光伏组件温度特性研究

冯云峰，郗亚茹，张鹤仙，黄国华

(1.陕西众森电能科技有限公司，西安 710018；2. 西安交通大学，西安 710049)

0 引言

光伏组件作为光伏发电系统中将光能转换为电能的部件，其光电转换效率是决定光伏发电效率的主要因素[1-2]。光伏组件实际使用过程中，会受到所处户外复杂环境的影响，从而导致其电性能参数改变，其中，太阳辐照度、温度和湿度产生的影响较为明显[3]。现行的由国际电工委员会(IEC)提出的评估发电量标准——IEC 61853-1和IEC 61853-2针对温度系数测试实验[4]，仅在设计定型中有相应考核标准，但在实际使用中，光伏组件安装高度、光伏组件背面背景，以及光伏组件所在地的经纬度、海拔及日照情况各不相同，IEC 61853-1和IEC 61853-2无法满足实际应用环境中的评估[5-7]。目前，实验室有3种测试方式：1)环境箱-I-V相对独立降温测试，将光伏组件置于高温箱体内加热至一定温度后取出，采用太阳模拟器测试仪进行I-V测试[8]；2)侧打光模拟器集成加热装置测试，将光伏组件在侧打光区域内加热至一定温度后进行I-V测试[9]；3)下打光模拟器集成加热装置测试，光伏组件置于下打光腔体内部，I-V测试时需打开腔体，测试结束后关闭腔体继续升温，循环测试直至结束[10]。在温度系数测试方面，上述3种方式在测试时均存在温度分布不均匀的缺点，导致光伏组件p-n结温度与实际测试温度不一致。本文基于上打光模拟器及恒温箱搭建了一种温度可控、可精确调节的温度系数测试平台，该设备通过上打光模拟器对恒温箱体内部光伏组件进行测试，同时采用加热灯管及风机的方式调节箱体温度，箱体内部设有铂电阻对箱体温度进行实时监控，同时自主研发I-V测试软件进行自动测试，测试结束后自动生成温度系数曲线。

1 实验设计及温度系数理论

组件上打光温度系数测试仪如图1所示。该实验系统由A+A+A+标准上打光模拟器、恒温箱设备、自主研发的采集软件、温度探头等组成。其中，A+A+A+标准上打光模拟器由光源箱、电控柜、电容柜、采集盒及暗室组成，脉宽为10～100 ms，可调节电压、电流挡位；恒温箱设备分为机械设备和电控设备，机械设备包括箱体、光伏组件置物架、滑轮等，电控设备包括电加热管、风机、铂电阻温度传感器、温控器等。光伏组件在光源正下方的恒温箱内，脉冲光通过滤光片经暗室、高透玻璃到达恒温箱内辐照面，通过接线盒将电性能参数在采集盒内转换采集。恒温箱内通过电加热管及风机进行箱体内部温度控制，温度调节范围为25～80 ℃，温差精度为±0.5 ℃，置入可编程逻辑控制器(PLC)程序控制温度调节，恒温时间及步长可调节，同时采用铂薄膜贴片式传感器实时监控箱体内部温度分布。此外，自主研发编写的模拟器上位机软件与PLC进行通信，设置恒温测试程序，可实现在一定温度下自动切换测试。

图1 组件上打光温度系数测试仪Fig. 1 Upper polished module temperature coefficient tester

根据电子学的理论，在忽略内部并联电阻情况下，光伏组件的特性可以用一个等效电路模型表示[11]。光伏组件的单二极管等效电路模型如图2所示，图中：I为光伏组件输出电流，A；V为光伏组件输出电压，V；IL为光生电流，A，其与入射光强呈正相关；Id为二极管正向电流，A；Rs为光伏组件串联电阻，Ω；D为二极管。等效表达式如式(1)、式(2)所示。

