劉立勇，郭鐘亮，朱青云，韓宏偉，姜志成，胡旭東

(1.青海省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所， 青海 西寧 810001； 2.樂利士實業(yè)股份有限公司，中國 臺灣;3.青海天創(chuàng)新能源科技有限公司， 青海 西寧 810003)

隨著光伏電站的大規(guī)模建設(shè)，光伏電站發(fā)電主力核心設(shè)備——光伏組件的質(zhì)量越來越受重視。對光伏組件質(zhì)量和性能的檢測需要做到準(zhǔn)確、權(quán)威、快速、節(jié)約成本。檢測認(rèn)證機(jī)構(gòu)對于運行中的電池組件，由于實驗室檢測運距長、耗費時間長、花費的人力和財力較大，這種方式不經(jīng)濟(jì)，也不現(xiàn)實；采用便攜的野外功率測試儀時，由于測試條件的影響和設(shè)備本身精度等問題，無法得到令人信服的準(zhǔn)確、權(quán)威的檢測結(jié)果。因此，目前電站建設(shè)單位對已建好的電站中的組件基本不檢測，最多也只能進(jìn)行抽測，無法現(xiàn)場快速和全面地檢測。

為了在電站現(xiàn)場能快速地對電池組件進(jìn)行準(zhǔn)確、權(quán)威的檢測，本文研究了一種光伏組件標(biāo)態(tài)3A級IV移動檢測平臺。該平臺相當(dāng)于一個可移動的光伏組件標(biāo)態(tài)檢測實驗室，能在現(xiàn)場實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的太陽能電池組件的IV性能檢測，直接快速出具第三方權(quán)威檢測報告。

1 標(biāo)準(zhǔn)測試條件

光伏組件的標(biāo)準(zhǔn)測試條件STC(standard test condition)是指輻照度為1 000 W/m2，太陽能電池溫度為25 ℃，大氣質(zhì)量光譜輻照度分布AM為1.5。通過以下方法分步實現(xiàn)這3個條件。

1.1 輻照度

采用臺灣樂利士公司的瞬態(tài)太陽光太陽能模擬器FSS-120可以將輻照強(qiáng)度控制在1 000 W/m2。利用中國計量院標(biāo)定過的參考電池片監(jiān)測輻照強(qiáng)度，參考電池片的輻照強(qiáng)度信號輸出作為閃光燈電源功率輸出的參考反饋信號，反饋目標(biāo)值是使閃光強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定值1 000 W/m2。另外，在功率輸出的過程中，由于電容儲存的能量不斷釋放，造成電源輸入電壓的急速降低，影響光照強(qiáng)度的輸出穩(wěn)定性，因此必須以PID控制來實現(xiàn)光功率穩(wěn)定輸出。經(jīng)過PID控制后，在120 ms的閃光時間內(nèi)，輻照度都能控制在(1 000±10) W/m2的范圍內(nèi)。

1.2 光譜輻照度分布

氙燈的光譜雖然接近自然太陽光，但相較于地面自然太陽光，氙燈的光譜在波長800～1 000 nm的能量較自然太陽光強(qiáng)，因此必須將此波段的光譜能量衰減以接近自然太陽光[1]。FSS-120根據(jù)氙燈的光譜特征、電磁學(xué)的波導(dǎo)理論和IEC標(biāo)準(zhǔn)，采用真空物理多層鍍膜技術(shù)，使得修正后輻照面上光譜能量分布達(dá)到AM1.5A級光譜。

1.3 溫度環(huán)境

IEC測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定太陽能組件標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫度為(25±2)℃。溫度每變化1 ℃，可能對組件功率的測試產(chǎn)生0.15%偏差，因此將溫度與25 ℃差距控制得越小越好。

溫控系統(tǒng)通過對移動車廂內(nèi)空氣進(jìn)行加熱、制冷及車廂隔熱來實現(xiàn)。移動平臺測試環(huán)境尺寸為：車廂長度為6.5 m，車廂寬度及高度均為2 m，箱體的體積為26.3 m3。以青海地區(qū)為例，由于青海地區(qū)長年干爽，以干燥空氣來近似，干空氣密度為1.2 kg/m3，空氣比熱為1 006 J/(kg·K)，箱內(nèi)空氣質(zhì)量為31.2 kg，箱內(nèi)鐵質(zhì)器件質(zhì)量估計500 kg，鐵比熱472 J/(kg·K)，室外-20～40 ℃，考慮2種狀態(tài)：

