光伏組件標態3A級IV移動檢測平臺研究

劉立勇，郭鐘亮，朱青云，韓宏偉，姜志成，胡旭東

(1.青海省產品質量監督檢驗所， 青海 西寧 810001； 2.樂利士實業股份有限公司，中國 臺灣;3.青海天創新能源科技有限公司， 青海 西寧 810003)

隨著光伏電站的大規模建設，光伏電站發電主力核心設備——光伏組件的質量越來越受重視。對光伏組件質量和性能的檢測需要做到準確、權威、快速、節約成本。檢測認證機構對于運行中的電池組件，由于實驗室檢測運距長、耗費時間長、花費的人力和財力較大，這種方式不經濟，也不現實；采用便攜的野外功率測試儀時，由于測試條件的影響和設備本身精度等問題，無法得到令人信服的準確、權威的檢測結果。因此，目前電站建設單位對已建好的電站中的組件基本不檢測，最多也只能進行抽測，無法現場快速和全面地檢測。

為了在電站現場能快速地對電池組件進行準確、權威的檢測，本文研究了一種光伏組件標態3A級IV移動檢測平臺。該平臺相當于一個可移動的光伏組件標態檢測實驗室，能在現場實現標準測試條件下的太陽能電池組件的IV性能檢測，直接快速出具第三方權威檢測報告。

1 標準測試條件

光伏組件的標準測試條件STC(standard test condition)是指輻照度為1 000 W/m2，太陽能電池溫度為25 ℃，大氣質量光譜輻照度分布AM為1.5。通過以下方法分步實現這3個條件。

1.1 輻照度

采用臺灣樂利士公司的瞬態太陽光太陽能模擬器FSS-120可以將輻照強度控制在1 000 W/m2。利用中國計量院標定過的參考電池片監測輻照強度，參考電池片的輻照強度信號輸出作為閃光燈電源功率輸出的參考反饋信號，反饋目標值是使閃光強度達到設定值1 000 W/m2。另外，在功率輸出的過程中，由于電容儲存的能量不斷釋放，造成電源輸入電壓的急速降低，影響光照強度的輸出穩定性，因此必須以PID控制來實現光功率穩定輸出。經過PID控制后，在120 ms的閃光時間內，輻照度都能控制在(1 000±10) W/m2的范圍內。

1.2 光譜輻照度分布

氙燈的光譜雖然接近自然太陽光，但相較于地面自然太陽光，氙燈的光譜在波長800～1 000 nm的能量較自然太陽光強，因此必須將此波段的光譜能量衰減以接近自然太陽光[1]。FSS-120根據氙燈的光譜特征、電磁學的波導理論和IEC標準，采用真空物理多層鍍膜技術，使得修正后輻照面上光譜能量分布達到AM1.5A級光譜。

1.3 溫度環境

IEC測試標準規定太陽能組件標準狀態下溫度為(25±2)℃。溫度每變化1 ℃，可能對組件功率的測試產生0.15%偏差，因此將溫度與25 ℃差距控制得越小越好。

溫控系統通過對移動車廂內空氣進行加熱、制冷及車廂隔熱來實現。移動平臺測試環境尺寸為：車廂長度為6.5 m，車廂寬度及高度均為2 m，箱體的體積為26.3 m3。以青海地區為例，由于青海地區長年干爽，以干燥空氣來近似，干空氣密度為1.2 kg/m3，空氣比熱為1 006 J/(kg·K)，箱內空氣質量為31.2 kg，箱內鐵質器件質量估計500 kg，鐵比熱472 J/(kg·K)，室外-20～40 ℃，考慮2種狀態：

1) 箱內溫度由-20 ℃加熱至25 ℃時，加熱空氣能量至少為

31.2×(25+20)×1 006=1 412 kJ

(1)

加熱腔內其他設備能量為

500×(25+20)×472=10 620 kJ

(2)

若需要在30 min內達成，則至少需要的加熱功率為

(1 412+10 620)kJ/(30×60 s)=6.68 kW

(3)

2) 箱內空氣由40 ℃制冷至25 ℃時,冷卻空氣能量至少為

31.2×(40-25)×1 006=470 kJ

(4)

加熱腔內其他設備能量為

500×(40-25)×472=3 540 kJ

(5)

若需要在30 min內達成，則至少需要的制冷功率為

(470+3 540)kJ/(30×60 s)=2.22 kW

(6)

通過以上計算，平臺選擇了制熱量為7 000 W的加熱器，以及制冷量為3 000 W的制冷機，車廂內加裝厚度為40 mm的低密度發泡隔熱層，加熱器及制冷機利用風扇使車廂內部的空氣達到每分鐘2次的循環量，避免車廂內空氣循環死角，以提升車廂內部溫度均勻性。結合先進的恒溫系統，環境溫差可達到(25±2)℃。

