光伏組件作為光伏發電系統中將光能轉換為電能的部件，其光電轉換效率是決定光伏發電效率的主要因素。
光伏組件實際使用過程中，會受到所處戶外復雜環境的影響，從而導致其電性能參數改變，其中，太陽輻照度、溫度和濕度產生的影響較為明顯。
現行的由國際電工委員會(IEC)提出的評估發電量標準——IEC61853-1和IEC61853-2針對溫度系數測試實驗，僅在設計定型中有相應考核標準，但在實際使用中，光伏組件安裝高度、光伏組件背面背景，以及光伏組件所在地的經緯度、海拔及日照情況各不相同，IEC61853-1和IEC61853-2無法滿足實際應用環境中的評估。
目前，實驗室有3種測試方式：
1)環境箱-I-V相對獨立降溫測試，將光伏組件置于高溫箱體內加熱至一定溫度后取出，采用太陽模擬器測試儀進行I-V測試；
2)側打光模擬器集成加熱裝置測試，將光伏組件在側打光區域內加熱至一定溫度后進行I-V測試；
3)下打光模擬器集成加熱裝置測試，光伏組件置于下打光腔體內部，I-V測試時需打開腔體，測試結束后關閉腔體繼續升溫，循環測試直至結束。
在溫度系數測試方面，上述3種方式在測試時均存在溫度分布不均勻的缺點，導致光伏組件p-n結溫度與實際測試溫度不一致。
本文基于上打光模擬器及恒溫箱搭建了一種溫度可控、可精確調節的溫度系數測試平臺，該設備通過上打光模擬器對恒溫箱體內部光伏組件進行測試，同時采用加熱燈管及風機的方式調節箱體溫度，箱體內部設有鉑電阻對箱體溫度進行實時監控，同時自主研發I-V測試軟件進行自動測試，測試結束后自動生成溫度系數曲線。
組件上打光溫度系數測試儀如圖1所示。
圖1 組件上打光溫度系數測試儀
該實驗系統由A+A+A+標準上打光模擬器、恒溫箱設備、自主研發的采集軟件、溫度探頭等組成。
其中，A+A+A+標準上打光模擬器由光源箱、電控柜、電容柜、采集盒及暗室組成，脈寬為10～100ms，可調節電壓、電流擋位；恒溫箱設備分為機械設備和電控設備，機械設備包括箱體、光伏組件置物架、滑輪等，電控設備包括電加熱管、風機、鉑電阻溫度傳感器、溫控器等。
光伏組件在光源正下方的恒溫箱內，脈沖光通過濾光片經暗室、高透玻璃到達恒溫箱內輻照面，通過接線盒將電性能參數在采集盒內轉換采集。
恒溫箱內通過電加熱管及風機進行箱體內部溫度控制，溫度調節范圍為25～80℃，溫差精度為±0.5℃，置入可編程邏輯控制器(PLC)程序控制溫度調節，恒溫時間及步長可調節，同時采用鉑薄膜貼片式傳感器實時監控箱體內部溫度分布。
此外，自主研發編寫的模擬器上位機軟件與PLC進行通信，設置恒溫測試程序，可實現在一定溫度下自動切換測試。
根據電子學的理論，在忽略內部并聯電阻情況下，光伏組件的特性可以用一個等效電路模型表示。
光伏組件的單二極管等效電路模型如圖2所示，圖中：I為光伏組件輸出電流，A；V為光伏組件輸出電壓，V；IL為光生電流，A，其與入射光強呈正相關；Id為二極管正向電流，A；Rs為光伏組件串聯電阻，Ω；D為二極管。
圖2 光伏組件等效電路圖
恒溫測試開始前，需將待測光伏組件進行電致發光(EL)等檢測，使用標準光伏組件在標準測試條件(STC)下測試，進行模擬器儀器校準。
將待測光伏組件擦拭處理，確保光伏組件表明無明顯異物遮擋，利用光伏組件置物架將待測組件傳運到輻照面，根據待測光伏組件類型選擇合適脈寬，盡可能減小電容效應對測試結果準確性的影響。
實驗中，設置恒溫箱溫區為25～75℃，控制升溫速度為1℃/min，其中，25℃溫區設置恒溫120min，其他溫區設置恒溫60min。
模擬器脈沖太陽輻照度為1000W/m2，電流為12.5A，電壓為50V，脈沖寬度為100ms，測試間隔時間為30s，測試模式為I-V測試。分別測試不同光伏組件類型、恒溫方式及太陽輻照度條件下光伏組件的電性能參數，記錄并計算不同類型光伏組件溫度系數。