1) 箱內(nèi)溫度由-20 ℃加熱至25 ℃時，加熱空氣能量至少為

31.2×(25+20)×1 006=1 412 kJ

(1)

加熱腔內(nèi)其他設(shè)備能量為

500×(25+20)×472=10 620 kJ

(2)

若需要在30 min內(nèi)達(dá)成，則至少需要的加熱功率為

(1 412+10 620)kJ/(30×60 s)=6.68 kW

(3)

2) 箱內(nèi)空氣由40 ℃制冷至25 ℃時,冷卻空氣能量至少為

31.2×(40-25)×1 006=470 kJ

(4)

加熱腔內(nèi)其他設(shè)備能量為

500×(40-25)×472=3 540 kJ

(5)

若需要在30 min內(nèi)達(dá)成，則至少需要的制冷功率為

(470+3 540)kJ/(30×60 s)=2.22 kW

(6)

通過以上計算，平臺選擇了制熱量為7 000 W的加熱器，以及制冷量為3 000 W的制冷機(jī)，車廂內(nèi)加裝厚度為40 mm的低密度發(fā)泡隔熱層，加熱器及制冷機(jī)利用風(fēng)扇使車廂內(nèi)部的空氣達(dá)到每分鐘2次的循環(huán)量，避免車廂內(nèi)空氣循環(huán)死角，以提升車廂內(nèi)部溫度均勻性。結(jié)合先進(jìn)的恒溫系統(tǒng)，環(huán)境溫差可達(dá)到(25±2)℃。

為滿足在野外加熱及制冷電力需求、閃光太陽能模擬器的用電需求，本平臺搭載了1部10 kW的柴油發(fā)電機(jī)提供電力，并改造為適應(yīng)高原低溫低氧狀態(tài)，使平臺在即使沒有市電的情況下也能在野地實現(xiàn)標(biāo)態(tài)狀態(tài)，具備實用性及便捷性。

2 車載3A級太陽能模擬器研究

太陽光太陽能模擬器性能用以下3個參數(shù)來衡量：光譜匹配度(spectral match)、輻照度不均勻度(non-uniformity)、輻照度不穩(wěn)定度(temporal instability)[2]。本平臺基于FSS-120，使車載太陽能模擬器達(dá)到3A級標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 光譜匹配度

本平臺利用瞬態(tài)太陽能模擬器FSS-120實現(xiàn)光譜匹配度。

1) 首先以30 kV的高電壓將燈管內(nèi)部的氙氣擊穿并形成微電流，然后通過電源控制瞬間將高電流注入氙氣燈管，電源以0.1 ms速度的PID(proportion integral differential coefficient )反饋控制[3]，確保氙氣燈管的功率在閃光周期內(nèi)都保持一致。將閃光燈管內(nèi)部的氙氣等離子電弧保持在溫度6 500 K，因此所發(fā)出的光譜基本上與自然太陽光6 500 K一致。

2) 在整個閃光過程中，由于電弧中心溫度幾乎固定，不會發(fā)生紅移或藍(lán)移，使得光譜容易透過濾光片進(jìn)行修正。

3) FSS-120發(fā)出的光多數(shù)被場鏡(Filed lens)及蒼蠅眼透鏡(Fly-eye lens)限制在中間處，使得照射到腔壁上的光較少，因此空腔壁面所反射的光也較少。由于受到空腔體內(nèi)材質(zhì)的干擾較少，也有助于光譜達(dá)到A級水平。

光源光譜匹配度(spectral match)優(yōu)于A級，符合IEC60904-9中AM1.5G光譜匹配度“Spectral Match”A級的定義。光譜實測數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 光譜實測數(shù)據(jù)

2.2 輻照度不均勻度

太陽能模擬光源若采用多燈陣列方式實現(xiàn)大面積和高均勻度太陽能模擬光源，由于燈的數(shù)量多，大面積太陽能模擬光輻照度不均勻度很難控制[4]，即使調(diào)整好后，由于每個燈的衰減變化不一，使用一段時間后，也會出現(xiàn)均勻度不一致的問題[5]。

