太阳能光伏发电性能影响因素的研究

（ 类 别 : 全 日 制 硕 士 研 究 生 题 目：太阳能光伏发电性能影响因素的 研究 英文题目： St u d y o n t h e I n f l u e n c e F a c t o r s of P h o t o v o l t a i c P e r f o r m a n c e 研究 生：冯志 诚 学 科 名 称 ： 热 能 工 程 指 导 教 师 ： 田 瑞 教授 二 ○ 一 三 年 四 月 硕士学位论文 分类号 : 学校代码 : 10128 UDC: 学 号 : 20101176 内蒙古工业大学硕士学位论文 摘 要 化石能源的大量应用是人类物质文明飞速发展的基础，而化石能源的有限储量和 日益枯竭的趋势，以及随之而来日益加剧的环境污染，使得新型替代能源及清洁能源 的开发与大规模应用已经迫在眉睫。太阳能凭借分布广泛、储量巨大、无需运输等优 点成为新能源的重要部分，太阳能光伏发电的能量转化过程更为简便，直接将太阳辐 射能转化为电能，因而在近些年得以迅速发展。 本文的具体工作在内蒙古工业大学风能太阳能省部共建重点实验室开展， 主要针 对影响太阳能光伏发电的因素进行相应的理论、实验研究，及模拟计算。 本文研究了局部阴影对光伏组件性能的影响。 占 组件 面积 10%的阴影遮挡可以导 致 80%甚至更高的功率损失，遮挡面积达到 20%及以上时，组件的输出功率几乎为 零。 相同面积的阴影遮挡时，集中遮挡造成的组件输出特性衰减远大于分散遮挡，而 且遮挡越分散造成组件输出特性的衰减越小； 阴影在不同的电池子串组上分布均匀 时 ，特性曲线趋势正常， 分布不均匀时 ， 子串组间电流不均衡，使得组件 I-V 曲线呈 阶梯状， P-V 曲线出现多峰 ； 在被遮挡的单体电池上，阴影所占的面积比例越 大，组 件的功率损失越大。 本文研究了表面积灰对光伏组件性能的影响。测试积灰对玻璃样片透光率的影 响，积累灰尘的时间越长造成的透光率衰减越大，在 350～ 2750nm 光谱范围上衰减 明显，水平面上积累 30 天灰尘时玻璃的透光率平均衰减 21.8%， 40 天时平均衰减 45.5%。光伏组件盖板表面积累的灰尘越多，组件的功率损失越大，积灰量为 5.65g/m2 时，功率损失达到 15.2%。 本文研究了安装角度及调节方式对光伏组件采光效率的影响。由实验得出呼和浩 特地区光伏阵列七、八、九月份最佳安装倾角分别为 4°、 18°、 36°，与 RETScreen 模拟出的相应倾角几乎完全吻合。由 RETScreen 模拟分析，安装在呼和浩特地区的光 伏阵列应当半年调节一次倾角，四月至九月阵列倾角为 16°，十月至次年三月阵列倾 角调节为 59°，这样既可以提高采光效率，又不会大幅增加安装维护成本和运行工作 量。 关键词： 光伏发电，光伏组件， I-V 特性， P-V 特性 内蒙古工业大学硕士学位论文 Abstract Application of fossil energy is the basis of the rapid development of human material civilization. The limited reserves of fossil fuels increasingly dried up, and the resulting growing environmental pollution, have made people pay more attention to the present situation and the development of the energy. The new alternative energy and clean energy development and large-scale application is imminent. Solar energy with wide distribution, huge reserves, without transport advantages to become an important part of new energy. Photovoltaic(PV) energy conversion process simpler, will the sun radiant energy into electrical energy directly, and developed rapidly in recent years. In this paper, the specific work in Inner Mongolia industrial university key laboratory for wind and solar energy province department of project, and is aimed at influencing factors of solar photovoltaic power generation the corresponding theory and experimental study, and simulation calculation. This paper studies the performance of the PV modules under the partially shaded conditions. 