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      TECHNICAL

      光譜失配誤差對光伏組件測試的影響研究

      光譜失配誤差對光伏組件測試的影響研究

      信息分類: 發布時間:2019-10-10  瀏覽量:

      [摘要]光伏組件測試中,太陽模擬器的光譜輻照度分布、光伏組件的光譜響應度、PN結溫度等是影響測試結果的主要因素。本文從太陽模擬器光譜失配誤差產生的原因出發,研究了光譜失配誤差的理論處理方法,并使用脈沖模擬器對單晶硅、非晶硅光伏組件進行了實驗分析,給出了減小或修正光譜失配誤差對光伏組件測試結果影響的措施建議。

      [關鍵詞] 光譜失配誤差 光譜輻照度分布 光譜響應度

       光伏組件的電性能測試結果體現為電流-電壓(I-V ) 特性曲線,通過曲線可獲得光伏組件的重要性能參數:開路電壓(Voc )、短路電流(Isc )、最大功率 (Pmax )、最大功率時的電流 (Imax ) 和電壓(Vmax )、填充因子 (F.F. )、轉換效率 (η )、短路電流密度 ( Jsc ) 等。目前,測量光伏性能的通用方法是將光伏組件放在穩定的自然或模擬太陽光下保持一定的溫度,描繪其I-V特性曲線,并且采用與測試樣品光譜響應類似的標準組件測量入射光的輻照度,最后將測得的電流和電壓數據修正到標準測試條件下(STC ) (電池溫度:25 ℃,輻照度:1 000 W· m-2,太陽光譜輻照度分布符合GB/T 6495.3-1996《 光伏器件 第3部分:地面用光伏器件的測量原理及標準光譜輻照度數據 》規定)。電池溫度可通過水溫或電子冷卻的方式進行控制,而輻照度和光譜輻照度分布的確定較為復雜。目前,通常的做法是利用與測試組件光譜響應度類似的參考標準組件對太陽模擬器進行標定輻照度,然后在該輻照度下測量光伏組件的性能參數。光伏組件性能測試中,模擬光源與標準光源的光譜不匹配、光伏組件之間的光譜響應度不匹配等因素都可能導致光譜失配誤差,影響測試結果。

       一、光譜失配誤差產生的原因

       太陽的輻射光譜具有很寬的頻域,由于大氣中的氣體分子、水蒸氣、灰塵等對某些波長的太陽輻射具有散射或吸收,致使太陽輻射透過大氣層后到達地球表面的輻射分布出現較大的變化。為了描述這種輻射改變,國際標準化組織(ISO )定義了大氣質量 (AM ),AM1.5表示通過1.5個大氣層厚度后太陽輻射,當太陽光照射到地球表面時,由于大氣層與地表景物的散射、折射的因素,會多增加20%的太陽光入射量,稱之為擴散部分,包含擴散部分太陽光能量的光譜分布為AM1.5G(見圖1 ),不包含的為AM1.5D。標準太陽光譜輻照度分布是總輻射太陽光 (包括直射和散射),相應于AM1.5光譜分布,在與水平面成37°角的傾斜面上輻照度為1 000 W· m-2,地面反射率為0.2,氣象條件為:大氣中水含量為1.42 cm,大氣中臭氧含量為0.34 cm,混濁度為0.27( 0.5 μm 處)。

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      圖 1 AM1.5G標準太陽光譜分布

       現實生活中,太陽輻射會隨著時間、地理位置和季節等因素的變化而變化,光伏組件在自然太陽光下測量所得I-V曲線數據的再現性和可比性較差,并且會對光電轉換效率監控產生偏差,因此通常光伏組件測試使用太陽模擬器在室內進行。太陽模擬器可以提供近似標準太陽光譜,其與標準光源的匹配程度會大大影響光伏組件的測試結果。太陽模擬器常用光源(氙燈、鏑鎢燈、碘鎢燈等) 的光譜分布與標準光譜分布有一定的差異,因此為了精確測試結果,人們不斷地對太陽模擬器進行硬件改進以減小誤差,如改換濾波片以調整光譜透過率等辦法。但是硬件方法成本太高,并且只能使其較為接近標準光譜分布,無法消除影響。

       太陽模擬器等級劃分標準有IEC 60904-9-2007《太陽能電池標準》、GB 6495.9-2006《光伏器件第9部分:太陽模擬器性能要求》 和ASTME927-2010《陸地光電試驗用陽光模擬裝置的規格》等,主要包含3個技術指標:光譜匹配、輻照不均勻度和輻照不穩定度。本文主要研究光譜匹配度對光伏組件測試的誤差影響及其理論處理方法。太陽模擬器的光譜匹配是指:在每個光譜波段內,總輻射照度占整個有效波段內總輻射度的百分比與AM1.5條件下,光譜輻照度分布百分比之間的偏差。此偏差必須控制在一定的范圍內,例如A級太陽模擬器的光譜匹配度需控制在0.75~1.25之間(見表1 )。