單燈光源作為太陽能模擬光源，要利用長投射距離來實現(xiàn)。若在照射面積2 m×2 m范圍內(nèi)實現(xiàn)優(yōu)于2%的輻照不均勻性，利用幾何關(guān)系可以計算出投射距離。將燈源以點光源近似模擬，考慮到光能量隨距離平方成反比，可以簡單地計算出投射距離至少須為7 m，才能在2 m×2 m的面積上達(dá)到A級的輻照不均勻性。計算說明如下：

實際上，該長投射距離的光學(xué)配置往往需要8 m以上的投射距離，部分廠家利用暗室壁面反射少量的光線將投射距離縮短至6 m，但此種方式會因暗室內(nèi)壁面積灰塵影響輻照不均勻度以及光譜。

為了更大幅度地縮短投射距離，必須使用光學(xué)透鏡進(jìn)行設(shè)計。瞬態(tài)太陽能模擬器FSS-120使用了場鏡及蒼蠅眼透鏡技術(shù)，其作用是：① 提高邊緣光束入射到有效測試面的比例；② 增加入射光通量；③ 縮短投射距離；④使非均勻光照得以均勻化。

圖2 燈源投身距離示意圖

在實現(xiàn)過程中，還須克服透鏡加工工藝，使透鏡曲面上各點加工的精度與理想設(shè)計值相差5 μm以內(nèi)，穿透率高于93%。利用多燈陣列，加蒼蠅眼技術(shù)，投射距離縮短至3.8 m。與單燈光源7 m投射距離相比，光的有效利用率達(dá)到3倍，而暗室壁面的反射光不容易影響測試面的不均勻性及光譜。

光學(xué)設(shè)計中采用每燈高達(dá)100組蒼蠅眼透鏡來實現(xiàn)小光發(fā)散角及2%以內(nèi)的不均勻性。小的光發(fā)散角代表光的能量大部分都投在測試面上，而不是往四周發(fā)散，有效提高了光的利用率；而當(dāng)多個燈的投射面重迭時，不均勻性只會更優(yōu)化。

使用本平臺的技術(shù)時，面積越大，燈的數(shù)量增加，重疊面疊加越多，不均勻性越好，不均勻性可以優(yōu)于1%。另外平臺選用的每個單燈都達(dá)到A級，且每個燈都完整地覆蓋整個測試面，因此個別燈隨時間衰減的差異不影響整體的不均勻性。

有效照射面積內(nèi)輻照度不穩(wěn)定度(Non-Uniformity)優(yōu)于A級，符合IEC 60904-9“Non-Uniformity of Irradiance”A級的定義。

2.3 輻照度不穩(wěn)定度

此參數(shù)指的是輻照強(qiáng)度隨時間的變動率，主要的技術(shù)突破點在電源的供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計，以及反饋控制技術(shù)。電源本身具備電容方陣，可以積蓄大量的能量，并在10～120 ms內(nèi)將電能釋放出來。釋放的過程中必須控制功率，使氙氣燈燈管的光輸出功率保持一致[6]。由于電流高達(dá)1 000 A，電壓高達(dá)上百伏，因此必須使用耐高壓及高速反應(yīng)的晶閘管，并通過PID反饋控制技術(shù)，將最終的輻照強(qiáng)度變化控制在2%以內(nèi)[7]。

由于晶閘管必須在短時間釋放及控制巨大的電能，控制過程中所壓抑下的能量將以熱的形式加熱晶閘管本身，因此必須使用多個晶閘管分散熱能，避免晶閘管過熱燒毀。保護(hù)電路必須抵擋電流開啟及關(guān)閉瞬間的涌浪脈沖，將涌浪脈沖以快速傅立葉變換(fast fourier transform，F(xiàn)FT)轉(zhuǎn)換為不同頻率的能量。針對電流開啟和關(guān)閉的涌浪頻率設(shè)計吸收式或反射式消波器，以保護(hù)晶閘管不受沖擊[8-9]。

輻照度不穩(wěn)定度(temporal instability)優(yōu)于A級，符合IEC60904-9中“Temporal Instability”A級的定義:STI≦0.5%,LTI≦2%。

