表1 穩(wěn)態(tài)法測(cè)試所得相對(duì)溫度系數(shù)列表

3.3 脈沖測(cè)試法中組件表面的溫度分布

在新版標(biāo)準(zhǔn)草案中[5]對(duì)測(cè)試過程中的溫度測(cè)試方法和分布情況有了明確的規(guī)定：樣品溫度由圖2中4點(diǎn)溫度的平均值確定，表面均勻度在±2℃以內(nèi)。圖4給出了脈沖模擬器下三次溫度系數(shù)測(cè)試時(shí)組件背板的溫度極差分布情況。

圖4 脈沖模擬器下組件背板的溫度極差

顯然，圖4中第一次測(cè)試的極差數(shù)據(jù)在50℃、55℃、60℃三個(gè)點(diǎn)明顯偏離了其他兩條線。這是由于第一次測(cè)試開始時(shí)，圖2中2#熱電偶誤粘貼在對(duì)邊中心位置，使4個(gè)熱電偶都分布在同一個(gè)半邊。Pasan脈沖模擬器為水平打光方式，光伏組件垂直于地面放置，由于環(huán)境溫度自然的垂直梯度分布，垂直分布跨度小，在一定程度上減弱了樣品與環(huán)境的熱傳導(dǎo)，使第一次測(cè)試時(shí)50℃以上的溫度極差低于其他兩次正常測(cè)試。45℃及以下是熱電偶位置調(diào)整后樣品表面的極差數(shù)據(jù)?？梢?，調(diào)整后樣品表面極差隨溫度變化規(guī)律非常一致。該現(xiàn)象也說明，按圖2所示分布熱電偶對(duì)測(cè)量樣品表面溫度是有必要的。

排除誤操作點(diǎn)后觀察圖4，可以看出，在60℃～25℃范圍內(nèi)，除50℃外，其他溫度下均滿足±2℃的均勻度要求。而且，隨著溫度降低，溫度極差逐漸降低，即越接近環(huán)境溫度，樣品的均勻度越高。溫度極差在50℃出現(xiàn)峰值可能是由熱電偶加貼時(shí)間差異和背板導(dǎo)熱特性等因素造成的。

3.4 脈沖模擬器下溫度系數(shù)的重復(fù)性

表2是脈沖法溫度系數(shù)的測(cè)試結(jié)果?！皢吸c(diǎn)測(cè)溫”表示計(jì)算溫度系數(shù)時(shí)，樣品溫度是由脈沖模擬器自帶的一個(gè)紅外測(cè)試探頭在樣品表面直接測(cè)試得到的。“四點(diǎn)測(cè)溫”代表樣品溫度是由圖2所示的4個(gè)熱電偶所測(cè)溫度的平均值來表示的，即按新版溫度系數(shù)測(cè)試對(duì)溫度的要求進(jìn)行處理。

比較表2中“單點(diǎn)測(cè)溫”和“四點(diǎn)測(cè)溫”所得到的兩組溫度系數(shù)，可以看出，兩組數(shù)據(jù)的一致性很高。說明在保證樣品溫度穩(wěn)定性和均勻性的情況下，即使采用單點(diǎn)測(cè)溫所計(jì)算得到的溫度系數(shù)也是具有代表性的。

表2的三次測(cè)試中，開路電壓溫度系數(shù)β和最大功率溫度系數(shù)γ都具有較高的復(fù)現(xiàn)性，短路電流溫度系數(shù)α的第一次測(cè)試結(jié)果與第二、第三次測(cè)試結(jié)果存在比較明顯的偏離。這可能是由于：（1）短路電流本身的絕對(duì)值很小，容易產(chǎn)生較大的誤差；（2）第一次測(cè)試時(shí)，高溫被測(cè)樣品在平板車上擺放位置不佳，導(dǎo)致測(cè)試開始時(shí)組件背板存在明顯的溫度梯度（如圖5所示）。該過程對(duì)溫度系數(shù)測(cè)試的影響有待進(jìn)一步確認(rèn)。

與表1相比，表2中脈沖測(cè)試法所得溫度系數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差明顯減小，特別是短路電流溫度系數(shù)α的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差更是從穩(wěn)態(tài)法的33.875%降低至11.977%（或9.800%），其他兩個(gè)也都較小。說明脈沖測(cè)試法具有更高的重復(fù)性。

表2 脈沖測(cè)試法溫度系數(shù)測(cè)試結(jié)果一覽表

圖5 樣品放置不當(dāng)時(shí)背板的溫度梯度

比較表1、表2中同一個(gè)溫度系數(shù)的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)法和脈沖法的數(shù)據(jù)相差較大。以單點(diǎn)測(cè)溫方式為例，α、β、γ在穩(wěn)態(tài)法和脈沖法的三次測(cè)試結(jié)果平均值分別為：0.03%/0.06%，-0.41%/-0.34%，-0.56%/-0.44%。導(dǎo)致這種差異的原因主要有：

（1）模擬器不同。穩(wěn)態(tài)法所用的是BBA級(jí)穩(wěn)態(tài)模擬器，脈沖法采用的是AAA級(jí)脈沖模擬器，脈沖模擬器具有更高的光照均勻性、穩(wěn)定性。

（2）校準(zhǔn)系統(tǒng)所用的標(biāo)準(zhǔn)器件不同，穩(wěn)態(tài)法采用的是中國計(jì)量院計(jì)量的小面積單晶硅標(biāo)準(zhǔn)電池片，脈沖法采用的是與被測(cè)樣品面積相當(dāng)?shù)亩嗑Ч杞M件，后者對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性更高。

（3）控溫和測(cè)溫方式不同。穩(wěn)態(tài)法利用穩(wěn)態(tài)模擬器的光照使樣品升溫，在升溫過程中測(cè)試；脈沖法采用步入式恒溫恒濕箱進(jìn)行控溫，在降溫過程中測(cè)試。由于穩(wěn)態(tài)模擬器固有的特性，使得樣品溫度不均勻度更高。顯然，脈沖法測(cè)試所得溫度系數(shù)準(zhǔn)確度較好。

4 結(jié)語

本文分別在穩(wěn)態(tài)模擬器下和脈沖模擬器下對(duì)晶體硅光伏組件溫度系數(shù)的測(cè)試方法和測(cè)試過程進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)模擬器的光照不均勻度對(duì)溫度系數(shù)測(cè)試的影響較大，可能會(huì)導(dǎo)致樣品的I-V曲線出現(xiàn)畸變，表面溫差大幅上升，溫度系數(shù)測(cè)試的重復(fù)性和可靠性下降。采用脈沖模擬器自身的測(cè)試誤差相對(duì)較小，但高溫樣品的移動(dòng)和臨時(shí)粘貼熱電偶在一定程度上引發(fā)了測(cè)試不確定度。因而建議：

1）溫度系數(shù)測(cè)試不宜采用B級(jí)或以下穩(wěn)態(tài)模擬器。

2）脈沖法測(cè)試應(yīng)注意保證高溫樣品的溫度均勻性。

3）升溫過程與I-V測(cè)試盡量在同一區(qū)域進(jìn)行。

[1]王建軍. 太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用中的溫度影響[J]. 青海師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005,(1)p.28-30.

[2]David L. King, Jay A, Kratochivil, etc. Temperature coefficients for PV modules and arrays： measurement methods, difficulties, and results [M].The 26th IEEE Photovoltaic specialists conference, September, 1997,Anaheim, California.

[3]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)GB/T 6495.9-2006[S].北京 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2006

[4]全國法制計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJF 1059-1999[S]. 北京： 中國計(jì)量出版社, 1999.