便攜式I-V測試儀測試結(jié)果準確性的影響因素研究

張 果，王 瑜，盧 剛，馬曉龍，雷鳴宇

(黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)有限公司，西寧 810000)

0 引言

隨著光伏組件制造成本的降低，越來越多的光伏電站已建成并投入使用[1-2]。光伏電站在投入運行前和運行過程中，均須進行光伏組件最大功率測試分析[3]，以便于評估光伏組件的性能。而對于測試儀，由于便攜式I-V測試儀具有使用方便、不受地形限制和體積小等諸多優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應用于光伏電站中光伏組件的最大功率測試工作中。

受限于戶外環(huán)境的影響，在實際的光伏組件最大功率測試中很難達到與標準測試條件(STC)一樣的測試條件，因此，為了使實際測試中的測試結(jié)果具有更高的可重復性和準確性，需要引入I-V特性曲線修正公式對實際的測試結(jié)果進行修正[4]，將戶外非STC下的實際測試條件轉(zhuǎn)化成STC條件下之后再進行測試。

由于在戶外測試時便攜式I-V測試儀的測試結(jié)果容易受天氣狀況(比如：風速、太陽輻照度)、光伏組件工作溫度及輻照計擺放位置等外界因素的影響[5-6]，導致便攜式I-V測試儀的最大輸出功率測試值與光伏組件的最大輸出功率實際值之間會存在一定偏差[7]，雖然這種偏差在戶外測試中無法避免[8-9]，但其卻會影響整個光伏電站的性能評估。而通過對太陽輻照度、風速、光伏組件工作溫度和輻照計擺放位置等因素進行控制，可有效降低便攜式I-V測試儀的測量誤差，提高其測試結(jié)果的準確性[10-11]。

因此，為了更好地掌握外界因素對采用便攜式I-V測試儀進行光伏組件最大功率測試時測試結(jié)果準確性產(chǎn)生的影響，分析測試結(jié)果出現(xiàn)偏差的原因，本文分別采用便攜式I-V測試儀和側(cè)打光組件功率測試儀(下文簡稱為“室內(nèi)臺式I-V測試儀”)作為測試設備，在室內(nèi)STC下采用室內(nèi)臺式I-V測試儀進行光伏組件最大功率測試；然后通過改變戶外測試條件，如太陽輻照度、風速、光伏組件工作溫度、輻照計擺放位置等，采用便攜式I-V測試儀進行光伏組件最大功率測試；將戶外不同測試條件下得到的光伏組件的開路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pmax等數(shù)據(jù)與室內(nèi)STC下的測試結(jié)果進行對比，分析便攜式I-V測試儀在不同測試條件下得出的光伏組件最大輸出功率值產(chǎn)生偏差的原因，找出影響便攜式I-V測試儀測試結(jié)果準確性的因素。

1 實驗設備及樣品

1.1 測試儀器

1.1.1 室內(nèi)臺式I-V測試儀

室內(nèi)臺式I-V測試儀采用的是德國HALM公司生產(chǎn)的型號為CetisPV-XT1的測試儀，其光源為AAA級。室內(nèi)STC具體為：太陽輻照度范圍為1000 ± 5 W/m2，光伏組件工作溫度范圍為25 ± 2 ℃，大氣質(zhì)量為AM1.5[12-14]。

本實驗中室內(nèi)臺式I-V測試儀所測數(shù)據(jù)主要包括光伏組件的Pmax、Isc、Voc、最佳工作電流(即最大功率點時的電流)Impp、最佳工作電壓(即最大功率點時的電壓)Vmpp和填充因子FF等。

1.1.2 便攜式I-V測試儀

便攜式I-V測試儀采用的是德國HALM公司生產(chǎn)的型號為CetisPV-CT-F1的測試儀，其以自然光為光源，電壓的測試范圍為0～1000 V、電流的測試范圍為0～100 A、功率的測試范圍為0～100 kW。

本實驗中便攜式I-V測試儀所測數(shù)據(jù)主要包括Pmax、Isc、Voc、Impp、Vmpp和FF等。

1.2 實驗樣品

實驗選用隆基樂葉光伏科技有限公司生產(chǎn)的60片型單面單晶硅光伏組件進行光伏組件最大功率測試。所用光伏組件的規(guī)格型號為LRP6-60PH-300W，標稱參數(shù)為：Pmax為300 W、Isc為9.81 A、Voc為40.1 V、Vmpp為32.8 V、Impp為9.15 A。實驗共選用3塊光伏組件，條形碼分別為：LRP503038170900600049(記為“1#光伏組件”)、LRP503038170900600750(記為“2#光伏組件”)及LRP503038170900600877(記為“3#光伏組件”)。

