太阳模拟器下的温度系数测试_

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1、国内统一刊号 CN31-1424 TB2013/3 总第235期太阳模拟器下的温度系数测试*李松丽张俊王婷婷 / 上海市质量监督检验技术研究院摘要在稳态模拟器和脉冲模拟器下对光伏组件温度系数的测试方法和过程分别进行研究，结果发现在BBA级稳态模拟器下，光伏组件背板温度存在较高的温度极差。如果组件摆放位置不佳，还可能出现I-V曲线畸变的现象，且温度系数的重复性较差。如将脉冲法中的升温和I-V测试分开进行，则温度系数的重复性和可靠性大幅提高。关键词光伏组件；温度系数；稳态模拟器；脉冲模拟器；温度分布0引言作为光伏发电系统的关键部件，市场上光伏组件的测试大多是以标准工作条件下的输出功率为基准进行的。

2、然而在实际应用中，周边的环境温度对于光伏组件的输出有着显著的影响1。光伏组件的温度系数是光伏发电系统设计和选型过程2中不可或缺的重要技术参数。IEC61215 现行版本对温度系数测试的描述比较简单，使得当前检测实验室对于温度系数的测试有着较大的不确定性。本文以一块标称功率为 235 W的多晶硅组件作为测试样品，讨论在稳态模拟器和脉冲模拟器下进行温度系数测试时遇到的问题，并对测试结果进行了比较深入的分析，对于科学开展温度系数的测试具有一定借鉴作用。1测试装置1.1稳态法稳态测试法的主要设备有中国台湾乐利士公司制造的稳态模拟器，包含 4 个 T 型热电偶的温度测试系统、日本 EKO 公司的具有辐照

3、度和温度监控辅助功能的 MP-160 I-V 曲线测试仪和中国计量院校准的 2 mm2 mm 的单晶硅标准电池片。测试系统如图 1 所示。1.2脉冲法脉冲法的测试设备主要有：步入式恒温恒湿箱、瑞士 pasan3b 脉冲模拟器、由莱茵 TUV（上海）测试的参考组件、安装有 4 根热电偶的 MX100 数据采*科研项目 ： 上海市质量技术监督局科研项目( 2012-60)集仪和一个水平面大于被测样品的平板车。其中，pasan3b 脉冲模拟器为 AAA 级，有效测试面积为 3 m3 m，具有自身的红外测温装置和辐照度监测装置。2测试过程2.1稳态模拟器将待测光伏组件、标准电池片、热电偶与 MP- 1

4、60 连接。稳态模拟器系统的 4 只 T 型热电偶的终端用绝缘胶带粘贴在组件背板某个电池片中心的位置，热电偶在背板的分布如图 2 所示（接线盒位于3# 热电偶的对称位置）。用标准电池片调整稳态模拟器输出，使光强维持在 1 000 W/m2左右，将被测组件安装在测试支架的有效辐照度范围内，使样品表面与入射光垂直。用大面积泡沫 + 纸板遮挡组件，打开稳态模拟器。待光强达到要求的强度后，去掉遮挡物，由 MP-160监控背板温度，在 25 60的温度范围内，每间隔 5测试一次组件的 I-V 特性曲线。利用上述测试所得的 I-V 特性数据，由最小二图 1稳态法温度系数测试装置 国内统一刊号 CN31-1

5、424 TB 2013/3 总第235期乘法计算被测组件 Isc、 Voc、 Pmp的温度系数。2.2脉冲模拟器开始之前，用 TUV 校准的多晶硅参考组件将脉冲模拟器校准到合适的状态，运行数据采集系统，使温度采集和 I-V 曲线测试工作全部就绪。将在步入式恒温恒湿箱升温至 90左右的被测样品取出放在平板车上，用深色棉布均匀遮盖样品表面。样品移至脉冲模拟器旁边，取下棉布，将样品垂直地面安装在脉冲模拟器上，样品背板加贴热电偶。同时利用脉冲模拟器自身的红外探头监测某一定点的样品温度。在 60 25的降温过程中，每隔 5测试一次 I-V 特性。利用上述测试所得的 I-V 特性数据，由最小二乘法计算被测