3 車載設(shè)備布局研究

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

光伏組件移動檢測平臺配置優(yōu)異的3A長脈沖太陽能模擬器，脈沖時間為10～120 ms可調(diào)，能精確測量一般常規(guī)光伏組件及高效光伏組件發(fā)電功率。全系統(tǒng)配置在8 t或10 t的箱車內(nèi)，太陽能模擬器電源內(nèi)部零件配置于42個減震器上，光學(xué)燈箱配置3個高度可調(diào)節(jié)減震器，確保車輛行進(jìn)過程產(chǎn)生的震動不破壞電源及光源結(jié)構(gòu)，不影響太陽能模擬器的性能。車箱內(nèi)設(shè)有恒溫空調(diào)機(jī)，可執(zhí)行光伏組件標(biāo)準(zhǔn)條件下(STC)的功率測試；由于使用光學(xué)透鏡設(shè)計，在2 m×1.5 m的照射面積時，光學(xué)投射距離為3.8 m，節(jié)省的空間可同時容納2人于車箱內(nèi)操作，并于車箱內(nèi)置放15片以上光伏組件，縮短光伏組件執(zhí)行STC測試時所需溫度平衡的時間。圖3為總體效果。

3.2 空間布局設(shè)計

在移動式光伏組件功率檢測車上，光學(xué)路徑下傾角為11°，投射距離為3.8 m，光伏組件以與水平面夾角79°的安裝角度置于測試架上的光學(xué)路徑布局。太陽能模擬器與光伏組件及支架的放置示意圖見圖4。

圖3 總體效果

圖4 太陽能模擬器與光伏組件及支架的放置示意圖

采用該種“空間布局設(shè)計”的優(yōu)點包括：

1) 一般箱式貨車的箱體內(nèi)高在1.9～2.2 m，寬度約2 m，為使箱內(nèi)走道順暢，必須將2 m×1 m的光伏組件直立測試；然而若是按照實驗室太陽能模擬器的水平側(cè)打光光學(xué)路徑配置，模塊必須垂直擺放，如此模塊的上部及下部將會頂?shù)杰噹?，或是距離車廂過近，影響太陽能模擬器的光不均勻性。本布局的光學(xué)路徑下傾角為11°，因此相對的光伏組件的擺放與水平夾角為79°，將光伏組件的垂直高度減少為2 m×sin79°=1.96 m，多出0.04 m的空間，有利于光伏組件的搬運以及內(nèi)部空間設(shè)計使用。

2) 光伏組件以與水平面夾角79°的擺放方式，依靠光伏組件的自身質(zhì)量穩(wěn)固地靠在測試架上，可節(jié)省下鎖定光伏組件的機(jī)構(gòu)以及測試時的光伏組件固定操作時間。

4 檢測平臺驗證測試

4.1 檢測平臺測試組件一致性對比驗證

組件1、2、3、4號在檢測平臺的IV檢測系統(tǒng)上測試3次的結(jié)果見表1，每塊組件測試的值完全一致，說明檢測平臺測試組件重復(fù)性好。

4.2 檢測平臺與實驗室測試組件對比驗證

如表1、2顯示，抽樣4塊組件1、2、3、4號，分別在檢測平臺的IV檢測系統(tǒng)和實驗室內(nèi)的IV檢測系統(tǒng)進(jìn)行3次測試，平均值比較最大誤差為2.4 W，如表3所示。

表1 組件1、2、3、4號在檢測平臺上測試3次的報告結(jié)果

表2 組件1、2、3、4號在實驗室內(nèi)測試3次的報告結(jié)果

表3 同一組件在檢測平臺和實驗室對比驗證

5 結(jié)束語

本文介紹的光伏組件標(biāo)態(tài)3A級IV移動檢測平臺能在電站現(xiàn)場實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、高精度的太陽能實驗室權(quán)威檢測，進(jìn)行各種類型光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的性能測試。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究推廣，能進(jìn)行光伏組件質(zhì)量判定、功率衰減判定等，提高光伏電站發(fā)電量，延長光伏電站生命周期，預(yù)測光伏電站未來的發(fā)電能力，對新建電站質(zhì)量控制提供借鑒和指導(dǎo)。