國(guó)家電投集團(tuán)西安太陽(yáng)能電力有限公司 ■ 苗林

0 引言

在新能源領(lǐng)域，無(wú)論是光伏電站還是太陽(yáng)能熱發(fā)電站，精確與可靠的太陽(yáng)輻照數(shù)據(jù)都尤為重要。該數(shù)據(jù)是堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)信息，是產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量控制、確定最佳定位、檢測(cè)系統(tǒng)效率和各種天氣條件下進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電量預(yù)報(bào)等活動(dòng)的科學(xué)決策依據(jù)。

相對(duì)傳統(tǒng)的單面發(fā)電的光伏組件而言，由于雙面光伏組件的正面和背面均可發(fā)電，具有提高發(fā)電量和系統(tǒng)綜合效率，進(jìn)而降低度電成本的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的測(cè)量雙面光伏組件正面和背面的太陽(yáng)輻照度和輻照量的方法，需要按照實(shí)際的安裝傾角分別在組件正面和背面安裝太陽(yáng)輻照儀。但由于太陽(yáng)輻照儀的光譜響應(yīng)范圍與光伏組件存在差異，且平單軸、斜單軸等非固定式的安裝方式也會(huì)給太陽(yáng)輻照儀的安裝帶來(lái)困難，會(huì)給輻照度和輻照量的精確測(cè)量造成誤差，因此，有必要對(duì)雙面光伏組件正面和背面的太陽(yáng)輻照測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)。基于此，本文提出了一種新型的雙面光伏組件正面和背面太陽(yáng)輻照測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法[1-2]。

1 雙面光伏組件正面和背面太陽(yáng)輻照測(cè)試系統(tǒng)介紹

本雙面光伏組件正面和背面太陽(yáng)輻照測(cè)試系統(tǒng)包括雙面光伏組件測(cè)試裝置、電阻、電壓采集模塊、溫度采集模塊、數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊、遠(yuǎn)程查看幾部分[3-4]，如圖1所示。

圖1 雙面光伏組件正面和背面太陽(yáng)輻照測(cè)試系統(tǒng)示意圖

1.1 雙面光伏組件測(cè)試裝置

為了能夠完全模擬雙面光伏組件的封裝工藝與使用環(huán)境，本測(cè)試系統(tǒng)中的本雙面光伏組件測(cè)試裝置為特制，其與待測(cè)的雙面光伏組件采用相同的材料(雙面太陽(yáng)電池、鍍膜玻璃、封裝膠膜、焊帶、匯流帶、接線盒)進(jìn)行封裝，如圖2所示。

圖2 雙面光伏組件測(cè)試裝置實(shí)物圖

圖2中的雙面光伏組件測(cè)試裝置由2片相同的雙面太陽(yáng)電池制作而成，中間使用遮光材料，以保證每片太陽(yáng)電池僅單面受光。組件的正面為其中1片雙面太陽(yáng)電池的正面受光面，組件的背面為另1片雙面太陽(yáng)電池的背面受光面。組件正面和背面的電池均焊接焊帶、匯流帶，并使用接線盒分別將兩側(cè)電流引出，用于測(cè)試電池的電性能；同時(shí)，2片電池均放置T型熱電偶，用于測(cè)試電池的溫度。雙面光伏組件測(cè)試裝置的正面和側(cè)面示意圖如圖3所示。

圖3 雙面光伏組件測(cè)試裝置示意圖

該測(cè)試裝置在使用前，首先需要對(duì)雙面光伏組件的正面和背面分別進(jìn)行60 kWh/m2光衰測(cè)試，以保證電池的電性能穩(wěn)定；然后分別對(duì)正面和背面進(jìn)行光譜響應(yīng)標(biāo)定、短路電流標(biāo)定、電流溫度系數(shù)標(biāo)定。

1.2 電阻

使用低溫度系數(shù)、低阻值電阻，將電阻1和電阻2分別串聯(lián)在正面接線盒和背面接線盒的兩側(cè)。

1.3 電壓采集模塊

電壓采集模塊用于采集電阻1和電阻2兩端的電壓值，并將電壓值傳輸至數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊。

1.4 溫度采集模塊

溫度采集模塊用于采集正面熱電偶和背面熱電偶的溫度，并將溫度值傳輸至數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊。

1.5 數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊

數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。根據(jù)電阻和采集的電壓數(shù)值，可得到雙面光伏組件測(cè)試裝置的正面短路電流或背面短路電流，公式[5]為：

式中，Isc為雙面光伏組件測(cè)試裝置正面或背面的短路電流，A；V為電壓，V；R為電阻，Ω。

根據(jù)標(biāo)定的電流溫度系數(shù)，使用采集的雙面光伏組件測(cè)試裝置正面或背面的溫度和由式(1)得到的短路電流，將短路電流修正至25 ℃，即：

