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

0 引言

作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，市場上光伏組件的測試大多是以標準工作條件下的輸出功率為基準進行的。然而在實際應(yīng)用中，周邊的環(huán)境溫度對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)行版本對溫度系數(shù)測試的描述比較簡單，使得當前檢測實驗室對于溫度系數(shù)的測試有著較大的不確定性。本文以一塊標稱功率為235 W的多晶硅組件作為測試樣品，討論在穩(wěn)態(tài)模擬器和脈沖模擬器下進行溫度系數(shù)測試時遇到的問題，并對測試結(jié)果進行了比較深入的分析，對于科學開展溫度系數(shù)的測試具有一定借鑒作用。

1 測試裝置

1.1 穩(wěn)態(tài)法

穩(wěn)態(tài)測試法的主要設(shè)備有中國臺灣樂利士公司制造的穩(wěn)態(tài)模擬器，包含4個T型熱電偶的溫度測試系統(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曲線測試儀和中國計量院校準的2 mm×2 mm的單晶硅標準電池片。測試系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 脈沖法

圖1 穩(wěn)態(tài)法溫度系數(shù)測試裝置

脈沖法的測試設(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)采集儀和一個水平面大于被測樣品的平板車。其中，pasan3b脈沖模擬器為AAA級，有效測試面積為3 m×3 m，具有自身的紅外測溫裝置和輻照度監(jiān)測裝置。

2 測試過程

2.1 穩(wěn)態(tài)模擬器

將待測光伏組件、標準電池片、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#熱電偶的對稱位置）。

用標準電池片調(diào)整穩(wěn)態(tài)模擬器輸出，使光強維持在1 000 W/m2左右，將被測組件安裝在測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。待光強達到要求的強度后，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℃測試一次組件的I-V特性曲線。

利用上述測試所得的I-V特性數(shù)據(jù)，由最小二乘法計算被測組件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校準的多晶硅參考組件將脈沖模擬器校準到合適的狀態(tài)，運行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使溫度采集和I-V曲線測試工作全部就緒。

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。同時利用脈沖模擬器自身的紅外探頭監(jiān)測某一定點的樣品溫度。在60℃～25℃的降溫過程中，每隔5℃測試一次I-V特性。

利用上述測試所得的I-V特性數(shù)據(jù)，由最小二乘法計算被測組件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)測試均在不同的時間內(nèi)分別進行三次。

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)模擬器測試溫度系數(shù)時，在25℃～60℃的整個溫度范圍內(nèi)，被測樣品的I-V曲線出現(xiàn)了比較明顯的臺階（由于該樣品在脈沖模擬器下的I-V曲線測試沒有異常，外觀檢測也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。穩(wěn)態(tài)模擬器下I-V曲線的臺階可能是由于光照不均造成的）。由于該模擬器是BBA級[3]，樣品放置在有效測試面積的邊緣可能會存在較大的光強不均勻性，在隨后兩次測試中調(diào)整樣品，使其靠近有效測試面積的中心位置。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)之前的臺階現(xiàn)象。此外，穩(wěn)態(tài)模擬器測試系統(tǒng)的4個熱電偶的監(jiān)測結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)法溫度系數(shù)測試過程中，樣品背板不同點的溫差在10℃～25℃之間，也在很大程度上證明了上述論斷。

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

表1是在三個不同時間內(nèi)利用穩(wěn)態(tài)法測得的溫度系數(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的相對溫度系數(shù)。平均值是三次溫度系數(shù)測試結(jié)果的算術(shù)平均值，相對標準差是由極差法[4]計算得到的標準差占平均值的百分比。標準差計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)計算時溫度采用的是樣品背板上某一個定點的溫度。

從表1中相對標準差來看，電流溫度系數(shù)α的波動很大，為33.875%，β和γ相對較小。這一方面是由于電流溫度系數(shù)α本身的絕對值較小，容易導(dǎo)致較大的相對誤差。另一方面，硅太陽能電池的短路電流與光強呈線性關(guān)系。測試過程中雖然對樣品的位置進行了調(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（整個測試期間，監(jiān)測點光強在1 049 ～ 1 115 W/m2之間波動），加上樣品表面較大的溫差分布使得光伏組件電參數(shù)的測試不確定度變大，從而影響了溫度系數(shù)計算結(jié)果的可靠性。

