光伏组件入射角影响测试的风险控制

摘要：阐述光伏组件入射角影响测试的基本原理，介绍室内测试方法和户外测试方法，分别对两种测试方法的风险因素进行识别，并给出入射角影响测试的检测室环境、温度控制等方面的风险控制改进建议。

0　前言
      

太阳能光伏发电系统的核心部件是太阳能光伏组件，太阳能光伏组件的性能和质量优劣决定了光伏发电系统的发电性能。不同材料和封装工艺的光伏组件对入射角的响应特性也不尽相同。测量和评价光伏组件对入射角的响应特性对发电能效预测、组件选型等具有重要参考意义。IEC 61853[3]给出了在实验室条件下测量和评价光伏组件的入射角影响性能的方法，本文就该标准给出的方法进行阐述，并指出测试中存在的风险，以及如何降低这些风险。

1　测试方法介绍及风险识别

1.1　入射角影响测试介绍      

      

控制样品在一定的温度（或实际温度修正至目标温度），使样品的有效测试区域均匀接收入射光照射，改变光入射的角度（入射光线与光伏组件法线的夹角即为光入射角），测量各个入射光角度时的光伏组件输出性能。
光利用率τ(θ)=Iθ(I0×cosθ) （1）

其中：θ为光入射角， I0 为光垂直入射组件时（θ=0°）组件的输出短路电流， Iθ为光以θ角度入射时组件的输出短路 电流。入射角θ是自变量，光利用率τ(θ)是因变量。

测量得到多个θ-τ(θ)数据对后，通过拟合程序得到代表组件入射角响应特性的无量纲常数IAM。

1.2　室内测试方法
      

入射角影响的室内测试方法，采用“固定模拟光源+可旋转组件支架”的方式进行。主要部件包括：模拟太阳光源、光伏组件支架、组件性能测试仪、光入射角测试仪、辐照度计、温度记录仪等。在测试过程中，光源固定、样品单轴旋转改变光入射角。
      

室内测试方法较容易实现组件温度的控制（可采用控温室、脉冲式单次闪光太阳模拟器），风险点在于控制组件有效测试区域旋转过程中各位置的空间均匀性、试样测试结果是否准确。

1.3　室外测试方法
      

入射角影响的室外测试方法，采用“自然太阳光+跟踪支架”的方式进行。主要部件包括：太阳跟踪器、计算机控制双轴跟踪支架、组件性能测试仪、光入射角测试仪、总辐射仪、直接辐射仪、温度记录仪、风速风向计等。在试验过程中，太阳自然运动、跟踪支架由计算机程序控制（调整方位角和俯仰角）改变入射角。室外测试方法在自然太阳光下测量，入射到组件表面的太阳光为平行光，因此较容易实现组件表面辐照度的均匀性（测试选址时还应注意避免周围建筑物的遮挡和反射光），风险点是确定光入射的角度、控制组件温度稳定，在部分地区或时期，还会因污染或多云导致散射光占总太阳光比例过高而不满足测试条件。

2　风险识别与控制

2.1　室内测试方法  

室内测试方法采用的是“固定模拟光源+可旋转组件支架”的方式，空间均匀性的风险由两部分导致：一是测试室 环境反射较强，对测试造成干扰；二是由于室内测试方法局限，只能在适当范围内满足标准中对空间均匀性不超过%的要求。
      

组件在空间旋转过程中，前表面面向的可能是地面、光源、屋顶、斜上方等各种物体，因此需要减少环境对模拟光源发出光的反射，避免对组件不同角度测试形成干扰。展示了 6 种不同材料在 290nm~2500nm波段的反射率情况，可见E材料在各波段的反射率位于 1.4%~3.8%之间，是6 种材料中最适合选用的材料。

建议使用图 1 中的E材料覆盖测试室各墙面，并合理安排测试设备和人员位置，以减少杂散光对测试的影响。当环境布置到一定阶段后，将组件前表面向上、向下各翻转至入射角为 80°情况，分别测量此时的输出性能，如果两种情况的偏差不超过 2%，则认为环境布置成功。