再將修正后的短路電流與標(biāo)定的短路電流進(jìn)行對(duì)比，即可得到雙面光伏組件測(cè)試裝置正面或背面的輻照度，公式為：

式中，G為輻照度，W/m2；G0為標(biāo)準(zhǔn)輻照度，為1000 W/m2；為標(biāo)定短路電流，A。

將輻照度對(duì)時(shí)間做積分，可得到輻照量，即：

式中，H為輻照量，W/(m2·h)；t為時(shí)間，h。

數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊的界面如圖4所示。圖中，CH1為雙面光伏組件測(cè)試裝置的正面，CH2為其背面。通過(guò)短路電流值和溫度值，可得到正面和背面的輻照度，進(jìn)一步可得到正面和背面的輻照量。

圖4 數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊的界面

1.6 遠(yuǎn)程查看

在數(shù)據(jù)采集與軟件處理模塊配置GPRS通信模組，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)果的遠(yuǎn)程查看功能。

1.7 設(shè)備精度

在本雙面光伏組件正面和背面太陽(yáng)輻照測(cè)試系統(tǒng)中，電阻溫度系數(shù)要求±20 ppm/℃，電阻阻值要求≤2 mΩ。

2 與現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)的比較

本雙面光伏組件正面和背面太陽(yáng)輻照測(cè)試系統(tǒng)與現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

1)本測(cè)試系統(tǒng)中的雙面光伏組件測(cè)試裝置采用了與待測(cè)的雙面光伏組件完全相同的雙面太陽(yáng)電池、組裝工藝、安裝條件及使用條件，從而使測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的輻照量能精確地反映出待測(cè)的雙面光伏組件的輻照量。

2)本測(cè)試系統(tǒng)利用2片相同的雙面太陽(yáng)電池封裝成雙面光伏組件測(cè)試裝置，且僅使用其中1片電池的正面和另1片電池的背面，2片電池中間利用黑色遮光材料層進(jìn)行遮光，使得1片電池僅正面工作，另1片電池僅背面工作，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙面光伏組件測(cè)試裝置正面和背面電壓及溫度的分別采集。

而在現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)中，由于雙面光伏組件中的雙面太陽(yáng)電池的正面和背面是同時(shí)接收光照進(jìn)行工作的，因此無(wú)法將其正面和背面的電壓及溫度區(qū)分開(kāi)，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)利用測(cè)試電壓和溫度對(duì)正面和背面輻照量進(jìn)行分別計(jì)算。

3)本測(cè)試系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送于一體，可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)雙面光伏組件正面和背面太陽(yáng)輻照的測(cè)試，且整個(gè)測(cè)試過(guò)程為自動(dòng)化處理。

3 本測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用舉例

3.1 計(jì)算電站的綜合效率

《并網(wǎng)光伏電站性能監(jiān)測(cè)與質(zhì)量評(píng)估技術(shù)規(guī)范》中指出：光伏電站綜合效率(PR)

式中，E為評(píng)估周期內(nèi)光伏電站并網(wǎng)計(jì)量點(diǎn)的交流發(fā)電量；P0為光伏方陣額定功率；Hi為評(píng)估周期內(nèi)輻照度對(duì)時(shí)間的積分；G0為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件輻照度，為1000 W/m2。

由式(5)可以看出，Hi的準(zhǔn)確測(cè)量是計(jì)算光伏電站PR的重要因素，尤其是對(duì)于非固定式的平單軸、斜單軸等安裝方式來(lái)說(shuō)，使用傳統(tǒng)的太陽(yáng)輻照儀難以準(zhǔn)確測(cè)量總輻照度，但利用本測(cè)試系統(tǒng)可對(duì)總輻照度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

3.2 發(fā)電量預(yù)測(cè)

光伏電站在進(jìn)行前期可行性研究時(shí)，需要對(duì)擬建光伏電站的發(fā)電量進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，以此來(lái)計(jì)算項(xiàng)目的投資收益率，進(jìn)而決定項(xiàng)目是否值得建設(shè)。根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.6條，電站發(fā)電量的計(jì)算式可表示為：

式中，Ep為上網(wǎng)發(fā)電量，kWh；HA為當(dāng)?shù)靥?yáng)能年總輻照量，kWh/m2；PAZ為系統(tǒng)安裝容量，kW；K為綜合效率系數(shù)。

由式(6)可以看出，HA的準(zhǔn)確測(cè)量是發(fā)電量預(yù)測(cè)的重要因素。因此，針對(duì)所采用光伏組件的輻照量的測(cè)量越準(zhǔn)確越好。

4 總結(jié)

本文提出了一種新型的雙面光伏組件正面和背面太陽(yáng)輻照測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法，該測(cè)試系統(tǒng)的光譜響應(yīng)范圍可保證與待測(cè)光伏組件的光譜響應(yīng)范圍完全相同，且便于在非固定式安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成誤差，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙面光伏組件正面和背面太陽(yáng)輻照度及輻照量的準(zhǔn)確測(cè)量。