一种新型双面光伏组件正面和背面太阳辐照测试系统的介绍

国家电投集团西安太阳能电力有限公司 ■ 苗林

0 引言

在新能源领域，无论是光伏电站还是太阳能热发电站，精确与可靠的太阳辐照数据都尤为重要。该数据是坚实可靠的基础信息，是产品研发、质量控制、确定最佳定位、检测系统效率和各种天气条件下进行太阳能发电量预报等活动的科学决策依据。

相对传统的单面发电的光伏组件而言，由于双面光伏组件的正面和背面均可发电，具有提高发电量和系统综合效率，进而降低度电成本的优点。现有的测量双面光伏组件正面和背面的太阳辐照度和辐照量的方法，需要按照实际的安装倾角分别在组件正面和背面安装太阳辐照仪。但由于太阳辐照仪的光谱响应范围与光伏组件存在差异，且平单轴、斜单轴等非固定式的安装方式也会给太阳辐照仪的安装带来困难，会给辐照度和辐照量的精确测量造成误差，因此，有必要对双面光伏组件正面和背面的太阳辐照测量方法进行改进。基于此，本文提出了一种新型的双面光伏组件正面和背面太阳辐照测试系统及测试方法[1-2]。

1 双面光伏组件正面和背面太阳辐照测试系统介绍

本双面光伏组件正面和背面太阳辐照测试系统包括双面光伏组件测试装置、电阻、电压采集模块、温度采集模块、数据采集与软件处理模块、远程查看几部分[3-4]，如图1所示。

图1 双面光伏组件正面和背面太阳辐照测试系统示意图

1.1 双面光伏组件测试装置

为了能够完全模拟双面光伏组件的封装工艺与使用环境，本测试系统中的本双面光伏组件测试装置为特制，其与待测的双面光伏组件采用相同的材料(双面太阳电池、镀膜玻璃、封装胶膜、焊带、汇流带、接线盒)进行封装，如图2所示。

图2 双面光伏组件测试装置实物图

图2中的双面光伏组件测试装置由2片相同的双面太阳电池制作而成，中间使用遮光材料，以保证每片太阳电池仅单面受光。组件的正面为其中1片双面太阳电池的正面受光面，组件的背面为另1片双面太阳电池的背面受光面。组件正面和背面的电池均焊接焊带、汇流带，并使用接线盒分别将两侧电流引出，用于测试电池的电性能；同时，2片电池均放置T型热电偶，用于测试电池的温度。双面光伏组件测试装置的正面和侧面示意图如图3所示。

图3 双面光伏组件测试装置示意图

该测试装置在使用前，首先需要对双面光伏组件的正面和背面分别进行60 kWh/m2光衰测试，以保证电池的电性能稳定；然后分别对正面和背面进行光谱响应标定、短路电流标定、电流温度系数标定。

1.2 电阻

使用低温度系数、低阻值电阻，将电阻1和电阻2分别串联在正面接线盒和背面接线盒的两侧。

1.3 电压采集模块

电压采集模块用于采集电阻1和电阻2两端的电压值，并将电压值传输至数据采集与软件处理模块。

1.4 温度采集模块

温度采集模块用于采集正面热电偶和背面热电偶的温度，并将温度值传输至数据采集与软件处理模块。

1.5 数据采集与软件处理模块

数据采集与软件处理模块用于对数据进行采集和处理。根据电阻和采集的电压数值，可得到双面光伏组件测试装置的正面短路电流或背面短路电流，公式[5]为：

式中，Isc为双面光伏组件测试装置正面或背面的短路电流，A；V为电压，V；R为电阻，Ω。

根据标定的电流温度系数，使用采集的双面光伏组件测试装置正面或背面的温度和由式(1)得到的短路电流，将短路电流修正至25 ℃，即：

再将修正后的短路电流与标定的短路电流进行对比，即可得到双面光伏组件测试装置正面或背面的辐照度，公式为：

式中，G为辐照度，W/m2；G0为标准辐照度，为1000 W/m2；为标定短路电流，A。

将辐照度对时间做积分，可得到辐照量，即：

式中，H为辐照量，W/(m2·h)；t为时间，h。

数据采集与软件处理模块的界面如图4所示。图中，CH1为双面光伏组件测试装置的正面，CH2为其背面。通过短路电流值和温度值，可得到正面和背面的辐照度，进一步可得到正面和背面的辐照量。

图4 数据采集与软件处理模块的界面

1.6 远程查看

在数据采集与软件处理模块配置GPRS通信模组，可实现测试系统结果的远程查看功能。

1.7 设备精度

在本双面光伏组件正面和背面太阳辐照测试系统中，电阻温度系数要求±20 ppm/℃，电阻阻值要求≤2 mΩ。

2 与现有测试技术的比较

本双面光伏组件正面和背面太阳辐照测试系统与现有测试技术相比，具有以下优点和优势：

1)本测试系统中的双面光伏组件测试装置采用了与待测的双面光伏组件完全相同的双面太阳电池、组装工艺、安装条件及使用条件，从而使测试系统测得的辐照量能精确地反映出待测的双面光伏组件的辐照量。

2)本测试系统利用2片相同的双面太阳电池封装成双面光伏组件测试装置，且仅使用其中1片电池的正面和另1片电池的背面，2片电池中间利用黑色遮光材料层进行遮光，使得1片电池仅正面工作，另1片电池仅背面工作，从而可实现对双面光伏组件测试装置正面和背面电压及温度的分别采集。

而在现有测试技术中，由于双面光伏组件中的双面太阳电池的正面和背面是同时接收光照进行工作的，因此无法将其正面和背面的电压及温度区分开，从而无法实现利用测试电压和温度对正面和背面辐照量进行分别计算。

3)本测试系统集数据采集、数据处理及数据远程发送于一体，可方便实现对双面光伏组件正面和背面太阳辐照的测试，且整个测试过程为自动化处理。

3 本测试系统的实际应用举例

3.1 计算电站的综合效率

《并网光伏电站性能监测与质量评估技术规范》中指出：光伏电站综合效率(PR)

式中，E为评估周期内光伏电站并网计量点的交流发电量；P0为光伏方阵额定功率；Hi为评估周期内辐照度对时间的积分；G0为标准测试条件辐照度，为1000 W/m2。

由式(5)可以看出，Hi的准确测量是计算光伏电站PR的重要因素，尤其是对于非固定式的平单轴、斜单轴等安装方式来说，使用传统的太阳辐照仪难以准确测量总辐照度，但利用本测试系统可对总辐照度进行准确测量。

3.2 发电量预测

光伏电站在进行前期可行性研究时，需要对拟建光伏电站的发电量进行理论预测，以此来计算项目的投资收益率，进而决定项目是否值得建设。根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》第6.6条，电站发电量的计算式可表示为：

式中，Ep为上网发电量，kWh；HA为当地太阳能年总辐照量，kWh/m2；PAZ为系统安装容量，kW；K为综合效率系数。

由式(6)可以看出，HA的准确测量是发电量预测的重要因素。因此，针对所采用光伏组件的辐照量的测量越准确越好。

4 总结

本文提出了一种新型的双面光伏组件正面和背面太阳辐照测试系统及测试方法，该测试系统的光谱响应范围可保证与待测光伏组件的光谱响应范围完全相同，且便于在非固定式安装的光伏发电系统中使用，系统的运动不会对测试结果造成误差，可实现对双面光伏组件正面和背面太阳辐照度及辐照量的准确测量。