10% shading of the PV module can result in 80% or even higher power losses, 20% or more shading, the output power of the PV module is almost zero. Shaded by the same area of the shadow, the characteristics of the PV modules under centralized shading is much worse than scattered shading, and the more dispersed the less attenuation. The characteristics curves trend is normal under uniform shading on substring groups, the current imbalance between substring groups under non-uniform shading, and the modules appear staircase I-V curves and multi-peak P-V curves. The shading ratio on the shaded cells is the greater the Pm of the module is smaller, the greater power loss. This paper studies the performance of the PV modules with dust deposition on the surface. Test the light transmittance of the glass sample which is dust accumulated, the longer dust accumulation, the more attenuation of the light transmittance. The obvious attenuation spectrum is the range of 350~2750nm, 30 days’ dust accumulation on the surface of the glass caused transmittance attenuation by 21.8% averagely, and 40 days attenuation by 45.5% averagely. The more dust accumulated on the surface of the PV modules, the more the power loss, the amount of dust is 5.65 g/m2, the power loss up to 15.2%. 内蒙古工业大学硕士学位论文 This paper studies the impact on the efficiency of the PV modules with different installation angles and the adjustment ways. Experiments shows that the PV arrays should be installed by 4°,18°,36°as the best angle in July、 August and September, in Hohhot region. The RETScreen almost perfectly match the corresponding angles. By the RETScreen analysis simulation, the installation angle of PV arrays should be adjusted half a year in Hohhot region. It’s 16° from April to September, and 59° from October to March the following year. The way improves the efficiency of