圖3 測組件在穩(wěn)態(tài)模擬器下的I-V曲線

表1 穩(wěn)態(tài)法測試所得相對溫度系數(shù)列表

3.3 脈沖測試法中組件表面的溫度分布

在新版標準草案中[5]對測試過程中的溫度測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)測試時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中第一次測試的極差數(shù)據(jù)在50℃、55℃、60℃三個點明顯偏離了其他兩條線。這是由于第一次測試開始時，圖2中2#熱電偶誤粘貼在對邊中心位置，使4個熱電偶都分布在同一個半邊。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)，使第一次測試時50℃以上的溫度極差低于其他兩次正常測試。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)?？梢姡{(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所示分布熱電偶對測量樣品表面溫度是有必要的。

排除誤操作點后觀察圖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)的測試結(jié)果。“單點測溫”表示計算溫度系數(shù)時，樣品溫度是由脈沖模擬器自帶的一個紅外測試探頭在樣品表面直接測試得到的?！八狞c測溫”代表樣品溫度是由圖2所示的4個熱電偶所測溫度的平均值來表示的，即按新版溫度系數(shù)測試對溫度的要求進行處理。

比較表2中“單點測溫”和“四點測溫”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，即使采用單點測溫所計算得到的溫度系數(shù)也是具有代表性的。

表2的三次測試中，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的第一次測試結(jié)果與第二、第三次測試結(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值很小，容易產(chǎn)生較大的誤差；（2）第一次測試時，高溫被測樣品在平板車上擺放位置不佳，導(dǎo)致測試開始時組件背板存在明顯的溫度梯度（如圖5所示）。該過程對溫度系數(shù)測試的影響有待進一步確認。

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

表2 脈沖測試法溫度系數(shù)測試結(jié)果一覽表

圖5 樣品放置不當時背板的溫度梯度

比較表1、表2中同一個溫度系數(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。以單點測溫方式為例，α、β、γ在穩(wěn)態(tài)法和脈沖法的三次測試結(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級穩(wěn)態(tài)模擬器，脈沖法采用的是AAA級脈沖模擬器，脈沖模擬器具有更高的光照均勻性、穩(wěn)定性。

（2）校準系統(tǒng)所用的標準器件不同，穩(wěn)態(tài)法采用的是中國計量院計量的小面積單晶硅標準電池片，脈沖法采用的是與被測樣品面積相當?shù)亩嗑Ч杞M件，后者對數(shù)據(jù)測試的準確性和可靠性更高。

（3）控溫和測溫方式不同。穩(wěn)態(tài)法利用穩(wěn)態(tài)模擬器的光照使樣品升溫，在升溫過程中測試；脈沖法采用步入式恒溫恒濕箱進行控溫，在降溫過程中測試。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，脈沖法測試所得溫度系數(shù)準確度較好。

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晶體硅光伏組件溫度系數(shù)的測試方法和測試過程進行研究。發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)模擬器的光照不均勻度對溫度系數(shù)測試的影響較大，可能會導(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)測試的重復(fù)性和可靠性下降。采用脈沖模擬器自身的測試誤差相對較小，但高溫樣品的移動和臨時粘貼熱電偶在一定程度上引發(fā)了測試不確定度。因而建議：

1）溫度系數(shù)測試不宜采用B級或以下穩(wěn)態(tài)模擬器。

2）脈沖法測試應(yīng)注意保證高溫樣品的溫度均勻性。

3）升溫過程與I-V測試盡量在同一區(qū)域進行。

[1]王建軍. 太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用中的溫度影響[J]. 青海師范大學學報(自然科學版), 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)標準化技術(shù)委員會GB/T 6495.9-2006[S].北京 中國標準出版社, 2006

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