為滿足在野外加熱及制冷電力需求、閃光太陽能模擬器的用電需求，本平臺搭載了1部10 kW的柴油發電機提供電力，并改造為適應高原低溫低氧狀態，使平臺在即使沒有市電的情況下也能在野地實現標態狀態，具備實用性及便捷性。

2 車載3A級太陽能模擬器研究

太陽光太陽能模擬器性能用以下3個參數來衡量：光譜匹配度(spectral match)、輻照度不均勻度(non-uniformity)、輻照度不穩定度(temporal instability)[2]。本平臺基于FSS-120，使車載太陽能模擬器達到3A級標準。

2.1 光譜匹配度

本平臺利用瞬態太陽能模擬器FSS-120實現光譜匹配度。

1) 首先以30 kV的高電壓將燈管內部的氙氣擊穿并形成微電流，然后通過電源控制瞬間將高電流注入氙氣燈管，電源以0.1 ms速度的PID(proportion integral differential coefficient )反饋控制[3]，確保氙氣燈管的功率在閃光周期內都保持一致。將閃光燈管內部的氙氣等離子電弧保持在溫度6 500 K，因此所發出的光譜基本上與自然太陽光6 500 K一致。

2) 在整個閃光過程中，由于電弧中心溫度幾乎固定，不會發生紅移或藍移，使得光譜容易透過濾光片進行修正。

3) FSS-120發出的光多數被場鏡(Filed lens)及蒼蠅眼透鏡(Fly-eye lens)限制在中間處，使得照射到腔壁上的光較少，因此空腔壁面所反射的光也較少。由于受到空腔體內材質的干擾較少，也有助于光譜達到A級水平。

光源光譜匹配度(spectral match)優于A級，符合IEC60904-9中AM1.5G光譜匹配度“Spectral Match”A級的定義。光譜實測數據如圖1所示。

圖1 光譜實測數據

2.2 輻照度不均勻度

太陽能模擬光源若采用多燈陣列方式實現大面積和高均勻度太陽能模擬光源，由于燈的數量多，大面積太陽能模擬光輻照度不均勻度很難控制[4]，即使調整好后，由于每個燈的衰減變化不一，使用一段時間后，也會出現均勻度不一致的問題[5]。

單燈光源作為太陽能模擬光源，要利用長投射距離來實現。若在照射面積2 m×2 m范圍內實現優于2%的輻照不均勻性，利用幾何關系可以計算出投射距離。將燈源以點光源近似模擬，考慮到光能量隨距離平方成反比，可以簡單地計算出投射距離至少須為7 m，才能在2 m×2 m的面積上達到A級的輻照不均勻性。計算說明如下：

實際上，該長投射距離的光學配置往往需要8 m以上的投射距離，部分廠家利用暗室壁面反射少量的光線將投射距離縮短至6 m，但此種方式會因暗室內壁面積灰塵影響輻照不均勻度以及光譜。

為了更大幅度地縮短投射距離，必須使用光學透鏡進行設計。瞬態太陽能模擬器FSS-120使用了場鏡及蒼蠅眼透鏡技術，其作用是：① 提高邊緣光束入射到有效測試面的比例；② 增加入射光通量；③ 縮短投射距離；④使非均勻光照得以均勻化。

圖2 燈源投身距離示意圖

在實現過程中，還須克服透鏡加工工藝，使透鏡曲面上各點加工的精度與理想設計值相差5 μm以內，穿透率高于93%。利用多燈陣列，加蒼蠅眼技術，投射距離縮短至3.8 m。與單燈光源7 m投射距離相比，光的有效利用率達到3倍，而暗室壁面的反射光不容易影響測試面的不均勻性及光譜。

光學設計中采用每燈高達100組蒼蠅眼透鏡來實現小光發散角及2%以內的不均勻性。小的光發散角代表光的能量大部分都投在測試面上，而不是往四周發散，有效提高了光的利用率；而當多個燈的投射面重迭時，不均勻性只會更優化。

使用本平臺的技術時，面積越大，燈的數量增加，重疊面疊加越多，不均勻性越好，不均勻性可以優于1%。另外平臺選用的每個單燈都達到A級，且每個燈都完整地覆蓋整個測試面，因此個別燈隨時間衰減的差異不影響整體的不均勻性。

有效照射面積內輻照度不穩定度(Non-Uniformity)優于A級，符合IEC 60904-9“Non-Uniformity of Irradiance”A級的定義。