图2 光伏组件等效电路图Fig. 2 Equivalent circuit of PV modules

式中：q为电子电荷量，值为1.6×10-19C；k为波尔兹曼常数，值为1.38×10-23J/K；A为二极管质量因子；T为光伏组件工作温度，℃。

当I=0时，电路中的电压即为开路电压Voc；当V=0时，记为短路电流Isc。由式(1)、式(2)可得计算式为[11-12]：

式中：α、β均为电池常数；Ic为太阳辐射强度，W/m2；Ac为光伏组件有效吸收面积，m2。

光伏组件最大功率Pm通常由最大电流Im、最大电压Vm乘积等效得出，相关计算式为：

串联电阻是金属栅极与晶体硅间接触电阻、p-n结发射极和基极区电阻、电池金属线电阻、内部汇流排电阻等部分之和[12]。近似可看作I-V采集时开路电压处斜率，计算式为：

光伏组件填充因子FF的计算式为：

由式(1)～式(9)可构建出完整的光伏组件理论模型。可以看出，Isc、Voc、Pm、FF均与温度有关，光伏组件材料内部参数因温度变化或太阳辐照度变化均会发生改变，如内在载流子浓度、扩散速率、光子吸收系数等[13-14]。Isc受温度影响因素较为复杂；随着温度升高，p-n结载流子迁移率减小，复合系数增加，可导致Isc随温度升高而减小，也可导致Voc、FF随着温度升高而逐渐减小；但同时，禁带宽度会随着温度升高而逐渐变小，使更多的光子可以激发电子能级跃迁，本征吸收带向长波方向移动，光能利用率增加，导致Isc变大[15-18]；此外，随着扩散长度及少数p-n结载流子寿命增加，Isc也在增加。综上，Isc随温度增加呈正相关，与Voc、FF呈负相关，且Pm随着温度变化也呈负相关[15]。

光伏组件温度与电性能关系一般被认为近似线性相关，即：

式中：a为温度系数；b为系数；后续讨论中，短路电流温度系数、开路电压温度系数、最大功率温度系数分别用α、β、δ表示。

一般温度系数采用相对温度系数，即温度每变化1 ℃对应的光伏组件的电性能变化百分比，计算式为[18-19]：

式中：Tc为相对温度系数，%/℃。

2 实验结果与讨论

恒温测试开始前，需将待测光伏组件进行电致发光(EL)等检测，使用标准光伏组件在标准测试条件(STC)下测试，进行模拟器仪器校准。将待测光伏组件擦拭处理，确保光伏组件表明无明显异物遮挡，利用光伏组件置物架将待测组件传运到辐照面，根据待测光伏组件类型选择合适脉宽，尽可能减小电容效应对测试结果准确性的影响。

实验中，设置恒温箱温区为25～75 ℃，控制升温速度为1 ℃/min，其中，25 ℃温区设置恒温120 min，其他温区设置恒温60 min。模拟器脉冲太阳辐照度为1000 W/m2，电流为12.5 A，电压为50 V，脉冲宽度为100 ms，测试间隔时间为30 s，测试模式为I-V测试。分别测试不同光伏组件类型、恒温方式及太阳辐照度条件下光伏组件的电性能参数，记录并计算不同类型光伏组件温度系数。

2.1 不同恒温方式下的光伏组件温度系数

测试同一PERC光伏组件在不同测试方式下的温度系数，对比测试方式为环境箱-I-V相对独立降温测试。对比测试的设备由高低温环境试验箱与下打光模拟器集成，待测光伏组件置于高低温环境试验箱内加热至80 ℃，随即放入下打光模拟器测试面，太阳辐照度为1000 W/m2，用红外测温仪在70 ℃降至25 ℃光伏组件温度变化时每隔5 ℃进行I-V采集。恒温箱设备将光伏组件置于箱体内部，集成上打光设备测试，确保光伏组件在不同温度下具备准确性及均匀性，无需进行光伏组件搬运。同一光伏组件不同恒温方式下的温度系数如图3所示。