lighting, and doesn t increase much cost of installation and maintenance and operation. Key words： Photovoltaic， PV module， I-V characteristics； P-V characteristics 内蒙古工业大学硕士学位论文 目 录 第一章 绪论 1 1.1 能源现状 1 1.1.1 世界能源发展与现状 1 1.1.2 中国能源现状 2 1.1.3 太阳能资源分布 3 1.2 太阳能光伏发电的应用及研究现状 5 1.2.1 国内外应用现状 5 1.2.2 国内外研究现状 6 1.3 课题主要工作内容 7 第二章 光伏组件的输出特性 8 2.1 光伏组件的负载特性 8 2.1.1 光伏电池等效电路 8 2.1.2 光伏组件负载特性 9 2.1.3 光伏组件特性曲线及参数 9 2.2 组件特性曲线测试 . 10 2.2.1 测试原理 . 10 2.2.2 测试设备及系统 . 12 2.2.3 测试方法 . 13 2.2.4 测试结果 . 14 第三章 局部阴影遮挡对光伏组件性能的影响 . 16 3.1 大比例遮挡对组件特性的影响 . 16 3.2 特定比例遮挡对组件特性的影响 . 18 3.2.1 对比集中遮挡与分散遮挡 . 20 3.2.2 两组特性曲线对比 . 20 3.2.3 单体电池遮挡比例的影响 . 21 3.310%遮挡对组件发电量的影响 22 3.3.1 测试设备及系统 . 22 3.3.2 实验及结果分析 . 22 内蒙古工业大学硕士学位论文 3.4MPPT 策略讨论 23 3.5 实验结论 24 第四章 表面积灰对光伏组件性能的影响 . 25 4.1 表面积灰 对透光率的影响 25 4.1.1 实验设备 25 4.1.2 实验及结果分析 26 4.2 表面积灰对组件特性的影响 27 4.2.1 积灰粒度分析 27 4.2.2 积灰量影响对比 29 4.2.3 积灰状态影响对比 30 4.3 表面积灰对组件发电量的影响 31 4.3.1 实验设备及系统 31 4.3.2 实验及结果分析 33 4.4 实验结论 34 第五章 安装倾角影响 . 35 5.1 光伏阵列安装方式 35 5.2 RETScreen 模拟 36 5.2.1RETScreen 36 5.2.2 光伏组件安装倾角模拟 37 5.3 倾角调整实验 39 5.3.1 测试设备及系统 39 5.3.2 实验及结果分析 40 5.4 倾角可调的安装方案 41 第六章 总结及展望 . 44 5.1 总结 44 5.2 本文工作的创新点 45 5.3 今后工作的改进和展望 46 参 考 文 献 47 致 谢 49 在读期间发表的论文 50 第一章 绪论 1 第 一 章 绪论 1.1 能源现状 1.1.1 世界能源 发展与 现状 能源是人类赖以生存的基础，对能源孜孜不断地探索 、 开发与利用则是人类文明 从荒野中崛起并延续至今 唯一奥秘。 古人类 的能源意识完全出于本能，古人类在山的 南坡开凿洞穴，借助洞口的阳光 为洞穴采光采暖。作为人类历史与文明的转折，人类 不经意间认识并掌握了火的使用，就此也改变了世界能源发展的面貌，火可以替代太 阳在漆黑的夜里带来光明与温暖，驱走 寒冷和野兽，以及对黑暗的恐惧，而且火还可 以用于烧烤、烹煮食物，这大大地拓展了人类的活动范围， 改善了人类的饮食条件， 也加快了不同地域与部族的交流与融合 ，这一时期在生命进化的火堆中燃烧的是随处 可见的枯树干柴 ，钻木取火更成为了古人类能源利用的智慧结晶，这一个以柴草为原 料的能源利用时代 称为 “薪柴时代 ”，占据了能源利用的大半历史。 直到 18 世纪，瓦 特改进了蒸汽机，是蒸汽机的工作跟稳定、效率更高，从而得到大规模的推广，并以 蒸汽机为主要动力引领了西方产业革命，作为蒸汽机燃料的煤炭取代了薪柴称为能源 焦点，能源利用进入 “煤炭时 代 ”，劳动生产力极大增长， 19 世纪后期，随着发电机 和电动机的问世，煤炭工业与电力行业的发展紧密的联系在了一起，各类电器的发明 应用，电力需求迅速增加，煤炭的大规模开发利用持续至今。 20 世纪中后期，随着 石油的勘探应用，及汽车工业、航空工业的爆发式发展，使得石油的能源价值日益突 出， 石油逐渐取代了煤炭成为第一大能源，能源历史进入 “石油时代 ”。 当今世界人类利用能源创造了空前的物质文明， 伴随人口的增长，人类工作生活 的电力需求、交通工具的巨大能耗 是前所未有的 ， 同时产生的环境压力也是前所未有 的。 2011 年世界人口接近 70 亿 ，全球一次能源消费量 122.7 亿吨油当量 ，较 2010 年 增长了 2.5%，化石燃料 在能源消费量中 所占份额高达 87%，其中石油仍是全球主导 性燃料，占全球能源消费的 33.1%，煤炭占 30.3%，天然气占 23.7%，而可再生能源 的份额继续有所提高，但目前仅占全球能源消费的 2%， 由此产生的二氧化碳排放量 再创新高，达到 340.3 亿吨 。 