光伏組件入射角影響測試的風險控制

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險因素進行識別，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險控制改進建議。

關鍵詞：光伏組件;入射角;風險控制

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IEC61730兩項標準作為設計鑒定定型和安全要求的基礎。但是，此兩項標準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際發(fā)電運行時，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，和實驗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特性也不盡相同。測量和評價光伏組件對入射角的響應特性對發(fā)電能效預測、組件選型等具有重要參考意義。IEC 61853給出了在實驗室條件下測量和評價光伏組件的入射角影響性能的方法，本文就該標準給出的方法進行闡述，并指出測試中存在的風險，以及如何降低這些風險。

一、測試方法介紹及風險識別

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、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），風險點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”的方式進行。主要部件包括：太陽跟蹤器、計算機控制雙軸跟蹤支架、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、風速風向計等。在試驗過程中，太陽自然運動、跟蹤支架由計算機程序控制（調(diào)整方位角和俯仰角）改變?nèi)肷浣?。室外測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，因此較容易實現(xiàn)組件表面輻照度的均勻性（測試選址時還應注意避免周圍建筑物的遮擋和反射光），風險點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致散射光占總太陽光比例過高而不滿足測試條件。

二、風險識別與控制

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，空間均勻性的風險由兩部分導致：一是測試室環(huán)境反射較強，對測試造成干擾;二是由于室內(nèi)測試方法局限，只能在適當范圍內(nèi)滿足標準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，并合理安排測試設備和人員位置，以減少雜散光對測試的影響。當環(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%，則認為環(huán)境布置成功。

當環(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)е聹y試結(jié)果錯誤的風險。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)目標測試的大尺寸光伏組件;2）通過切割光伏組件背板實現(xiàn)獲得某電池片的正負極;3）組件生產(chǎn)時，企業(yè)特制樣品，僅引出單獨1片電池片的正負極。方法1的風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的風險在于人為切割背板存在破壞目標電池片的風險（如隱裂），且電池片正負極柵線引出到測試儀器的接觸電阻增大，容易導致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)濟的途徑。推薦使用技術手段解決上述問題（國內(nèi)具備此測試能力的機構(gòu)有CTC國檢集團、TuV萊茵等）。采用技術手段可以避免定制試樣不等同目標組件的風險、實驗室切割背板損傷樣品的風險和線損增大及企業(yè)成本增加的風險，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?shù)卣绮怀^1小時時間范圍內(nèi)進行，需要滿足“凈空”標準，即太陽垂直法向直接輻射占跟蹤總輻射的含量應不小于85%，風速小于4m/s。典型的室外法測試入射角影響設備如圖2所示。光入射角的確定時戶外法測試主要風險點之一，由于太陽和地球的相對運行，太陽的高度角和方位角時刻都在發(fā)生變化。為了創(chuàng)造標準要求的測試入射角條件，計算機控制跟蹤支架也總是在旋轉(zhuǎn)或俯仰運動。因此，確定實時的太陽光入射角需要計算機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。入射角測量或計算的偏差可能直接導致測試結(jié)果的錯誤。戶外法測試光伏組件的另一風險是組件溫度控制。標準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是不可避免的，不同風向和風速會引起被測組件溫度不均勻進而導致測量失敗。

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

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、組件標稱功率偏差，組件的光照入射率組件初始光致衰退效應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，標稱功率正偏差越大，光照

入射率越高，光致衰退效應越小，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）?？烧{(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%。因為環(huán)境溫度和太陽輻射使得電池工作溫度高于標準條件工作溫度35C，使得電池功事下降175%，進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)化設計降低其影響。

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)果風險控制、方法改進。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;推薦使用技術手段，解決測試不準確或定制試樣不具有代表性的問題。

參考文獻：

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[2]IEC61724：1998 Photovoltaic System Performance Monitoring-Guidelines for Measurement， Data Exchange and Analysis.

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