图3 同一光伏组件不同恒温方式下的温度系数Fig. 3 Temperature coefficient of same PV module under different constant temperature methods

从图3可以看出：不同测试方式测得光伏组件温度系数差异较大，高低温环境试验箱在降温采集时，光伏组件表面温度分布不均匀，相对温度系数接近PERC光伏组件的理论值。测试存在不确定性且不具备重复性。

由式(11)计算出的温度系数参数如表1所示。

表1 温度系数参数计算结果Table 1 Calculation results of temperature coefficient parameters

2.2 不同类型光伏组件温度系数

将标准光伏组件置于恒温箱内部，25 ℃时设置恒温120 min，使用标准光伏组件对上打光模拟器进行校准，校准时室温为25 ℃、太阳辐照度为1000 W/m2，AM1.5 A+A+A+标准光谱测试，校准完成后根据光伏组件类型选择合适脉宽测试。分别测试PERC、TOPCon、HJT光伏组件，观察并记录光伏组件在不同温度下的电性能参数，得到温度系数如图4所示。

图4 不同类型光伏组件温度系数Fig. 4 Temperature coefficient of different types of PV modules

从图4可以看出：不同类型光伏组件温度系数因光伏组件材料不同而显示出不同的参数。理论上，不同材料光伏组件温度系数因半导体材料禁带宽度不同而有所差异，禁带宽度较宽的材料，对环境温度的依存性较低。PERC光伏组件采用钝化发射极及局域背接触技术，背表面内反射机制增加光吸收率，有效提高Isc；TOPCon光伏组件正表面与n-PERC光伏组件没有本质区别，主要区别在于采用超薄二氧化硅(SiO2)隧道层和掺杂非晶硅钝化背面，能有效减少少子复合，提高Voc和FF，进而提高光电转换效率；HJT太阳电池利用晶体硅与非晶硅薄膜制成，具有温度系数低的特性，且HJT光伏组件串联电阻随温度升高而逐渐变小。实验测试结果与理论基本一致。

该实验下由式(11)计算出的温度系数参数如表2所示。

表2 不同类型光伏组件温度系数参数计算结果Table 2 Calculation results of temperature coefficient parameters of different types of PV modules

2.3 不同太阳辐照度下的光伏组件温度系数

选择同一HJT光伏组件，在太阳辐照度分别为600、800、1000 W/m2下测试，观察并记录光伏组件在不同太阳辐照度下的电性能参数，得到的温度系数如图5所示。

从图5a～5c可以看出：随着太阳辐照度减小，光伏组件的电性能参数中的Isc、Voc及Pm均减小。从图5d～5e可以看出：Rs近似可用I-V曲线Voc斜率表示，Rs数值逐渐变小，FF逐渐变大。

图5 不同太阳辐照度下光伏组件温度系数Fig. 5 Temperature coefficient of PV modules under different solar irradiance

由式(11)计算出该实验的温度系数参数具体如表3所示。

表3 不同太阳辐照度下温度系数参数计算结果Table 3 Calculation results of temperature coefficient parameters under different solar irradiance

3 结论

本文利用上打光模拟器集成恒温箱设备，提出了一种新的温度系数测试平台，并与现有的温度系数测试方式进行了对比。实验发现，利用环境箱-I-V相对独立降温测试方式测试的同一光伏组件测试结果存在较大差异；而利用本平台测试方式对比发现实验数据具有较高重复性。基于本温度系数测试平台，通过对不同类型光伏组件进行分析，得到了不同类型光伏组件的温度系数；通过同一光伏组件在不同太阳辐照度下温度系数对比，得到太阳辐照度与温度系数值呈负相关，提高太阳辐照度可实现降低光伏组件对温度的依存性。上打光模拟器集成恒温箱设备提高了温度系数测试的准确性，且具备一定的灵活性。不同类型光伏组件温度系数及测试设备对科学、准确地进行温度系数修正，评估温度对光伏组件电性能参数的影响，具有一定的借鉴指导作用。