王鳳軍

摘 要：闡述光伏組件入射角影響測試的基本原理，介紹室內(nèi)測試方法和戶外測試方法，分別對兩種測試方法的風(fēng)險因素進(jìn)行識別，并給出入射角影響測試的檢測室環(huán)境、溫度控制等方面的風(fēng)險控制改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：光伏組件;入射角;風(fēng)險控制

前言：為了評估光伏組件的性能和可靠性，國際上通常采用IEC61215和IEC61730兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)鑒定定型和安全要求的基礎(chǔ)。但是，此兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)涉及光伏組件電性能評價時，均采用光源垂直于光伏組件入射的條件下測量光伏組件輸出性能。然而光伏組件在戶外實(shí)際發(fā)電運(yùn)行時，除了雙軸跟蹤以外的光伏支架系統(tǒng)，太陽光絕大時候是以非垂直入射方式照射在光伏組件表面的，太陽光斜射時的直射光和散射光比例以及外反射（空氣和蓋板玻璃）和內(nèi)反射（密封材料、焊帶、電池片、背板等）情況，和實(shí)驗(yàn)室垂直入射時大不相同。不同材料和封裝工藝的光伏組件對入射角的響應(yīng)特性也不盡相同。測量和評價光伏組件對入射角的響應(yīng)特性對發(fā)電能效預(yù)測、組件選型等具有重要參考意義。IEC 61853給出了在實(shí)驗(yàn)室條件下測量和評價光伏組件的入射角影響性能的方法，本文就該標(biāo)準(zhǔn)給出的方法進(jìn)行闡述，并指出測試中存在的風(fēng)險，以及如何降低這些風(fēng)險。

一、測試方法介紹及風(fēng)險識別

1.入射角影響測試介紹

控制樣品在一定的溫度（或?qū)嶋H溫度修正至目標(biāo)溫度），使樣品的有效測試區(qū)域均勻接收入射光照射，改變光入射的角度（入射光線與光伏組件法線的夾角即為光入射角），測量各個入射光角度時的光伏組件輸出性能。

其中：為光入射角，為光垂直入射組件時（=0°）組件的輸出短路電流，為光以角度入射時組件的輸出短路電流。入射角是自變量，光利用率是因變量。測量得到多個數(shù)據(jù)對后，通過擬合程序得到代表組件入射角響應(yīng)特性的無量綱常數(shù)IAM。

2.室內(nèi)測試方法

入射角影響的室內(nèi)測試方法，采用“固定模擬光源+可旋轉(zhuǎn)組件支架”的方式進(jìn)行。主要部件包括：模擬太陽光源、光伏組件支架、組件性能測試儀、光入射角測試儀、輻照度計(jì)、溫度記錄儀等。在測試過程中，光源固定、樣品單軸旋轉(zhuǎn)改變光入射角。

室內(nèi)測試方法較容易實(shí)現(xiàn)組件溫度的控制（可采用控溫室、脈沖式單次閃光太陽模擬器），風(fēng)險點(diǎn)在于控制組件有效測試區(qū)域旋轉(zhuǎn)過程中各位置的空間均勻性、試樣測試結(jié)果是否準(zhǔn)確。

3.室外測試方法

入射角影響的室外測試方法，采用“自然太陽光+跟蹤支架”的方式進(jìn)行。主要部件包括：太陽跟蹤器、計(jì)算機(jī)控制雙軸跟蹤支架、組件性能測試儀、光入射角測試儀、總輻射儀、直接輻射儀、溫度記錄儀、風(fēng)速風(fēng)向計(jì)等。在試驗(yàn)過程中，太陽自然運(yùn)動、跟蹤支架由計(jì)算機(jī)程序控制（調(diào)整方位角和俯仰角）改變?nèi)肷浣恰Ｊ彝鉁y試方法在自然太陽光下測量，入射到組件表面的太陽光為平行光，因此較容易實(shí)現(xiàn)組件表面輻照度的均勻性（測試選址時還應(yīng)注意避免周圍建筑物的遮擋和反射光），風(fēng)險點(diǎn)是確定光入射的角度、控制組件溫度穩(wěn)定，在部分地區(qū)或時期，還會因污染或多云導(dǎo)致散射光占總太陽光比例過高而不滿足測試條件。

