馮云峰，郗亞茹，張鶴仙，黃國華

(1.陜西眾森電能科技有限公司，西安 710018；2. 西安交通大學，西安 710049)

0 引言

光伏組件作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中將光能轉(zhuǎn)換為電能的部件，其光電轉(zhuǎn)換效率是決定光伏發(fā)電效率的主要因素[1-2]。光伏組件實際使用過程中，會受到所處戶外復雜環(huán)境的影響，從而導致其電性能參數(shù)改變，其中，太陽輻照度、溫度和濕度產(chǎn)生的影響較為明顯[3]?，F(xiàn)行的由國際電工委員會(IEC)提出的評估發(fā)電量標準——IEC 61853-1和IEC 61853-2針對溫度系數(shù)測試實驗[4]，僅在設計定型中有相應考核標準，但在實際使用中，光伏組件安裝高度、光伏組件背面背景，以及光伏組件所在地的經(jīng)緯度、海拔及日照情況各不相同，IEC 61853-1和IEC 61853-2無法滿足實際應用環(huán)境中的評估[5-7]。目前，實驗室有3種測試方式：1)環(huán)境箱-I-V相對獨立降溫測試，將光伏組件置于高溫箱體內(nèi)加熱至一定溫度后取出，采用太陽模擬器測試儀進行I-V測試[8]；2)側(cè)打光模擬器集成加熱裝置測試，將光伏組件在側(cè)打光區(qū)域內(nèi)加熱至一定溫度后進行I-V測試[9]；3)下打光模擬器集成加熱裝置測試，光伏組件置于下打光腔體內(nèi)部，I-V測試時需打開腔體，測試結束后關閉腔體繼續(xù)升溫，循環(huán)測試直至結束[10]。在溫度系數(shù)測試方面，上述3種方式在測試時均存在溫度分布不均勻的缺點，導致光伏組件p-n結溫度與實際測試溫度不一致。本文基于上打光模擬器及恒溫箱搭建了一種溫度可控、可精確調(diào)節(jié)的溫度系數(shù)測試平臺，該設備通過上打光模擬器對恒溫箱體內(nèi)部光伏組件進行測試，同時采用加熱燈管及風機的方式調(diào)節(jié)箱體溫度，箱體內(nèi)部設有鉑電阻對箱體溫度進行實時監(jiān)控，同時自主研發(fā)I-V測試軟件進行自動測試，測試結束后自動生成溫度系數(shù)曲線。

1 實驗設計及溫度系數(shù)理論

組件上打光溫度系數(shù)測試儀如圖1所示。該實驗系統(tǒng)由A+A+A+標準上打光模擬器、恒溫箱設備、自主研發(fā)的采集軟件、溫度探頭等組成。其中，A+A+A+標準上打光模擬器由光源箱、電控柜、電容柜、采集盒及暗室組成，脈寬為10～100 ms，可調(diào)節(jié)電壓、電流擋位；恒溫箱設備分為機械設備和電控設備，機械設備包括箱體、光伏組件置物架、滑輪等，電控設備包括電加熱管、風機、鉑電阻溫度傳感器、溫控器等。光伏組件在光源正下方的恒溫箱內(nèi)，脈沖光通過濾光片經(jīng)暗室、高透玻璃到達恒溫箱內(nèi)輻照面，通過接線盒將電性能參數(shù)在采集盒內(nèi)轉(zhuǎn)換采集。恒溫箱內(nèi)通過電加熱管及風機進行箱體內(nèi)部溫度控制，溫度調(diào)節(jié)范圍為25～80 ℃，溫差精度為±0.5 ℃，置入可編程邏輯控制器(PLC)程序控制溫度調(diào)節(jié)，恒溫時間及步長可調(diào)節(jié)，同時采用鉑薄膜貼片式傳感器實時監(jiān)控箱體內(nèi)部溫度分布。此外，自主研發(fā)編寫的模擬器上位機軟件與PLC進行通信，設置恒溫測試程序，可實現(xiàn)在一定溫度下自動切換測試。

圖1 組件上打光溫度系數(shù)測試儀Fig. 1 Upper polished module temperature coefficient tester

根據(jù)電子學的理論，在忽略內(nèi)部并聯(lián)電阻情況下，光伏組件的特性可以用一個等效電路模型表示[11]。光伏組件的單二極管等效電路模型如圖2所示，圖中：I為光伏組件輸出電流，A；V為光伏組件輸出電壓，V；IL為光生電流，A，其與入射光強呈正相關；Id為二極管正向電流，A；Rs為光伏組件串聯(lián)電阻，Ω；D為二極管。等效表達式如式(1)、式(2)所示。