6、组件 Isc、 Voc、 Pmp的温度系数。为了研究重复性，稳态法和脉冲法温度系数测试均在不同的时间内分别进行三次。3分析与讨论3.1稳态模拟器下样品位置与 I-V 曲线第一次用稳态模拟器测试温度系数时，在25 60的整个温度范围内，被测样品的 I-V 曲线出现了比较明显的台阶（由于该样品在脉冲模拟器下的 I-V 曲线测试没有异常，外观检测也没有发现明显的缺陷。稳态模拟器下 I-V 曲线的台阶可能是由于光照不均造成的）。由于该模拟器是 BBA级3，样品放置在有效测试面积的边缘可能会存在较大的光强不均匀性，在随后两次测试中调整样品，使其靠近有效测试面积的中心位置。图 3 是调整前后组件温度为 4

7、0左右时的 I-V 曲线。显然，调整后的 I-V 恢复正常，没有出现之前的台阶现象。此外，稳态模拟器测试系统的 4 个热电偶的监测结果表明，稳态法温度系数测试过程中，样品背板不同点的温差在 10 25之间，也在很大程度上证明了上述论断。3.2稳态模拟器下测试温度系数的重复性表 1 是在三个不同时间内利用稳态法测得的温度系数。表中， 、 、 分别代表短路电流 Isc、开路电压 Voc和峰值功率 Pmp的相对温度系数。平均值是三次温度系数测试结果的算术平均值，相对标准差是由极差法4计算得到的标准差占平均值的百分比。标准差计算过程中的极差系数 C 取 1.64。需要声明的是，表 1 中温度系数计算时

8、温度采用的是样品背板上某一个定点的温度。从表 1 中相对标准差来看，电流温度系数 的波动很大，为 33.875%， 和 相对较小。这一方面是由于电流温度系数 本身的绝对值较小，容易导致较大的相对误差。另一方面，硅太阳能电池的短路电流与光强呈线性关系。测试过程中虽然对样品的位置进行了调整，但不可能大幅改变样品表面光的辐照不均匀性和不稳定度（整个测试期间，监测点光强在 1 049 1 115 W/m2之间波动），加上样品图 2组件背板热电偶分布示意图(a) 位置调整前(b) 位置调整后图 3测组件在稳态模拟器下的 I-V 曲线1086420电流/A0 10 20 30 40电压 /V1086420

9、电流/A0 1020 30 40电压 /V国内统一刊号 CN31-1424 TB2013/3 总第235期表面较大的温差分布使得光伏组件电参数的测试不确定度变大，从而影响了温度系数计算结果的可靠性。3.3脉冲测试法中组件表面的温度分布在新版标准草案中5对测试过程中的温度测试方法和分布情况有了明确的规定：样品温度由图 2中 4 点温度的平均值确定，表面均匀度在 2以内。图 4 给出了脉冲模拟器下三次温度系数测试时组件背板的温度极差分布情况。第 1 次测试第 2 次测试第 3 次测试54.543.532.521.510.50温度极差/60 55 50 45 4035 3025温度 /图 4脉冲模拟

10、器下组件背板的温度极差显然，图 4 中第一次测试的极差数据在 50、55、60三个点明显偏离了其他两条线。这是由于第一次测试开始时，图 2 中 2# 热电偶误粘贴在对边中心位置，使 4 个热电偶都分布在同一个半边。Pasan 脉冲模拟器为水平打光方式，光伏组件垂直于地面放置，由于环境温度自然的垂直梯度分布，垂直分布跨度小，在一定程度上减弱了样品与环境的热传导，使第一次测试时 50以上的温度极差低于其他两次正常测试。45及以下是热电偶位置调整后样品表面的极差数据。可见，调整后样品表面极差随温度变化规律非常一致。该现象也说明，按图2 所示分布热电偶对测量样品表面温度是有必要的。排 除 误 操 作