2011 年全球石油探明储量 2343 亿吨，全球产量 40 亿 ，全球消费量 40.6 亿吨 ， 内蒙古工业大学硕士学位论文 2 储产比为 58.6； 2011 年全球天然气探明储量 208.4 万亿立方米， 全球产量 3.3 万 亿 立方米，全球消费量 3.2 亿立方米 ，储产比 65.1； 2011 年全球煤炭探明储量 8609 亿 吨，全球产量 77 亿吨 ，储产比为 111.8。即为满足能源消费需求，当前的全球化石能 源储量，按照当前的产量生产，石油仅够 开采 58 年，天然气仅够 65 年，煤炭可以 开 采 112 年 [1]。 随着人口增长，及经济社会和工业生产的快速发展，能源需求 不断增长，使得当 前倚重的化石能源本身趋于枯竭，而且化石能源的储量地域限制明显 ，各国 对能源安 全的 意识 也在逐渐提高 ，同时化石燃料燃烧后放出的废气造成巨大的的环境污染， 因 而 纷纷对 清洁能源的开发加大力度，尤其是分布广泛、没 有地域限制、应用简便的太 阳能。 1.1.2 中国能源现状 中国是人口 第一 大国， 2011 年中国 （不包括港澳台） 人口 13.47 亿 ， 占世界人口 的 19%左右， 也是能源消费第一大国， 2011 年 一次能源消费量 26.1 亿吨当量油， 占 全球一次能源消费量的 21.3%，而我国的能源结构中 煤炭占 68.4%，石油占 18.6%， 天然气占 5%，核电、水电、风电、太阳能及其他可再生能源占 8%。 2011 年中国石 油探明储量 20 亿吨，产量 2 亿吨，消费量 4.6 亿吨，储产比为 10；天然气探明储量 3.1 万亿立方米，产量 1025 亿立方米，消费量 1307 亿立方米，储产比为 30.2；煤炭 探明储量 1145 亿吨，产量 35.2 亿吨，储产比为 32.5。即中国当前的化石能源储量， 石油可供开采 10 年，天然气可供开采 30 年，天然气可供开采 32.5 年 [1～ 2]。 0 20 40 60 80 100 120 石油 天然气 煤炭 化石能源储产比 全球 中国 图 1-1 化石能源储产比 Fig.1-1 Fossil energy reserve production ratio 第一章 绪论 3 同时， 由于我国煤炭储量大，石油、天然气储量较少的矿产资源特点，多年来中 国的能源生产和消费总量中煤炭占到 70%以上，这使得我国面临更大的二氧化碳排放 压力， 2011 年中国二氧化碳排放量 89.8 亿吨，占全球二氧化碳排放量的 26.4%，这 一百分比高于我国能源消费量占全球能源消费量的百分比 [1]。 改革开放后我国经济高速发展，能源生产及消费量持续上升，由 图 1-2 可知，自 上世纪 90 年代初开始，国内能源消费总量高于能源生产总量，每年要进口大量化石 燃料， 2011 年存在约 3 亿吨标准煤的能源供应缺口，既要尽快提高能源产出维持经 济高速发展下的能源需求，又要承担环境保护的巨大压力，太阳能光伏发电正得到更 多的重视和发展机遇。 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 （万吨 标 准 煤） 年份 生产总 量 消费总 量 图 1-2 中国能源生产量与消费量 Fig.1-2 China s energy production and consumption 1.1.3 太阳能资源分布 如图 1-3 所示 ， 全世界太阳能辐射强度和日照时间最佳的区域包括北非、中东地 区、美国西南部和墨西哥、南欧、澳大利亚、南非、南美洲东、西海岸和中国西部地 区等。 内蒙古工业大学硕士学位论文 4 图 1-3 世界太阳能资源分布 Fig.1-3 The world solar energy resources distribution 图 1-4 中国太 阳能资源分布 Fig.1-4 China s solar energy resources distribution 如图 1-4 所示 ， 根据中国气象局太阳能风能资源中心自 1978 年到 2007 年的太阳 能资源统计数据得到的太阳能分布状况，我 国太阳能资源的分布形势为西多东少，按 资源量可 划分为四个区域， 资源 丰富区包括甘肃、青海、西藏、宁夏，年 平均总辐射 第一章 绪论 5 量为 1800～ 2100KWh/m2； 资源 较丰富区 为 内蒙古、 新疆 、山西、陕西等，年 平均总 辐射量为 1500～ 1800KWh/m2； 东北地区及 沿海地区则是一般区，年 平均总辐射量为 1100～ 1500KWh/m2；不丰富区的 年平均总辐射量 为 1000 KWh/m2 以下 ，如重庆、贵 阳等。 