測試同一PERC光伏組件在不同測試方式下的溫度系數，對比測試方式為環境箱-I-V相對獨立降溫測試。
對比測試的設備由高低溫環境試驗箱與下打光模擬器集成，待測光伏組件置于高低溫環境試驗箱內加熱至80℃，隨即放入下打光模擬器測試面，太陽輻照度為1000W/m2，用紅外測溫儀在70℃降至25℃光伏組件溫度變化時每隔5℃進行I-V采集。
恒溫箱設備將光伏組件置于箱體內部，集成上打光設備測試，確保光伏組件在不同溫度下具備準確性及均勻性，無需進行光伏組件搬運。
同一光伏組件不同恒溫方式下的溫度系數如圖3所示。
圖3 同一光伏組件不同恒溫方式下的溫度系數
從圖3可以看出：
不同測試方式測得光伏組 件溫度系數差異較大，高低溫環境試驗箱在降溫 采集時，光伏組件表面溫度分布不均勻，相對溫度系數接近PERC光伏組件的理論值。測試存在不確定性且不具備重復性。
計算出的溫度系數參數如表1所示。
表1 溫度系數參數計算結果
將標準光伏組件置于恒溫箱內部，25℃時設置恒溫120min，使用標準光伏組件對上打光模擬器進行校準，校準時室溫為25℃、太陽輻照度為1000W/m2，AM1.5A+A+A+標準光譜測試，校準完成后根據光伏組件類型選擇合適脈寬測試。
分別測試PERC、TOPCon、HJT光伏組件，觀察并記錄光伏組件在不同溫度下的電性能參數，得到溫度系數如圖4所示。
圖4 不同類型光伏組件溫度系數
從圖4可以看出：不同類型光伏組件溫度系數因光伏組件材料不同而顯示出不同的參數。
理論上，不同材料光伏組件溫度系數因半導體材料禁帶寬度不同而有所差異，禁帶寬度較寬的材料，對環境溫度的依存性較低。
PERC光伏組件采用鈍化發射極及局域背接觸技術，背表面內反射機制增加光吸收率，有效提高Isc；TOPCon光伏組件正表面與n-PERC光伏組件沒有本質區別，主要區別在于采用超薄二氧化硅(SiO2)隧道層和摻雜非晶硅鈍化背面，能有效減少少子復合，提高Voc和FF，進而提高光電轉換效率；HJT太陽電池利用晶體硅與非晶硅薄膜制成，具有溫度系數低的特性，且HJT光伏組件串聯電阻隨溫度升高而逐漸變小。實驗測試結果與理論基本一致。
該實驗計算出的溫度系數參數如表2所示。
表2 不同類型光伏組件溫度系數參數計算結果
選擇同一HJT光伏組件，在太陽輻照度分別為600、800、1000W/m2下測試，觀察并記錄光伏組件在不同太陽輻照度下的電性能參數，得到的溫度系數如圖5所示。
圖5 不同太陽輻照度下光伏組件溫度系數
從圖5a～5c可以看出：隨著太陽輻照度減小，
光伏組件的電性能參數中的Isc、Voc及Pm均減小。從圖5d～5e可以看出：Rs近似可用I-V曲線Voc斜率表示，Rs數值逐漸變小，FF逐漸變大。
計算出該實驗的溫度系數參數具體如表3所示。
表3 不同太陽輻照度下溫度系數參數計算結果
本文利用上打光模擬器集成恒溫箱設備，提出了一種新的溫度系數測試平臺，并與現有的溫度系數測試方式進行了對比。
實驗發現，利用環境箱-I-V相對獨立降溫測試方式測試的同一光伏組件測試結果存在較大差異；而利用本平臺測試方式對比發現實驗數據具有較高重復性。
基于本溫度系數測試平臺，通過對不同類型光伏組件進行分析，得到了不同類型光伏組件的溫度系數；通過同一光伏組件在不同太陽輻照度下溫度系數對比，得到太陽輻照度與溫度系數值呈負相關，提高太陽輻照度可實現降低光伏組件對溫度的依存性。
上打光模擬器集成恒溫箱設備提高了溫度系數測試的準確性，且具備一定的靈活性。
不同類型光伏組件溫度系數及測試設備對科學、準確地進行溫度系數修正，評估溫度對光伏組件電性能參數的影響，具有一定的借鑒指導作用。
來源：光伏組件溫度特性研究
END
原文始發于微信公眾號（光伏產業通）：光伏組件溫度特性對光電轉換效率的影響