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光谱失配误差对光伏组件测试的影响研究

Information classification: Release time:2015-10-15  Views:124

[摘要]光伏组件测试中,太阳模拟器的光谱辐照度分布、光伏组件的光谱响应度、PN结温度等是影响测试结果的主要因素。本文从太阳模拟器光谱失配误差产生的原因出发,研究了光谱失配误差的理论处理方法,并使用脉冲模拟器对单晶硅、非晶硅光伏组件进行了实验分析,给出了减小或修正光谱失配误差对光伏组件测试结果影响的措施建议。

[关键词] 光谱失配误差 光谱辐照度分布 光谱响应度

 光伏组件的电性能测试结果体现为电流-电压(I-V ) 特性曲线,通过曲线可获得光伏组件的重要性能参数:开路电压(Voc )、短路电流(Isc )、最大功率 (Pmax )、最大功率时的电流 (Imax ) 和电压(Vmax )、填充因子 (F.F. )、转换效率 (η )、短路电流密度 ( Jsc ) 等。目前,测量光伏性能的通用方法是将光伏组件放在稳定的自然或模拟太阳光下保持一定的温度,描绘其I-V特性曲线,并且采用与测试样品光谱响应类似的标准组件测量入射光的辐照度,最后将测得的电流和电压数据修正到标准测试条件下(STC ) (电池温度:25 ℃,辐照度:1 000 W· m-2,太阳光谱辐照度分布符合GB/T 6495.3-1996《 光伏器件 第3部分:地面用光伏器件的测量原理及标准光谱辐照度数据 》规定)。电池温度可通过水温或电子冷却的方式进行控制,而辐照度和光谱辐照度分布的确定较为复杂。目前,通常的做法是利用与测试组件光谱响应度类似的参考标准组件对太阳模拟器进行标定辐照度,然后在该辐照度下测量光伏组件的性能参数。光伏组件性能测试中,模拟光源与标准光源的光谱不匹配、光伏组件之间的光谱响应度不匹配等因素都可能导致光谱失配误差,影响测试结果。

 一、光谱失配误差产生的原因

 太阳的辐射光谱具有很宽的频域,由于大气中的气体分子、水蒸气、灰尘等对某些波长的太阳辐射具有散射或吸收,致使太阳辐射透过大气层后到达地球表面的辐射分布出现较大的变化。为了描述这种辐射改变,国际标准化组织(ISO )定义了大气质量 (AM ),AM1.5表示通过1.5个大气层厚度后太阳辐射,当太阳光照射到地球表面时,由于大气层与地表景物的散射、折射的因素,会多增加20%的太阳光入射量,称之为扩散部分,包含扩散部分太阳光能量的光谱分布为AM1.5G(见图1 ),不包含的为AM1.5D。标准太阳光谱辐照度分布是总辐射太阳光 (包括直射和散射),相应于AM1.5光谱分布,在与水平面成37°角的倾斜面上辐照度为1 000 W· m-2,地面反射率为0.2,气象条件为:大气中水含量为1.42 cm,大气中臭氧含量为0.34 cm,混浊度为0.27( 0.5 μm 处)。

图 1 AM1.5G标准太阳光谱分布

 现实生活中,太阳辐射会随着时间、地理位置和季节等因素的变化而变化,光伏组件在自然太阳光下测量所得I-V曲线数据的再现性和可比性较差,并且会对光电转换效率监控产生偏差,因此通常光伏组件测试使用太阳模拟器在室内进行。太阳模拟器可以提供近似标准太阳光谱,其与标准光源的匹配程度会大大影响光伏组件的测试结果。太阳模拟器常用光源(氙灯、镝钨灯、碘钨灯等) 的光谱分布与标准光谱分布有一定的差异,因此为了精确测试结果,人们不断地对太阳模拟器进行硬件改进以减小误差,如改换滤波片以调整光谱透过率等办法。但是硬件方法成本太高,并且只能使其较为接近标准光谱分布,无法消除影响。

 太阳模拟器等级划分标准有IEC 60904-9-2007《太阳能电池标准》、GB 6495.9-2006《光伏器件第9部分:太阳模拟器性能要求》 和ASTME927-2010《陆地光电试验用阳光模拟装置的规格》等,主要包含3个技术指标:光谱匹配、辐照不均匀度和辐照不稳定度。本文主要研究光谱匹配度对光伏组件测试的误差影响及其理论处理方法。太阳模拟器的光谱匹配是指:在每个光谱波段内,总辐射照度占整个有效波段内总辐射度的百分比与AM1.5条件下,光谱辐照度分布百分比之间的偏差。此偏差必须控制在一定的范围内,例如A级太阳模拟器的光谱匹配度需控制在0.75~1.25之间(见表1 )。