      

当环境布置成功、杂散光得到有效处理后，一个比较满意的测试室就搭建完成了。然而由于室内测试方法模拟太阳光小尺寸光源的使用，在常规光伏组件尺寸（1950mm×992mm）旋转空间范围内实现空间均匀性在 5%内比较困难，如果在此情况下继续测试，组件表面辐照度不均匀将导致测试结果错误的风险。因此，室内法测试时需要限定测试有效区域，将其限制在空间均匀性满足 5%范围内。
     

限定测试有效区域尺寸的最好办法就是测试光伏组件的最小组成单元——单个电池片。单个电池片样品可以通过如下方法获得：1）企业定制小尺寸试样，封装材料和工艺等同该企业目标测试的大尺寸光伏组件；2）通过切割光伏组件背板实现获得某电池片的正负极；3）组件生产时，企业特制样品，仅引出单独 1 片电池片的正负极。

方法 1 的风险在于不能保证小尺寸试样性质等同组件，亦即小尺寸试样的结果不能代表目标组件的测试结果，主要原因是小尺寸试样制作所需要的原材料、制作工艺很难和正常组件保持一致。

方法 2 的风险在于人为切割背板存在破坏目标电池片的风险（如隐裂），且电池片正负极栅线引出到测试仪器的接触电阻增大，容易导致IV特性测量失败，并且该方法不适用于双玻光伏组件。

方法 3 存在单片电池片通过长距离焊带输送产生线损，以及和企业生产设备协调性不好、耽误企业生产节拍、较大增加企业成本等问题。

因此，通过上述方法测量单片电池片不是最好、最经济的途径。推荐使用技术手段解决上述问题。采用技术手段可以避免定制试样不等同目标组件的风险、实验室切割背板损伤样品的风险和线损增大及企业成本增加的风险，是入射角影响室内测试方法的首选。

2.2　室外测试方法

      

户外测试方法采用的是“自然太阳光+跟踪支架”的方式，宜在当地正午不超过 1 小时时间范围内进行，需要满足净空”标准，即太阳垂直法向直接辐射占跟踪总辐射的含量应不小于 85%，风速小于 4m/s。

光入射角的确定时户外法测试主要风险点之一，由于太阳和地球的相对运行，太阳的高度角和方位角时刻都在发生变化。为了创造标准要求的测试入射角条件，计算机控制跟踪支架也总是在旋转或俯仰运动。因此，确定实时的太阳光入射角需要计算机控制程序和太阳跟踪器的密切配合，或者采用高精度、高可靠性的太阳入射角度测试仪。
      

入射角测量或计算的偏差可能直接导致测试结果的错误。户外法测试光伏组件的另一风险是组件温度控制。标准要求测试时组件不同位置的多个温度传感器温度值偏差不超过 5℃，然而在户外无周围建筑物遮挡情况下风是不可避免的，不同风向和风速会引起被测组件温度不均匀进而导致测量失败。

      

此外，在部分地区或时期，还会因污染或多云导致散射光占总太阳光比例过高而不满足测试条件，导致测试无法进行及测试周期延长的风险。因此，室外测试方法应考虑试验进行的地点和时间。

3　结论
      

本文主要研究内容是光伏组件入射角影响的测试结果风险控制、方法改进。

1）室内测试方法，推荐使用全波段低反射率材料处理检测室环境条件；推荐使用技术手段，解决测试不准确或定制试样不具有代表性的问题。

2）室外测试方法，建议加强光入射角的确定、组件温 度控制等风险控制，并应考虑试验进行的地点和时间。
      

本文介绍了室内测试方法和室外测试方法存在的较多不足之处，如对双面组件测试目前采用遮挡背面仅测试正面，测试速度较慢风险因素较多等。希望未来有更多的机构和人员参与到入射角影响测试研究中，不断提高光伏组件入射角影响测试项目的风险控制能力和水平。

来源：刘志民，胡晓阳等 光伏学术文献研读