2 實驗過程及實驗結(jié)果分析

2.1 室內(nèi)STC下的測試

采用室內(nèi)臺式I-V測試儀對3塊光伏組件樣品進行最大功率測試，具體測試結(jié)果如表1所示。由于在室內(nèi)STC下采用室內(nèi)臺式I-V測試儀得到的測試值的準確性較高，偏差極小，因此以該測試值作為對比時的基準值。

表1 室內(nèi)臺式I-V測試儀在室內(nèi)STC下得到的測試結(jié)果Table 1 Test results obtained by indoor desktop I-V tester under indoor STC

2.2 不同戶外測試條件對便攜式I-V測試儀測試結(jié)果準確性的影響分析

在戶外測試時均采用便攜式I-V測試儀進行光伏組件最大功率測試，分析輻照計擺放位置、光伏組件工作溫度、風速、太陽輻照度等不同測試條件對便攜式I-V測試儀測試結(jié)果準確性的影響。

2.2.1 輻照計擺放位置對測試結(jié)果準確性的影響

由于光伏組件輸出功率除了會受太陽直射光線的影響，還會受地面反射光線等的影響，導致光伏組件不同位置接收到的實際太陽輻照度也會不同，因此在戶外進行光伏組件最大功率測試時，不同的輻照計擺放位置下得到的測試數(shù)據(jù)也會略有不同。

本實驗過程中，輻照計的放置位置分別為：輻照計中間與光伏組件中間位置平行、輻照計最上方與光伏組件上邊沿平行和輻照計最下方與光伏組件下邊沿平行，然后研究在光伏組件工作溫度、太陽輻照度和風速等測試條件均相同的情況下，不同的輻照計擺放位置對光伏組件最大功率測試結(jié)果準確性的影響。

光伏組件的安裝方式一般分為豎排安裝和橫排安裝這2種。對豎排安裝的光伏組件進行測試時輻照計的擺放位置示意圖如圖1所示。

圖1 對豎排安裝的光伏組件進行測試時輻照計的擺放位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of placement position of irradiator when testing PV module installed in vertical row

在如圖1所示的3種輻照計擺放位置下，對3塊光伏組件樣品分別進行最大功率測試，且每塊光伏組件除輻照計擺放位置不同外，其他測試條件，即太陽輻照度(存在±5 W/m2的偏差)、光伏組件工作溫度(存在±2 ℃的偏差)、風速(0 m/s)均相同。具體的測試條件及測試結(jié)果如表2～表4所示。其中：Irra為太陽輻照度；Temp為光伏組件工作溫度。

對橫排安裝的光伏組件進行測試時輻照計的擺放位置示意圖如圖2所示。

圖2 對橫排安裝的光伏組件進行測試時輻照計的擺放位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of placement position of irradiator when testing PV module installed in horizontal row

在如圖2所示的3種輻照計擺放位置下，對3塊光伏組件樣品分別進行最大功率測試，且每塊光伏組件除輻照計擺放位置不同外，其他測試條件均相同，具體的測試條件及測試結(jié)果如表5～表7所示。

從表2～表7的測試結(jié)果可知，在輻照計擺放位置不同、其他測試條件均相同的情況下，所測得的光伏組件最大輸出功率值存在一定偏差，這是因為光伏組件上不同位置接收的來自地面和前排光伏組件等反射的實際太陽輻照度不同。通過對數(shù)據(jù)進行分析可以發(fā)現(xiàn)：對豎排安裝的光伏組件進行最大功率測試時，輻照計擺放位置采用輻照計中間與光伏組件中間位置平行時的測試結(jié)果的準確性較好，說明該位置能較好地體現(xiàn)光伏組件整體接收太陽輻照度的情況，而輻照計擺放位置過低或過高時均會導致所測光伏組件最大輸出功率值出現(xiàn)較大偏差；對橫排安裝的光伏組件進行最大功率測試時，輻照計擺放位置采用輻照計最上方與光伏組件上邊沿平行的位置時的測試結(jié)果較為準確，而輻照計擺放位置過低時不能代表整個光伏組件接收太陽輻照度的情況。