表1 模拟器等级分类

特性

等级A

等级B

等级 C

光谱匹配

0.75~1.25

0.6~1.4

0.4~2.0

辐照不均匀度

≦2%

≦5%

≦10%

辐照不稳定度

≦2%

≦5%

≦10%

 二、光谱失配误差分析方法

 目前,常用参考标准组件短路电流密度法来分析光谱失配误差,它是一种标准组件和测试组件之间参数传递的方法。首先,必须获得标准组件在标准测试条件下的短路电流密度;然后,将标准组件置于太阳模拟器下测试,经调整太阳模拟器的辐射功率使其短路电流密度值与标定值相同;最后,将测试组件在调整后的太阳模拟器下进行测试,可获得测试组件在标准测试条件下的短路电流密度值。此种方法的使用前提是标准组件与测试组件的光谱响应一致,只考虑太阳模拟器的光谱失配对短路电流密度的误差影响。另外,也可以通过理论处理方法获取短路电流密度的误差:

 光伏组件在不同波长下的光谱响应度Sλ( A · W-1)分别与太阳模拟器的光谱辐照度分布或AM1.5G光谱分布Gλ (W·m-2·μm-1) 相乘,并积分得到模拟光谱下或标准光谱下的短路电流密度Jsc,见公式(1 )。短路电流密度乘以光伏电池的有效受光面积即可得到短路电流Isc。

Jsc = ∫S λ·G λdλ      (1)

 短路电流密度法理论计算光谱失配误差,涉及4个因子:标准光伏组件的光谱响应 (Sλref)、测试光伏组件的光谱响应(Sλtest)、标准光谱辐照度分布AM1.5G(GλAM1.5G )、太阳模拟器光谱辐照度分布(Gλsimulator )。失配因子通过计算标准光伏组件和测试样品的光谱响应与太阳模拟器的光谱辐照度分布和标准光谱辐照度分布AM1.5的积分获得,计算公式为(2 ):

失配因子MM=Jref,AM1.5G/Jref,simulator×Jtest,simulator/Jtest,AM1.5G                    =∫Sλref×GλAM1.5G dλ/(∫Sλref ×Gλsimulator dλ) ×(∫Sλref ×Gλsimulator dλ) / (∫Sλtest×GλAM1.5Gdλ )                    (2)

假定标准光伏组件与测试组件的光谱响应度基本一致,仅考虑太阳模拟器光谱分布与标准光谱分布AM1.5G的光谱失配造成的误差影响 光谱相对误差计算公式为(3 ):

光谱失配相对误差=(Jref,simulatorJtest,AM1.5G) /Jref,AM1.5G

             =Stest(G simulatorGAM1.5G)d/( S test G AM1.5G d)    (3)

从公式 (3 ) 中可以看出,只要获得各类型光伏组件的光谱响应度、太阳模拟器的光谱分布以及AM1.5光谱分布,即可分析光谱失配对短路电流密度结果的影响。

三、实验

本实验用太阳模拟器(上海质检院设备) 为瑞士PASAN公司生产的SUNSIM 3BM脉冲模拟器。测试样品包括单晶硅和非晶硅两种类型的光伏组件,受光面积为4 cm2。采用以上理论处理方法,分析脉冲模拟器的光谱失配对光伏组件短路电流密度的影响。

 1.脉冲模拟器与AM1.5G的光谱分布

 用光谱分析仪和光谱辐照度计对SUNSIM3BM 脉冲模拟器进行光谱分布测试,脉冲模拟器与AM1.5G的光谱分布对比曲线见图2,图2中数据

按照1 000 W ·m-2的总辐照度进行归一化。

图 2 脉冲模拟器与 AM1.5G光谱分布对比曲线

本试验用模拟器光脉冲稳定性在-1%~1%之间,产品等级优于IEC60904-9-200中规定的A级。下表2为SUNSIM 3BM脉冲模拟器与AM1.5G标准光谱在1 000 W· m-2辐照度下的光谱匹配度。表2 中可以看出该模拟器在波段400~500 nm、800~1 100 nm光谱偏离稍大,而在500~800 nm的可见光波段,光谱匹配度较高。由此可见,太阳模拟器的光谱失配误差影响与波段分布有关,在误差修正的过程中,应充分考虑波段分布的差异性。