二、風(fēng)險識別與控制

1.室內(nèi)測試方法

室內(nèi)測試方法采用的是“固定模擬光源+可旋轉(zhuǎn)組件支架”的方式，空間均勻性的風(fēng)險由兩部分導(dǎo)致：一是測試室環(huán)境反射較強(qiáng)，對測試造成干擾;二是由于室內(nèi)測試方法局限，只能在適當(dāng)范圍內(nèi)滿足標(biāo)準(zhǔn)中對空間均勻性不超過5%的要求。

組件在空間旋轉(zhuǎn)過程中，前表面面向的可能是地面、光源、屋頂、斜上方等各種物體，因此需要減少環(huán)境對模擬光源發(fā)出光的反射，避免對組件不同角度測試形成干擾。圖1展示了6種不同材料在290nm～2500nm波段的反射率情況，可見E材料在各波段的反射率位于1.4%—3.8%之間，是6種材料中最適合選用的材料。建議使用圖1中的E材料覆蓋測試室各墻面，并合理安排測試設(shè)備和人員位置，以減少雜散光對測試的影響。當(dāng)環(huán)境布置到一定階段后，將組件前表面向上、向下各翻轉(zhuǎn)至入射角為80°情況，分別測量此時的輸出性能，如果兩種情況的偏差不超過2%，則認(rèn)為環(huán)境布置成功。

當(dāng)環(huán)境布置成功、雜散光得到有效處理后，一個比較滿意的測試室就搭建完成了。然而由于室內(nèi)測試方法模擬太陽光小尺寸光源的使用，在常規(guī)光伏組件尺寸（1950mm×992mm）旋轉(zhuǎn)空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)空間均勻性在5%以內(nèi)比較困難，如果在此情況下繼續(xù)測試，組件表面輻照度不均勻?qū)?dǎo)致測試結(jié)果錯誤的風(fēng)險。因此，室內(nèi)法測試時需要限定測試有效區(qū)域，將其限制在空間均勻性滿足5%的范圍內(nèi)。

限定測試有效區(qū)域尺寸的最好辦法就是測試光伏組件的最小組成單元——單個電池片。單個電池片樣品可以通過如下方法獲得：1）企業(yè)定制小尺寸試樣，封裝材料和工藝等同該企業(yè)目標(biāo)測試的大尺寸光伏組件;2）通過切割光伏組件背板實(shí)現(xiàn)獲得某電池片的正負(fù)極;3）組件生產(chǎn)時，企業(yè)特制樣品，僅引出單獨(dú)1片電池片的正負(fù)極。方法1的風(fēng)險在于不能保證小尺寸試樣性質(zhì)等同組件，亦即小尺寸試樣的結(jié)果不能代表目標(biāo)組件的測試結(jié)果，主要原因是小尺寸試樣制作所需要的原材料、制作工藝很難和正常組件保持一致。方法2的風(fēng)險在于人為切割背板存在破壞目標(biāo)電池片的風(fēng)險（如隱裂），且電池片正負(fù)極柵線引出到測試儀器的接觸電阻增大，容易導(dǎo)致IV特性測量失敗，并且該方法不適用于雙玻光伏組件。方法3存在單片電池片通過長距離焊帶輸送產(chǎn)生線損，以及和企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備協(xié)調(diào)性不好、耽誤企業(yè)生產(chǎn)節(jié)拍、較大增加企業(yè)成本等問題。

因此，通過上述方法測量單片電池片不是最好、最經(jīng)濟(jì)的途徑。推薦使用技術(shù)手段解決上述問題（國內(nèi)具備此測試能力的機(jī)構(gòu)有CTC國檢集團(tuán)、TuV萊茵等）。采用技術(shù)手段可以避免定制試樣不等同目標(biāo)組件的風(fēng)險、實(shí)驗(yàn)室切割背板損傷樣品的風(fēng)險和線損增大及企業(yè)成本增加的風(fēng)險，是入射角影響室內(nèi)測試方法的首選。

