一種新型雙面光伏組件正面和背面太陽輻照測試系統(tǒng)的介紹

國家電投集團西安太陽能電力有限公司 ■ 苗林

0 引言

在新能源領(lǐng)域，無論是光伏電站還是太陽能熱發(fā)電站，精確與可靠的太陽輻照數(shù)據(jù)都尤為重要。該數(shù)據(jù)是堅實可靠的基礎(chǔ)信息，是產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量控制、確定最佳定位、檢測系統(tǒng)效率和各種天氣條件下進行太陽能發(fā)電量預(yù)報等活動的科學(xué)決策依據(jù)。

相對傳統(tǒng)的單面發(fā)電的光伏組件而言，由于雙面光伏組件的正面和背面均可發(fā)電，具有提高發(fā)電量和系統(tǒng)綜合效率，進而降低度電成本的優(yōu)點。現(xiàn)有的測量雙面光伏組件正面和背面的太陽輻照度和輻照量的方法，需要按照實際的安裝傾角分別在組件正面和背面安裝太陽輻照儀。但由于太陽輻照儀的光譜響應(yīng)范圍與光伏組件存在差異，且平單軸、斜單軸等非固定式的安裝方式也會給太陽輻照儀的安裝帶來困難，會給輻照度和輻照量的精確測量造成誤差，因此，有必要對雙面光伏組件正面和背面的太陽輻照測量方法進行改進。基于此，本文提出了一種新型的雙面光伏組件正面和背面太陽輻照測試系統(tǒng)及測試方法[1-2]。

1 雙面光伏組件正面和背面太陽輻照測試系統(tǒng)介紹

本雙面光伏組件正面和背面太陽輻照測試系統(tǒng)包括雙面光伏組件測試裝置、電阻、電壓采集模塊、溫度采集模塊、數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊、遠程查看幾部分[3-4]，如圖1所示。

圖1 雙面光伏組件正面和背面太陽輻照測試系統(tǒng)示意圖

1.1 雙面光伏組件測試裝置

為了能夠完全模擬雙面光伏組件的封裝工藝與使用環(huán)境，本測試系統(tǒng)中的本雙面光伏組件測試裝置為特制，其與待測的雙面光伏組件采用相同的材料(雙面太陽電池、鍍膜玻璃、封裝膠膜、焊帶、匯流帶、接線盒)進行封裝，如圖2所示。

圖2 雙面光伏組件測試裝置實物圖

圖2中的雙面光伏組件測試裝置由2片相同的雙面太陽電池制作而成，中間使用遮光材料，以保證每片太陽電池僅單面受光。組件的正面為其中1片雙面太陽電池的正面受光面，組件的背面為另1片雙面太陽電池的背面受光面。組件正面和背面的電池均焊接焊帶、匯流帶，并使用接線盒分別將兩側(cè)電流引出，用于測試電池的電性能；同時，2片電池均放置T型熱電偶，用于測試電池的溫度。雙面光伏組件測試裝置的正面和側(cè)面示意圖如圖3所示。

圖3 雙面光伏組件測試裝置示意圖

該測試裝置在使用前，首先需要對雙面光伏組件的正面和背面分別進行60 kWh/m2光衰測試，以保證電池的電性能穩(wěn)定；然后分別對正面和背面進行光譜響應(yīng)標(biāo)定、短路電流標(biāo)定、電流溫度系數(shù)標(biāo)定。

1.2 電阻

使用低溫度系數(shù)、低阻值電阻，將電阻1和電阻2分別串聯(lián)在正面接線盒和背面接線盒的兩側(cè)。

1.3 電壓采集模塊

電壓采集模塊用于采集電阻1和電阻2兩端的電壓值，并將電壓值傳輸至數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊。

1.4 溫度采集模塊

溫度采集模塊用于采集正面熱電偶和背面熱電偶的溫度，并將溫度值傳輸至數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊。

1.5 數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊

數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊用于對數(shù)據(jù)進行采集和處理。根據(jù)電阻和采集的電壓數(shù)值，可得到雙面光伏組件測試裝置的正面短路電流或背面短路電流，公式[5]為：