      表1 模擬器等級分類

      特性

      等級A

      等級B

      等級 C

      光譜匹配

      0.75~1.25

      0.6~1.4

      0.4~2.0

      輻照不均勻度

      ≦2%

      ≦5%

      ≦10%

      輻照不穩定度

      ≦2%

      ≦5%

      ≦10%

       二、光譜失配誤差分析方法

       目前,常用參考標準組件短路電流密度法來分析光譜失配誤差,它是一種標準組件和測試組件之間參數傳遞的方法。首先,必須獲得標準組件在標準測試條件下的短路電流密度;然后,將標準組件置于太陽模擬器下測試,經調整太陽模擬器的輻射功率使其短路電流密度值與標定值相同;最后,將測試組件在調整后的太陽模擬器下進行測試,可獲得測試組件在標準測試條件下的短路電流密度值。此種方法的使用前提是標準組件與測試組件的光譜響應一致,只考慮太陽模擬器的光譜失配對短路電流密度的誤差影響。另外,也可以通過理論處理方法獲取短路電流密度的誤差:

       光伏組件在不同波長下的光譜響應度Sλ( A · W-1)分別與太陽模擬器的光譜輻照度分布或AM1.5G光譜分布Gλ (W·m-2·μm-1) 相乘,并積分得到模擬光譜下或標準光譜下的短路電流密度Jsc,見公式(1 )。短路電流密度乘以光伏電池的有效受光面積即可得到短路電流Isc。

      Jsc = ∫S λ·G λdλ      (1)

       短路電流密度法理論計算光譜失配誤差,涉及4個因子:標準光伏組件的光譜響應 (Sλref)、測試光伏組件的光譜響應(Sλtest)、標準光譜輻照度分布AM1.5G(GλAM1.5G )、太陽模擬器光譜輻照度分布(Gλsimulator )。失配因子通過計算標準光伏組件和測試樣品的光譜響應與太陽模擬器的光譜輻照度分布和標準光譜輻照度分布AM1.5的積分獲得,計算公式為(2 ):

      失配因子MM=Jref,AM1.5G/Jref,simulator×Jtest,simulator/Jtest,AM1.5G                    =∫Sλref×GλAM1.5G dλ/(∫Sλref ×Gλsimulator dλ) ×(∫Sλref ×Gλsimulator dλ) / (∫Sλtest×GλAM1.5Gdλ )                    (2)

      假定標準光伏組件與測試組件的光譜響應度基本一致,僅考慮太陽模擬器光譜分布與標準光譜分布AM1.5G的光譜失配造成的誤差影響 光譜相對誤差計算公式為(3 ):

      光譜失配相對誤差=(Jref,simulatorJtest,AM1.5G) /Jref,AM1.5G

                   =Stest(G simulatorGAM1.5G)d/( S test G AM1.5G d)    (3)

      從公式 (3 ) 中可以看出,只要獲得各類型光伏組件的光譜響應度、太陽模擬器的光譜分布以及AM1.5光譜分布,即可分析光譜失配對短路電流密度結果的影響。

      三、實驗

      本實驗用太陽模擬器(上海質檢院設備) 為瑞士PASAN公司生產的SUNSIM 3BM脈沖模擬器。測試樣品包括單晶硅和非晶硅兩種類型的光伏組件,受光面積為4 cm2。采用以上理論處理方法,分析脈沖模擬器的光譜失配對光伏組件短路電流密度的影響。

       1.脈沖模擬器與AM1.5G的光譜分布

       用光譜分析儀和光譜輻照度計對SUNSIM3BM 脈沖模擬器進行光譜分布測試,脈沖模擬器與AM1.5G的光譜分布對比曲線見圖2,圖2中數據

      按照1 000 W ·m-2的總輻照度進行歸一化。

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      圖 2 脈沖模擬器與 AM1.5G光譜分布對比曲線

      本試驗用模擬器光脈沖穩定性在-1%~1%之間,產品等級優于IEC60904-9-200中規定的A級。下表2為SUNSIM 3BM脈沖模擬器與AM1.5G標準光譜在1 000 W· m-2輻照度下的光譜匹配度。表2 中可以看出該模擬器在波段400~500 nm、800~1 100 nm光譜偏離稍大,而在500~800 nm的可見光波段,光譜匹配度較高。由此可見,太陽模擬器的光譜失配誤差影響與波段分布有關,在誤差修正的過程中,應充分考慮波段分布的差異性。