2.室外測試方法

戶外測試方法采用的是“自然太陽光+跟蹤支架”的方式，宜在當(dāng)?shù)卣绮怀^1小時時間范圍內(nèi)進(jìn)行，需要滿足“凈空”標(biāo)準(zhǔn)，即太陽垂直法向直接輻射占跟蹤總輻射的含量應(yīng)不小于85%，風(fēng)速小于4m/s。典型的室外法測試入射角影響設(shè)備如圖2所示。光入射角的確定時戶外法測試主要風(fēng)險點(diǎn)之一，由于太陽和地球的相對運(yùn)行，太陽的高度角和方位角時刻都在發(fā)生變化。為了創(chuàng)造標(biāo)準(zhǔn)要求的測試入射角條件，計(jì)算機(jī)控制跟蹤支架也總是在旋轉(zhuǎn)或俯仰運(yùn)動。因此，確定實(shí)時的太陽光入射角需要計(jì)算機(jī)控制程序和太陽跟蹤器的密切配合，或者采用高精度、高可靠性的太陽入射角度測試儀。入射角測量或計(jì)算的偏差可能直接導(dǎo)致測試結(jié)果的錯誤。戶外法測試光伏組件的另一風(fēng)險是組件溫度控制。標(biāo)準(zhǔn)要求測試時組件不同位置的多個溫度傳感器溫度值偏差不超過5℃，然而在戶外無周圍建筑物遮擋情況下風(fēng)是不可避免的，不同風(fēng)向和風(fēng)速會引起被測組件溫度不均勻進(jìn)而導(dǎo)致測量失敗。

此外，在部分地區(qū)或時期，還會因污染或多云導(dǎo)致散射光占總太陽光比例過高而不滿足測試條件，導(dǎo)致測試無法進(jìn)行及測試周期延長的風(fēng)險。因此，室外測試方法應(yīng)考慮試驗(yàn)進(jìn)行的地點(diǎn)和時間。

三、影響并網(wǎng)光伏電站效率的因素分析

1.光伏組件

光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率、組件標(biāo)稱功率偏差，組件的光照入射率組件初始光致衰退效應(yīng)等四方面因素影響光伏電站效事。光伏組件的轉(zhuǎn)換效率越高，標(biāo)稱功率正偏差越大，光照

入射率越高，光致衰退效應(yīng)越小，光伏電站效率越高。如果光伏組件衰減越慢，電站長期效率越高。

2.組件安裝

在地面光伏站中，光伏組件多種安裝方式，按照增加照射組件表面輻射能由低到高的順序，依次是固定支架安裝（0-0.6RMBNWp）。可調(diào)支架安裝、平單軸跟蹤器安裝（1.5.20RMBWp）、斜單軸跟蹤器安裝（1.7.2 RMB/Wp）和雙軸跟蹤器（3.0-3.5 RMB/Wp）安裝等方式。固定支架安裝方式是成本最低、土地利用率最高，使用最可靠的安裝方式。雙軸跟蹤器安裝方式是成本最高、土地利用率最低，使用可靠最差的安裝方式。盡管可以通過使用跟蹤器方式提高光伏電站整體效率，但是經(jīng)濟(jì)可行性需要結(jié)合具體電站選擇合理安裝方式。

3.電池溫度

光伏電池工作溫度對光伏方陣的輸出功率有重大影響，單晶硅電池功率溫度系數(shù)為-0.5%/C，即電池工作溫度上升10，電池輸出功事降低0.5%。因?yàn)榄h(huán)境溫度和太陽輻射使得電池工作溫度高于標(biāo)準(zhǔn)條件工作溫度35C，使得電池功事下降175%，進(jìn)而光伏電站效奉至少下降17.5%。

4.灰塵和遮擋

組件表面的灰塵和遮擋物都可以降低光伏電站的發(fā)電量?；覊m使得光伏電站的效率降低到原值的79%-98%典型值為95%。通過定期清洗除去光伏組件表面灰塵，提高光伏電站發(fā)電量。遮擋使得光伏電站的效率降低到原值，沒有太陽光照射在組件表面：10%是指沒有遮擋。對于樹葉、鳥黃等雜物落在組件表面形成的遮擋，可以通過檢測進(jìn)行清除。對于電線桿、煙肉等建筑物形成的遮擋，可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)降低其影響。

5.光伏組件匹配

由于生產(chǎn)過程的限制，單個模型的組件會存在生產(chǎn)錯誤。當(dāng)組件組成正方形矩陣時，組件發(fā)生損耗，電流損耗發(fā)生在模塊串聯(lián)時，電壓損耗發(fā)生在模塊并聯(lián)時。組件匹配損失范圍為5-3%，典型值為2%。

四、結(jié)語

本文主要研究內(nèi)容是光伏組件入射角影響的測試結(jié)果風(fēng)險控制、方法改進(jìn)。室內(nèi)測試方法，推薦使用全波段低反射率材料處理檢測室環(huán)境條件;推薦使用技術(shù)手段，解決測試不準(zhǔn)確或定制試樣不具有代表性的問題。

參考文獻(xiàn)：

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