圖2 光伏組件等效電路圖Fig. 2 Equivalent circuit of PV modules

式中：q為電子電荷量，值為1.6×10-19C；k為波爾茲曼常數(shù)，值為1.38×10-23J/K；A為二極管質(zhì)量因子；T為光伏組件工作溫度，℃。

當I=0時，電路中的電壓即為開路電壓Voc；當V=0時，記為短路電流Isc。由式(1)、式(2)可得計算式為[11-12]：

式中：α、β均為電池常數(shù)；Ic為太陽輻射強度，W/m2；Ac為光伏組件有效吸收面積，m2。

光伏組件最大功率Pm通常由最大電流Im、最大電壓Vm乘積等效得出，相關計算式為：

串聯(lián)電阻是金屬柵極與晶體硅間接觸電阻、p-n結發(fā)射極和基極區(qū)電阻、電池金屬線電阻、內(nèi)部匯流排電阻等部分之和[12]。近似可看作I-V采集時開路電壓處斜率，計算式為：

光伏組件填充因子FF的計算式為：

由式(1)～式(9)可構建出完整的光伏組件理論模型。可以看出，Isc、Voc、Pm、FF均與溫度有關，光伏組件材料內(nèi)部參數(shù)因溫度變化或太陽輻照度變化均會發(fā)生改變，如內(nèi)在載流子濃度、擴散速率、光子吸收系數(shù)等[13-14]。Isc受溫度影響因素較為復雜；隨著溫度升高，p-n結載流子遷移率減小，復合系數(shù)增加，可導致Isc隨溫度升高而減小，也可導致Voc、FF隨著溫度升高而逐漸減?。坏瑫r，禁帶寬度會隨著溫度升高而逐漸變小，使更多的光子可以激發(fā)電子能級躍遷，本征吸收帶向長波方向移動，光能利用率增加，導致Isc變大[15-18]；此外，隨著擴散長度及少數(shù)p-n結載流子壽命增加，Isc也在增加。綜上，Isc隨溫度增加呈正相關，與Voc、FF呈負相關，且Pm隨著溫度變化也呈負相關[15]。

光伏組件溫度與電性能關系一般被認為近似線性相關，即：

式中：a為溫度系數(shù)；b為系數(shù)；后續(xù)討論中，短路電流溫度系數(shù)、開路電壓溫度系數(shù)、最大功率溫度系數(shù)分別用α、β、δ表示。

一般溫度系數(shù)采用相對溫度系數(shù)，即溫度每變化1 ℃對應的光伏組件的電性能變化百分比，計算式為[18-19]：

式中：Tc為相對溫度系數(shù)，%/℃。

2 實驗結果與討論

恒溫測試開始前，需將待測光伏組件進行電致發(fā)光(EL)等檢測，使用標準光伏組件在標準測試條件(STC)下測試，進行模擬器儀器校準。將待測光伏組件擦拭處理，確保光伏組件表明無明顯異物遮擋，利用光伏組件置物架將待測組件傳運到輻照面，根據(jù)待測光伏組件類型選擇合適脈寬，盡可能減小電容效應對測試結果準確性的影響。

實驗中，設置恒溫箱溫區(qū)為25～75 ℃，控制升溫速度為1 ℃/min，其中，25 ℃溫區(qū)設置恒溫120 min，其他溫區(qū)設置恒溫60 min。模擬器脈沖太陽輻照度為1000 W/m2，電流為12.5 A，電壓為50 V，脈沖寬度為100 ms，測試間隔時間為30 s，測試模式為I-V測試。分別測試不同光伏組件類型、恒溫方式及太陽輻照度條件下光伏組件的電性能參數(shù)，記錄并計算不同類型光伏組件溫度系數(shù)。

2.1 不同恒溫方式下的光伏組件溫度系數(shù)

測試同一PERC光伏組件在不同測試方式下的溫度系數(shù)，對比測試方式為環(huán)境箱-I-V相對獨立降溫測試。對比測試的設備由高低溫環(huán)境試驗箱與下打光模擬器集成，待測光伏組件置于高低溫環(huán)境試驗箱內(nèi)加熱至80 ℃，隨即放入下打光模擬器測試面，太陽輻照度為1000 W/m2，用紅外測溫儀在70 ℃降至25 ℃光伏組件溫度變化時每隔5 ℃進行I-V采集。恒溫箱設備將光伏組件置于箱體內(nèi)部，集成上打光設備測試，確保光伏組件在不同溫度下具備準確性及均勻性，無需進行光伏組件搬運。同一光伏組件不同恒溫方式下的溫度系數(shù)如圖3所示。