式中，Isc為雙面光伏組件測試裝置正面或背面的短路電流，A；V為電壓，V；R為電阻，Ω。

根據(jù)標(biāo)定的電流溫度系數(shù)，使用采集的雙面光伏組件測試裝置正面或背面的溫度和由式(1)得到的短路電流，將短路電流修正至25 ℃，即：

再將修正后的短路電流與標(biāo)定的短路電流進行對比，即可得到雙面光伏組件測試裝置正面或背面的輻照度，公式為：

式中，G為輻照度，W/m2；G0為標(biāo)準輻照度，為1000 W/m2；為標(biāo)定短路電流，A。

將輻照度對時間做積分，可得到輻照量，即：

式中，H為輻照量，W/(m2·h)；t為時間，h。

數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊的界面如圖4所示。圖中，CH1為雙面光伏組件測試裝置的正面，CH2為其背面。通過短路電流值和溫度值，可得到正面和背面的輻照度，進一步可得到正面和背面的輻照量。

圖4 數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊的界面

1.6 遠程查看

在數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊配置GPRS通信模組，可實現(xiàn)測試系統(tǒng)結(jié)果的遠程查看功能。

1.7 設(shè)備精度

在本雙面光伏組件正面和背面太陽輻照測試系統(tǒng)中，電阻溫度系數(shù)要求±20 ppm/℃，電阻阻值要求≤2 mΩ。

2 與現(xiàn)有測試技術(shù)的比較

本雙面光伏組件正面和背面太陽輻照測試系統(tǒng)與現(xiàn)有測試技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和優(yōu)勢：

1)本測試系統(tǒng)中的雙面光伏組件測試裝置采用了與待測的雙面光伏組件完全相同的雙面太陽電池、組裝工藝、安裝條件及使用條件，從而使測試系統(tǒng)測得的輻照量能精確地反映出待測的雙面光伏組件的輻照量。

2)本測試系統(tǒng)利用2片相同的雙面太陽電池封裝成雙面光伏組件測試裝置，且僅使用其中1片電池的正面和另1片電池的背面，2片電池中間利用黑色遮光材料層進行遮光，使得1片電池僅正面工作，另1片電池僅背面工作，從而可實現(xiàn)對雙面光伏組件測試裝置正面和背面電壓及溫度的分別采集。

而在現(xiàn)有測試技術(shù)中，由于雙面光伏組件中的雙面太陽電池的正面和背面是同時接收光照進行工作的，因此無法將其正面和背面的電壓及溫度區(qū)分開，從而無法實現(xiàn)利用測試電壓和溫度對正面和背面輻照量進行分別計算。

3)本測試系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)遠程發(fā)送于一體，可方便實現(xiàn)對雙面光伏組件正面和背面太陽輻照的測試，且整個測試過程為自動化處理。

3 本測試系統(tǒng)的實際應(yīng)用舉例

3.1 計算電站的綜合效率

《并網(wǎng)光伏電站性能監(jiān)測與質(zhì)量評估技術(shù)規(guī)范》中指出：光伏電站綜合效率(PR)

式中，E為評估周期內(nèi)光伏電站并網(wǎng)計量點的交流發(fā)電量；P0為光伏方陣額定功率；Hi為評估周期內(nèi)輻照度對時間的積分；G0為標(biāo)準測試條件輻照度，為1000 W/m2。

由式(5)可以看出，Hi的準確測量是計算光伏電站PR的重要因素，尤其是對于非固定式的平單軸、斜單軸等安裝方式來說，使用傳統(tǒng)的太陽輻照儀難以準確測量總輻照度，但利用本測試系統(tǒng)可對總輻照度進行準確測量。

3.2 發(fā)電量預(yù)測

光伏電站在進行前期可行性研究時，需要對擬建光伏電站的發(fā)電量進行理論預(yù)測，以此來計算項目的投資收益率，進而決定項目是否值得建設(shè)。根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》第6.6條，電站發(fā)電量的計算式可表示為：

式中，Ep為上網(wǎng)發(fā)電量，kWh；HA為當(dāng)?shù)靥柲苣昕傒椪樟浚琸Wh/m2；PAZ為系統(tǒng)安裝容量，kW；K為綜合效率系數(shù)。

由式(6)可以看出，HA的準確測量是發(fā)電量預(yù)測的重要因素。因此，針對所采用光伏組件的輻照量的測量越準確越好。

4 總結(jié)

本文提出了一種新型的雙面光伏組件正面和背面太陽輻照測試系統(tǒng)及測試方法，該測試系統(tǒng)的光譜響應(yīng)范圍可保證與待測光伏組件的光譜響應(yīng)范圍完全相同，且便于在非固定式安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用，系統(tǒng)的運動不會對測試結(jié)果造成誤差，可實現(xiàn)對雙面光伏組件正面和背面太陽輻照度及輻照量的準確測量。