      表 2 脈沖模擬器與AM1.5G光譜匹配度

      序號

      波長范圍nm

      AM1.5G條件有效波段內積分輻照度的百分比

      太陽模擬器有效波段內積分輻照度的百分比

      光譜匹配度

      1

      400~500

      18.4%

      16.0%

      0.87

      2

      500~600

      19.9%

      18.7%

      0.94

      3

      600~700

      18.4%

      19.0%

      1.03

      4

      700~800

      14.9%

      15.5%

      1.04

      5

      800~900

      12.5%

      13.6%

      1.09

      6

      900~1100

      15.9%

      17.3%

      1.09

          2. 測試組件的光譜響應度

      根據標準GB/T 6495.8-2002《光伏器件第8部分:光伏器件光譜響應的測量》 / IEC 60904-8《光伏器件光譜響應的測量》要求,對單晶硅和非晶硅進行光譜響應度的測量。圖3為單晶硅在350~1 100nm波長范圍內的相對光譜響應度,圖4為非晶硅在300~1200 nm波長范圍內的相對光譜響應度。從圖3、圖4中可以看出,單晶硅幾乎可對350~1 100 nm全波段響應,峰值集中在950 nm附近,而非晶硅響應波段為300~700 nm,主要為可見波,峰值集中在550 nm附近 由此可以看出,不同類型的光伏組件由于生產工藝不同,其光譜響應度不完全相同因此,在做模擬器輻照度分布標定過程中,應選用與測試樣品同類型的標準組件,減小同類型光伏組件的光譜響應度失配造成的短路電流密度誤差。

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      圖3 單晶硅的光譜響應度

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      圖4 非晶硅的光譜響應度

       

      根據短路電流密度法或理論處理方法,依據公式 (1 ),由AM1.5G光譜分布、脈沖模擬器光譜分布以及光伏組件的光譜響應度數據,可以理論計算出不同類型光伏組件在不同光譜輻照度分布的短路電流密度,由此可進一步分析光譜失配對測試結果的影響。表3為典型光伏組件在標準光譜分布與模擬器光譜分布條件下的短路電流密度結果。表3中AM1.5G列為理論計算的結果真值,而另兩列為修正前與修正后的結果對比。表中顯示使用修正前短路電流密度測試結果偏離真值較大。通過公式(3 ) 的理論誤差修正方法,利用標準組件標定脈沖模擬器,修正測試結果,標定修正后的短路電流密度更加接近真值。

      表3 光伏組件在不同光譜條件下的短路電流密度

      短路電流密度

      光譜分布

      AM1.5G

      A級脈沖模擬器 SUNSIM 3BM

      標準組件標定修正后結果

      單晶硅,mA ·cm2

      32.4

      32.5

      32.5

      非晶硅,mA ·cm2

      9.325

      10.0

      9.4

      3.實驗分析

      由表1 表2和圖2中的數據對比顯示,本次太陽模擬器SUNSIM 3BM的光譜匹配程度是優于A級模擬器的,光譜在各波段特別是500~800 nm波長范圍內的偏離程度較小即使是如此良好狀況的太陽模擬器,從表4中可以看出,光譜失配仍然能夠對I- V曲線結果產生誤差影響,并且脈沖模擬器的光譜失配對模擬器非晶硅的誤差影響大于單晶硅這主要是由于模擬器非晶硅光譜響應為300~700 nm的可見波段,此波段只占總輻照分布的部分,總體影響較大,因此會產生不同類型光伏組件在同一太陽模擬器的光譜失配中產生不同的誤差結果。

      表4 不同類型光伏組件的光譜失配誤差(%)

      類型

      單晶硅

      非晶硅

      A級脈沖模擬器SUNSIM 3BM

      0.3

      7.2

      標準組件標定修正后誤差

      0.3

      0.8

      四 結束語

      在光伏組件測試中,光譜失配可以引起短路電流密度誤差,其誤差范圍主要由兩個因子決定:太陽模擬器光譜分布與標準光譜AM1.5G分布的匹配程度以及標準組件與測試組件的光譜響應度的一致性 因此,為了盡量減小光譜失配誤差對光伏組件測試帶來的影響,首先應選擇與測試電池類型一致的或光譜響應度類似的標準電池來對太陽模擬器輻照度分布進行標定,以減小光譜失配誤差影響其次,選擇與標準光譜AM1.5G光譜匹配度高的太陽模擬器進行測試,并且可用理論數據處理方法獲得失配因子,對結果進行修正最后,若新型光伏組件無對應類型的標準組件標定,可通過測量組件的光譜響應度和太陽模擬器的光譜分布,根據以上理論處理方法計算光譜失配誤差,可修正結果值。

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