圖3 同一光伏組件不同恒溫方式下的溫度系數(shù)Fig. 3 Temperature coefficient of same PV module under different constant temperature methods

從圖3可以看出：不同測試方式測得光伏組件溫度系數(shù)差異較大，高低溫環(huán)境試驗箱在降溫采集時，光伏組件表面溫度分布不均勻，相對溫度系數(shù)接近PERC光伏組件的理論值。測試存在不確定性且不具備重復性。

由式(11)計算出的溫度系數(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 溫度系數(shù)參數(shù)計算結果Table 1 Calculation results of temperature coefficient parameters

2.2 不同類型光伏組件溫度系數(shù)

將標準光伏組件置于恒溫箱內(nèi)部，25 ℃時設置恒溫120 min，使用標準光伏組件對上打光模擬器進行校準，校準時室溫為25 ℃、太陽輻照度為1000 W/m2，AM1.5 A+A+A+標準光譜測試，校準完成后根據(jù)光伏組件類型選擇合適脈寬測試。分別測試PERC、TOPCon、HJT光伏組件，觀察并記錄光伏組件在不同溫度下的電性能參數(shù)，得到溫度系數(shù)如圖4所示。

圖4 不同類型光伏組件溫度系數(shù)Fig. 4 Temperature coefficient of different types of PV modules

從圖4可以看出：不同類型光伏組件溫度系數(shù)因光伏組件材料不同而顯示出不同的參數(shù)。理論上，不同材料光伏組件溫度系數(shù)因半導體材料禁帶寬度不同而有所差異，禁帶寬度較寬的材料，對環(huán)境溫度的依存性較低。PERC光伏組件采用鈍化發(fā)射極及局域背接觸技術，背表面內(nèi)反射機制增加光吸收率，有效提高Isc；TOPCon光伏組件正表面與n-PERC光伏組件沒有本質(zhì)區(qū)別，主要區(qū)別在于采用超薄二氧化硅(SiO2)隧道層和摻雜非晶硅鈍化背面，能有效減少少子復合，提高Voc和FF，進而提高光電轉(zhuǎn)換效率；HJT太陽電池利用晶體硅與非晶硅薄膜制成，具有溫度系數(shù)低的特性，且HJT光伏組件串聯(lián)電阻隨溫度升高而逐漸變小。實驗測試結果與理論基本一致。

該實驗下由式(11)計算出的溫度系數(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 不同類型光伏組件溫度系數(shù)參數(shù)計算結果Table 2 Calculation results of temperature coefficient parameters of different types of PV modules

2.3 不同太陽輻照度下的光伏組件溫度系數(shù)

選擇同一HJT光伏組件，在太陽輻照度分別為600、800、1000 W/m2下測試，觀察并記錄光伏組件在不同太陽輻照度下的電性能參數(shù)，得到的溫度系數(shù)如圖5所示。

從圖5a～5c可以看出：隨著太陽輻照度減小，光伏組件的電性能參數(shù)中的Isc、Voc及Pm均減小。從圖5d～5e可以看出：Rs近似可用I-V曲線Voc斜率表示，Rs數(shù)值逐漸變小，F(xiàn)F逐漸變大。

圖5 不同太陽輻照度下光伏組件溫度系數(shù)Fig. 5 Temperature coefficient of PV modules under different solar irradiance

由式(11)計算出該實驗的溫度系數(shù)參數(shù)具體如表3所示。

表3 不同太陽輻照度下溫度系數(shù)參數(shù)計算結果Table 3 Calculation results of temperature coefficient parameters under different solar irradiance

3 結論

本文利用上打光模擬器集成恒溫箱設備，提出了一種新的溫度系數(shù)測試平臺，并與現(xiàn)有的溫度系數(shù)測試方式進行了對比。實驗發(fā)現(xiàn)，利用環(huán)境箱-I-V相對獨立降溫測試方式測試的同一光伏組件測試結果存在較大差異；而利用本平臺測試方式對比發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)具有較高重復性?；诒緶囟认禂?shù)測試平臺，通過對不同類型光伏組件進行分析，得到了不同類型光伏組件的溫度系數(shù)；通過同一光伏組件在不同太陽輻照度下溫度系數(shù)對比，得到太陽輻照度與溫度系數(shù)值呈負相關，提高太陽輻照度可實現(xiàn)降低光伏組件對溫度的依存性。上打光模擬器集成恒溫箱設備提高了溫度系數(shù)測試的準確性，且具備一定的靈活性。不同類型光伏組件溫度系數(shù)及測試設備對科學、準確地進行溫度系數(shù)修正，評估溫度對光伏組件電性能參數(shù)的影響，具有一定的借鑒指導作用。