光伏组件入射角影响测试的风险控制

王凤军

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。

关键词：光伏组件;入射角;风险控制

前言：为了评估光伏组件的性能和可靠性，国际上通常采用IEC61215和IEC61730两项标准作为设计鉴定定型和安全要求的基础。但是，此两项标准涉及光伏组件电性能评价时，均采用光源垂直于光伏组件入射的条件下测量光伏组件输出性能。然而光伏组件在户外实际发电运行时，除了双轴跟踪以外的光伏支架系统，太阳光绝大时候是以非垂直入射方式照射在光伏组件表面的，太阳光斜射时的直射光和散射光比例以及外反射（空气和盖板玻璃）和内反射（密封材料、焊带、电池片、背板等）情况，和实验室垂直入射时大不相同。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。

一、测试方法介绍及风险识别

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。

其中：为光入射角，为光垂直入射组件时（=0°）组件的输出短路电流，为光以角度入射时组件的输出短路电流。入射角是自变量，光利用率是因变量。测量得到多个数据对后，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。

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。

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。

二、风险识别与控制

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5%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。图1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，在常規光伏组件尺寸（1950mm×992mm）旋转空间范围内实现空间均匀性在5%以内比较困难，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%的范围内。

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（国内具备此测试能力的机构有CTC国检集团、TuV莱茵等）。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.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。典型的室外法测试入射角影响设备如图2所示。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。

三、影响并网光伏电站效率的因素分析

1.光伏组件

光伏组件的光电转换效率、组件标称功率偏差，组件的光照入射率组件初始光致衰退效应等四方面因素影响光伏电站效事。光伏组件的转换效率越高，标称功率正偏差越大，光照

入射率越高，光致衰退效应越小，光伏电站效率越高。如果光伏组件衰减越慢，电站长期效率越高。

2.组件安装

在地面光伏站中，光伏组件多种安装方式，按照增加照射组件表面辐射能由低到高的顺序，依次是固定支架安装（0-0.6RMBNWp）。可调支架安装、平单轴跟踪器安装（1.5.20RMBWp）、斜单轴跟踪器安装（1.7.2 RMB/Wp）和双轴跟踪器（3.0-3.5 RMB/Wp）安装等方式。固定支架安装方式是成本最低、土地利用率最高，使用最可靠的安装方式。双轴跟踪器安装方式是成本最高、土地利用率最低，使用可靠最差的安裝方式。尽管可以通过使用跟踪器方式提高光伏电站整体效率，但是经济可行性需要结合具体电站选择合理安装方式。

3.电池温度

光伏电池工作温度对光伏方阵的输出功率有重大影响，单晶硅电池功率温度系数为-0.5%/C，即电池工作温度上升10，电池输出功事降低0.5%。因为环境温度和太阳辐射使得电池工作温度高于标准条件工作温度35C，使得电池功事下降175%，进而光伏电站效奉至少下降17.5%。

4.灰尘和遮挡

组件表面的灰尘和遮挡物都可以降低光伏电站的发电量。灰尘使得光伏电站的效率降低到原值的79%-98%典型值为95%。通过定期清洗除去光伏组件表面灰尘，提高光伏电站发电量。遮挡使得光伏电站的效率降低到原值，没有太阳光照射在组件表面：10%是指没有遮挡。对于树叶、鸟黄等杂物落在组件表面形成的遮挡，可以通过检测进行清除。对于电线杆、烟肉等建筑物形成的遮挡，可以通过优化设计降低其影响。

5.光伏组件匹配

由于生产过程的限制，单个模型的组件会存在生产错误。当组件组成正方形矩阵时，组件发生损耗，电流损耗发生在模块串联时，电压损耗发生在模块并联时。组件匹配损失范围为5-3%，典型值为2%。

四、结语

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。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。

参考文献：

[1]国标GB/T20513-2006光伏系统性能监测测量、数据交换和分析导则.

[2]IEC61724：1998 Photovoltaic System Performance Monitoring-Guidelines for Measurement， Data Exchange and Analysis.

[3]太阳能光伏发电实用技术（第2版），王长贵，王斯成：化学工业出版社，2009-10.

[4]太阳能光伏发电应用技术，杨金焕，于化丛，葛亮：电子工业出版社，2009-1.