2.3 輻照度不穩定度

此參數指的是輻照強度隨時間的變動率，主要的技術突破點在電源的供電系統和控制系統設計，以及反饋控制技術。電源本身具備電容方陣，可以積蓄大量的能量，并在10～120 ms內將電能釋放出來。釋放的過程中必須控制功率，使氙氣燈燈管的光輸出功率保持一致[6]。由于電流高達1 000 A，電壓高達上百伏，因此必須使用耐高壓及高速反應的晶閘管，并通過PID反饋控制技術，將最終的輻照強度變化控制在2%以內[7]。

由于晶閘管必須在短時間釋放及控制巨大的電能，控制過程中所壓抑下的能量將以熱的形式加熱晶閘管本身，因此必須使用多個晶閘管分散熱能，避免晶閘管過熱燒毀。保護電路必須抵擋電流開啟及關閉瞬間的涌浪脈沖，將涌浪脈沖以快速傅立葉變換(fast fourier transform，FFT)轉換為不同頻率的能量。針對電流開啟和關閉的涌浪頻率設計吸收式或反射式消波器，以保護晶閘管不受沖擊[8-9]。

輻照度不穩定度(temporal instability)優于A級，符合IEC60904-9中“Temporal Instability”A級的定義:STI≦0.5%,LTI≦2%。

3 車載設備布局研究

3.1 總體結構設計

光伏組件移動檢測平臺配置優異的3A長脈沖太陽能模擬器，脈沖時間為10～120 ms可調，能精確測量一般常規光伏組件及高效光伏組件發電功率。全系統配置在8 t或10 t的箱車內，太陽能模擬器電源內部零件配置于42個減震器上，光學燈箱配置3個高度可調節減震器，確保車輛行進過程產生的震動不破壞電源及光源結構，不影響太陽能模擬器的性能。車箱內設有恒溫空調機，可執行光伏組件標準條件下(STC)的功率測試；由于使用光學透鏡設計，在2 m×1.5 m的照射面積時，光學投射距離為3.8 m，節省的空間可同時容納2人于車箱內操作，并于車箱內置放15片以上光伏組件，縮短光伏組件執行STC測試時所需溫度平衡的時間。圖3為總體效果。

3.2 空間布局設計

在移動式光伏組件功率檢測車上，光學路徑下傾角為11°，投射距離為3.8 m，光伏組件以與水平面夾角79°的安裝角度置于測試架上的光學路徑布局。太陽能模擬器與光伏組件及支架的放置示意圖見圖4。

圖3 總體效果

圖4 太陽能模擬器與光伏組件及支架的放置示意圖

采用該種“空間布局設計”的優點包括：

1) 一般箱式貨車的箱體內高在1.9～2.2 m，寬度約2 m，為使箱內走道順暢，必須將2 m×1 m的光伏組件直立測試；然而若是按照實驗室太陽能模擬器的水平側打光光學路徑配置，模塊必須垂直擺放，如此模塊的上部及下部將會頂到車廂，或是距離車廂過近，影響太陽能模擬器的光不均勻性。本布局的光學路徑下傾角為11°，因此相對的光伏組件的擺放與水平夾角為79°，將光伏組件的垂直高度減少為2 m×sin79°=1.96 m，多出0.04 m的空間，有利于光伏組件的搬運以及內部空間設計使用。

2) 光伏組件以與水平面夾角79°的擺放方式，依靠光伏組件的自身質量穩固地靠在測試架上，可節省下鎖定光伏組件的機構以及測試時的光伏組件固定操作時間。

4 檢測平臺驗證測試

4.1 檢測平臺測試組件一致性對比驗證

組件1、2、3、4號在檢測平臺的IV檢測系統上測試3次的結果見表1，每塊組件測試的值完全一致，說明檢測平臺測試組件重復性好。

4.2 檢測平臺與實驗室測試組件對比驗證

如表1、2顯示，抽樣4塊組件1、2、3、4號，分別在檢測平臺的IV檢測系統和實驗室內的IV檢測系統進行3次測試，平均值比較最大誤差為2.4 W，如表3所示。

表1 組件1、2、3、4號在檢測平臺上測試3次的報告結果

表2 組件1、2、3、4號在實驗室內測試3次的報告結果

表3 同一組件在檢測平臺和實驗室對比驗證

5 結束語

本文介紹的光伏組件標態3A級IV移動檢測平臺能在電站現場實現快速、準確、高精度的太陽能實驗室權威檢測，進行各種類型光伏組件在標準狀態下的性能測試。在此基礎上進一步研究推廣，能進行光伏組件質量判定、功率衰減判定等，提高光伏電站發電量，延長光伏電站生命周期，預測光伏電站未來的發電能力，對新建電站質量控制提供借鑒和指導。