表2 光伏組件豎排安裝時，在太陽輻照度為800 ±5 W/m2、光伏組件工作溫度為55 ±2 ℃、風速為0 m/s的條件下得到的1#光伏組件的測試結(jié)果Table 2 Test results of 1# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 800 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 55 ±2 ℃ and wind speed of 0 m/s when PV module is installed vertically

表3 光伏組件豎排安裝時，在太陽輻照度為800 ±5 W/m2、光伏組件工作溫度為60 ±2℃、風速為0 m/s的條件下得到的2#光伏組件的測試結(jié)果Table 3 Test results of 2# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 800 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 60 ±2 ℃ and wind speed of 0 m/s when PV module is installed vertically

表4 光伏組件豎排安裝時，在太陽輻照度為800 ±5 W/m2、光伏組件工作溫度為52 ±2 ℃、風速為0 m/s的條件下得到的3#光伏組件的測試結(jié)果Table 4 Test results of 3# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 800 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 52 ±2 ℃ and wind speed of 0 m/s when PV module is installed vertically

表5 光伏組件橫排安裝時，在太陽輻照度為850 ±5 W/m2、光伏組件工作溫度為58 ±2 ℃、風速為0 m/s的條件下得到的1#光伏組件的測試結(jié)果Table 5 Test results of 1# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 850 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 58 ±2 ℃ and wind speed of 0 m/s when PV module is installed horizontally

表6 光伏組件橫排安裝時，在太陽輻照度為850 ±5 W/m2、光伏組件工作溫度為53 ±2 ℃、風速為0 m/s的條件下得到的2#光伏組件的測試結(jié)果Table 6 Test results of 2# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 850 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 53 ±2 ℃ and wind speed of 0 m/s when PV module is installed horizontally

表7 光伏組件橫排安裝時，在太陽輻照度為780 ±5 W/m2、光伏組件工作溫度為53 ±2 ℃的條件下得到的3#光伏組件的測試結(jié)果Table 7 Test results of 3# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 780 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 53 ±2 ℃ and wind speed of 0 m/s when PV module is installed horizontally

2.2.2 不同的光伏組件工作溫度對測試結(jié)果準確性的影響

光伏組件工作溫度會影響光伏組件的輸出功率，在輻照計擺放位置(以豎排安裝光伏組件時輻照計中間與光伏組件中間位置平行時為例)、太陽輻照度(存在±5 ℃的偏差)和風速(0 m/s)等測試條件均相同的情況下，針對不同光伏組件工作溫度對光伏組件最大功率測試結(jié)果準確性的影響進行了研究，具體的測試條件和測試結(jié)果如表8～表10所示。

從表8～表10的測試結(jié)果可以看出，每塊光伏組件在光伏組件工作溫度不同、其他測試條件相同的情況下，測試得到的光伏組件最大輸出功率值都會有一定偏差，但隨著光伏組件工作溫度的升高，測試得到的光伏組件最大輸出功率值會有略微的下降，這主要是由光伏組件的Voc降低造成的。測試結(jié)果與室內(nèi)STC下的值相比偏差越小越精確，因此光伏組件工作溫度較低時的測試結(jié)果準確性較好。

表8 在太陽輻照度為800 ±5 W/m2的條件下得到的1#光伏組件的測試結(jié)果Table 8 Test results of 1# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 800 ±5 W/m2

表9 在太陽輻照度為725 ±5 W/m2的條件下得到的2#光伏組件的測試結(jié)果Table 9 Test results of 2# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 725 ±5 W/m2

表10 在太陽輻照度為870 ±5 W/m2的條件下得到的3#光伏組件的測試結(jié)果Table 10 Test results of 3# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 870 ±5 W/m2

2.2.3 不同的太陽輻照度對測試結(jié)果準確性的影響戶外的實際太陽輻照度會對光伏組件的輸出功率產(chǎn)生影響。在輻照計擺放位置(以豎排安裝光伏組件時輻照計中間與光伏組件中間位置平行的擺放位置為例)、光伏組件工作溫度(存在±2℃的偏差)和風速(0 m/s)等測試條件均相同的情況下，通過改變太陽輻照度的大小，研究太陽輻照度對光伏組件最大功率測試結(jié)果準確性的影響，具體的測試條件和測試結(jié)果如表11～表13所示。

表11 在光伏組件工作溫度為57 ±2 ℃條件下得到的1#光伏組件的測試結(jié)果Table 11 Test results of 1# PV module obtained under the condition of PV module working temperature of 57 ±2 ℃