表 2 脉冲模拟器与AM1.5G光谱匹配度

序号

波长范围nm

AM1.5G条件有效波段内积分辐照度的百分比

太阳模拟器有效波段内积分辐照度的百分比

光谱匹配度

1

400~500

18.4%

16.0%

0.87

2

500~600

19.9%

18.7%

0.94

3

600~700

18.4%

19.0%

1.03

4

700~800

14.9%

15.5%

1.04

5

800~900

12.5%

13.6%

1.09

6

900~1100

15.9%

17.3%

1.09

    2. 测试组件的光谱响应度

根据标准GB/T 6495.8-2002《光伏器件第8部分:光伏器件光谱响应的测量》 / IEC 60904-8《光伏器件光谱响应的测量》要求,对单晶硅和非晶硅进行光谱响应度的测量。图3为单晶硅在350~1 100nm波长范围内的相对光谱响应度,图4为非晶硅在300~1200 nm波长范围内的相对光谱响应度。从图3、图4中可以看出,单晶硅几乎可对350~1 100 nm全波段响应,峰值集中在950 nm附近,而非晶硅响应波段为300~700 nm,主要为可见波,峰值集中在550 nm附近 由此可以看出,不同类型的光伏组件由于生产工艺不同,其光谱响应度不完全相同因此,在做模拟器辐照度分布标定过程中,应选用与测试样品同类型的标准组件,减小同类型光伏组件的光谱响应度失配造成的短路电流密度误差。

 

图3 单晶硅的光谱响应度

图4 非晶硅的光谱响应度

 

根据短路电流密度法或理论处理方法,依据公式 (1 ),由AM1.5G光谱分布、脉冲模拟器光谱分布以及光伏组件的光谱响应度数据,可以理论计算出不同类型光伏组件在不同光谱辐照度分布的短路电流密度,由此可进一步分析光谱失配对测试结果的影响。表3为典型光伏组件在标准光谱分布与模拟器光谱分布条件下的短路电流密度结果。表3中AM1.5G列为理论计算的结果真值,而另两列为修正前与修正后的结果对比。表中显示使用修正前短路电流密度测试结果偏离真值较大。通过公式(3 ) 的理论误差修正方法,利用标准组件标定脉冲模拟器,修正测试结果,标定修正后的短路电流密度更加接近真值。

表3 光伏组件在不同光谱条件下的短路电流密度

短路电流密度

光谱分布

AM1.5G

A级脉冲模拟器 SUNSIM 3BM

标准组件标定修正后结果

单晶硅,mA ·cm2

32.4

32.5

32.5

非晶硅,mA ·cm2

9.325

10.0

9.4

3.实验分析

由表1 表2和图2中的数据对比显示,本次太阳模拟器SUNSIM 3BM的光谱匹配程度是优于A级模拟器的,光谱在各波段特别是500~800 nm波长范围内的偏离程度较小即使是如此良好状况的太阳模拟器,从表4中可以看出,光谱失配仍然能够对I- V曲线结果产生误差影响,并且脉冲模拟器的光谱失配对模拟器非晶硅的误差影响大于单晶硅这主要是由于模拟器非晶硅光谱响应为300~700 nm的可见波段,此波段只占总辐照分布的部分,总体影响较大,因此会产生不同类型光伏组件在同一太阳模拟器的光谱失配中产生不同的误差结果。

表4 不同类型光伏组件的光谱失配误差(%)

类型

单晶硅

非晶硅

A级脉冲模拟器SUNSIM 3BM

0.3

7.2

标准组件标定修正后误差

0.3

0.8

四 结束语

在光伏组件测试中,光谱失配可以引起短路电流密度误差,其误差范围主要由两个因子决定:太阳模拟器光谱分布与标准光谱AM1.5G分布的匹配程度以及标准组件与测试组件的光谱响应度的一致性 因此,为了尽量减小光谱失配误差对光伏组件测试带来的影响,首先应选择与测试电池类型一致的或光谱响应度类似的标准电池来对太阳模拟器辐照度分布进行标定,以减小光谱失配误差影响其次,选择与标准光谱AM1.5G光谱匹配度高的太阳模拟器进行测试,并且可用理论数据处理方法获得失配因子,对结果进行修正最后,若新型光伏组件无对应类型的标准组件标定,可通过测量组件的光谱响应度和太阳模拟器的光谱分布,根据以上理论处理方法计算光谱失配误差,可修正结果值。


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