11、点 后 观 察 图 4， 可 以 看 出， 在60 25范围内，除 50外，其他温度下均满足2的均匀度要求。而且，随着温度降低，温度极差逐渐降低，即越接近环境温度，样品的均匀度越高。温度极差在 50出现峰值可能是由热电偶加贴时间差异和背板导热特性等因素造成的。3.4脉冲模拟器下温度系数的重复性表2是脉冲法温度系数的测试结果。“单点测温”表示计算温度系数时，样品温度是由脉冲模拟器自带的一个红外测试探头在样品表面直接测试得到的。“四点测温”代表样品温度是由图 2 所示的 4 个热电偶所测温度的平均值来表示的，即按新版温度系数测试对温度的要求进行处理。比较表 2 中“单点测温”和“四点测温”所得到的

12、两组温度系数，可以看出，两组数据的一致性很高。说明在保证样品温度稳定性和均匀性的情况下，即使采用单点测温所计算得到的温度系数也是具有代表性的。表 2 的三次测试中，开路电压温度系数 和最大功率温度系数 都具有较高的复现性，短路电流温度系数 的第一次测试结果与第二、第三次测试结果存在比较明显的偏离。这可能是由于：（1）短路电流本身的绝对值很小，容易产生较大的误差；（2）第一次测试时，高温被测样品在平板车上摆放位置不佳，导致测试开始时组件背板存在明显的温度梯度（如图 5 所示）。该过程对温度系数测试的影响有待进一步确认。与表 1 相比，表 2 中脉冲测试法所得温度系数的相对标准差明显减小，特别是短

13、路电流温度系数 的相对标准差更是从稳态法的 33.875% 降低至11.977%（或 9.800%），其他两个也都较小。说明脉冲测试法具有更高的重复性。表 1稳态法测试所得相对温度系数列表项目 第 1 次 第 2 次 第 3 次 平均值 相对标准差 0.027% 0.035% 0.020% 0.027% 33.875% -0.431% -0.433% -0.411% -0.425% 3.156% -0.554% -0.569% -0.549% -0.557% 2.189%表 2脉冲测试法温度系数测试结果一览表项目 第 1 次 第 2 次 第 3 次 平均值 相对标准差单点测温 0.063% 0

14、.052% 0.053% 0.056% 11.977%四点测温 0.061% 0.052% 0.053% 0.056% 9.800%单点测温 -0.336% -0.340% -0.336% -0.337% 0.724%四点测温 -0.326% -0.342% -0.334% -0.334% 2.921%单点测温 -0.438% -0.444% -0.439% -0.440% 0.831%四点测温 -0.425% -0.448% -0.436% -0.436% 3.217% 国内统一刊号 CN31-1424 TB 2013/3 总第235期比较表 1、表 2 中同一个温度系数的数值，发现稳态法和

15、脉冲法的数据相差较大。以单点测温方式为例， 、 、 在稳态法和脉冲法的三次测试结果平均值分别为：0.03%/0.06%，-0.41%/-0.34%，-0.56%/-0.44%。导致这种差异的原因主要有：（1）模拟器不同。稳态法所用的是 BBA 级稳态模拟器，脉冲法采用的是 AAA 级脉冲模拟器，脉冲模拟器具有更高的光照均匀性、稳定性。（2）校准系统所用的标准器件不同，稳态法采用的是中国计量院计量的小面积单晶硅标准电池片，脉冲法采用的是与被测样品面积相当的多晶硅组件，后者对数据测试的准确性和可靠性更高。（3）控温和测温方式不同。稳态法利用稳态模拟器的光照使样品升温，在升温过程中测试；脉冲法采用步入式恒温恒湿箱进行控温，在降温过程中测试。由于稳态模拟器固有的特性，使得样品温度不均匀度更高。显然，脉冲法测试所得温度系数准确度较好。4结语本文分别在稳态模拟器下和脉冲模拟器下对晶体硅光伏组件温度系数的测试方法和测试过程进行研究。发现稳态模拟器的光照不均匀度对温度系数测试的影响较大，可能会导致样品的 I-V 曲线出现畸变，表面温差大幅上升，温度系数测试的重复性和可靠性下降。采用脉冲模拟器自身的测试误差相对较小，但高温样品的移动和临时粘贴热电偶在一定程度上引发了测试不确定度。因而建议：1）温度系数测试不宜采用 B 级或以下稳态模拟器。2）脉冲法测试应注意保证高温样品的温度均（a）前期