表12 在光伏組件工作溫度為60 ±2 ℃的條件下得到的2#光伏組件的測試結(jié)果Table 12 Test results of 2# PV module obtained under the condition of PV module working temperature of 60 ±2 ℃

表13 在光伏組件工作溫度為58 ±2 ℃條件下得到的3#光伏組件的測試結(jié)果Table 13 Test results of 3# PV module obtained under the condition of PV module working temperature of 58 ±2 ℃

從表11～表13的測試結(jié)果可以看出，每塊光伏組件在太陽輻照度不同、其他測試條件均相同的情況下，隨著太陽輻照度的升高，光伏組件的Isc和Voc均有略微的升高，從而使光伏組件最大輸出功率值也隨之升高。測試結(jié)果與室內(nèi)STC下的值相比偏差越小越精確，因此太陽輻照度較高時的測試結(jié)果準確性較好。

2.2.4 不同風速對測試結(jié)果準確性的影響

在輻照計擺放位置(以豎排安裝光伏組件時輻照計中間與光伏組件中間位置平行的擺放位置為例)、光伏組件工作溫度(存在±2 ℃的偏差)和太陽輻照度(存在±5 W/m2的偏差)等測試條件均相同的情況下，針對不同風速對光伏組件最大功率測試結(jié)果準確性的影響進行了研究，具體的測試條件和測試結(jié)果如表14～表16所示。

從表14～表16中的測試結(jié)果可以看出，每塊光伏組件在風速不同、其他測試條件相同的情況下得到的最大功率測試結(jié)果僅有微小的偏差，且這3塊光伏組件的最大輸出功率值并未隨著風速的變化而出現(xiàn)明顯一致的增加或降低。考慮到風速在測試過程中并未引起太陽輻照度、光伏組件工作溫度等因素的變化，因此在2 m/s以內(nèi)的風速下，風速對光伏組件最大功率測試結(jié)果的準確性無明顯影響。

表14 在太陽輻照度為800 ±5 W/m2、光伏組件工作溫度52 ±2 ℃的條件下得到的1#光伏組件的測試結(jié)果Table 14 Test results of 1# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 800 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 52 ±2 ℃

表15 在太陽輻照度為800 ±5 W/m2、光伏組件工作溫度50 ±2 ℃的條件下得到的2#光伏組件的測試結(jié)果Table 15 Test results of 2# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 800 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 50 ±2 ℃

表16 在太陽輻照度為870±5 W/m2、光伏組件工作溫度63±2 ℃的條件下得到的3#光伏組件的測試結(jié)果Table 16 Test results of 3# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 870 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 63 ±2 ℃

2.3 小結(jié)

對上述測試結(jié)果進行綜合分析發(fā)現(xiàn)，在戶外環(huán)境采用便攜式I-V測試儀對光伏組件最大功率進行測試的情況下，當光伏組件采用豎排安裝方式時，輻照計擺放位置選擇輻照計中間與光伏組件中間位置平行時得到的光伏組件最大功率測試結(jié)果的準確性較好；當光伏組件采用橫排安裝方式時，輻照計擺放位置選擇輻照計最上方與光伏組件上邊沿平行時得到的光伏組件最大功率測試結(jié)果的準確性較好；光伏組件工作溫度較低及太陽輻照度較高時的光伏組件最大功率測試結(jié)果的準確性較好。

3 結(jié)論

本文通過改變戶外測試條件，如太陽輻照度、風速、光伏組件工作溫度、輻照計擺放位置等，針對采用便攜式I-V測試儀進行光伏組件最大功率測試時外界因素對測試結(jié)果準確性的影響進行了研究。在對室內(nèi)與戶外不同測試條件下測試得到的光伏組件各項電性能數(shù)據(jù)進行了對比分析后發(fā)現(xiàn)：

1)輻照計擺放位置、光伏組件工作溫度和太陽輻照度對便攜式I-V測試儀測試結(jié)果的準確性均具有一定的影響，選擇較低的光伏組件工作溫度和較高的太陽輻照度會減小測試結(jié)果的偏差。對豎排安裝的光伏組件進行測試時，最好的輻照計擺放位置是將輻照計中間與光伏組件中間位置平行，此時得到的測試結(jié)果較為準確；對橫排安裝的光伏組件進行測試時，最好的輻照計擺放位置是將輻照計的最上方與光伏組件上邊沿平行，此時得到的測試結(jié)果較為準確。

2)在2 m/s以內(nèi)的風速下，風速對便攜式I-V測試儀測試結(jié)果的準確性無明顯的影響。