1.2 太阳能光伏发电的 应用 及研究现状 1.2.1 国内外应用现状 太阳能光伏发电目前主要由三中应用形式，一是在开阔地域建设的大规模大规模 并网光伏电站，直接将太阳光转化为电能传输到电网；二是城市屋顶并网光伏系统， 这些系统的容量较小，产生的电能可以先满足户用，有多余电量可以输入电网，当光 伏系统发电量不足以支持户用需求是，由电网向户用系统供电；三是离网光伏系统， 应用非常广泛，可以为没有架设电网的海岛、偏远山村、游牧家庭供电，满足基本用 电需求，还可以为无人值守的 通讯基站 、航标灯、路灯、交通指挥信号灯等供电。 如 图 1-5，全球光伏发电装机容量持续增长， 2011 年达到 69.4GW，较 2010 年增 加 73.3%。如 图 1-6，中国太阳能光伏发电累计装机容量增长迅速， 2011 年中光伏发 电累计装机 3GW，较 2010 年增加 275%，占全球光伏发电累计装机总量的 4.3%[1]。 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 装机 容量 ( M W ) 年份 装机容量 图 1-5 全球光伏 发电累计 装机容量 Fig.1-5 Global PV capacity 内蒙古工业大学硕士学位论文 6 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 装机 容量 ( M W ) 年份 装机容量 图 1-6 中国光伏发电累计装机容量两 Fig.1-6 PV capacity of China 1.2.2 国内 外 研究现状 光伏组件发电性能的影响因素主要有：太阳辐射强度、组件温度、光伏组件的安 装、跟踪、调节方式、组件表面积灰、阴影遮挡、环境温度、风速风，以及组件之间 的串并联匹配损失等。 西班牙的 M.C.Alonso-Garcia 对光伏 组件 的匹配及阴影对发电效率的影响 开展了 实验研究，提出光伏 组件 匹配系数，得出光伏 组件 经过串并联 组成阵列 后的发电量比 单个组件发电量之和少 0.24%； 得出当光伏板被遮挡一半时，最理想的情况 下功率损 失 19%，当全部被遮挡时，功率可损失 79%[4]。希腊的 E.Skoplaki 和 A.G.Boudouvis 等人研究光伏 组件工作 温度对发电效率及发电量的影响，提出了光伏 组件 运行温度方 程式，以及包含光伏 组件 温度、环境温度、风速、太阳辐射量和 组件 安装参数的光伏 发电效率方程式 [5～ 6]。根据 Yellott 的研究，光伏 组件 优化倾角可以根据春秋两季进行 调整，夏季优化角为当地纬度减去 20°，冬季优化角为当地纬度加上 20° [7][27]。 中山大学陈维，沈辉对太阳能 光伏 组件设置多种倾角，包括面向正南 19°、 22°、 30°、 45°，研究倾角对 组件 性能的影响，经过一年的实验得出：在广州地区春季各种 倾角 光伏 组件 发电量差别不大 ； 而 夏季和冬季相差很大，夏季 7 月份水平组件 发电量 最 大 ，冬季 1 月份 45°倾角组件 发电量 最 大 ；全年以朝向正南 且与水平呈 22°倾角 时， 第一章 绪论 7 组件 发电量最大 [8]。 华北电力大学的张利，钟云等就阴影对光伏 组件 发电量的影响进 行实验研究， 研究 不同 阴影 条件 对 50Wp 多晶硅光伏 组件输出特性的影响 ，实验得出 ： 当光伏 组件 遮挡面积小于 1/2 时，输出还能维持正常水平，当阴影面积超过 1/2 后光 伏 组件 输出 受到 巨 大 影响，开路电压和短路电流都 降到 无遮挡时 的 3%，输出功率仅 为 无遮挡时的 0.09%[9][27]。 2006 年内蒙古工业大学常泽辉，田瑞 教授 利用对比实验法和最大功率法，对固 定光伏阵列的最佳倾角及光伏组件温度对输出功率的影响进行了实验研究，结果表 明，呼和浩特地区（北纬 40°附近） 5～ 8 月 份 ，恒定负载固定式光伏方阵的最佳倾角 为 47°。该角度放置时的输出功率与理论计算值的偏差不超过 1.5%。在相同的太阳辐 射量和环境温度条件下，板背装有自制紫铜管束换热器的单块太阳能电池组件的输出 功率相比未加装换热装置的单块太阳能电池组件实际输出功率提高近 15%[10～ 11]。 1.3 课题主要工作内容 本文就太阳能光伏发电在应用中会遇到的各种影响因素展开理论及实验研究，并 为呼和浩特地区的太阳能光伏发电的施工建设、运行维护提供理论支持，以减小或尽 量避免光伏组件及阵列表面的局部阴影遮挡、组件表面积灰、组件及阵列安装调节方 式等因素造成组件及阵列性能衰减，发电量下降的现象。 本文的大量实验在内蒙古工业大学风能太阳能省部共建教育部重点实验室开展， 应用了大量先进测试仪器，并对应用到的各类传感器、测试设备进行标定，总结出完 整的实验操作方法和步骤。本文的主要工作内容如下： （ 1） 总结光伏组件特性测试方法，组 建 测试系统并 测试光伏组件的特性曲线 ； （ 2）测试局部阴影对光伏组件性能的影响，包括大比例局部阴影遮挡下光伏组 件的特性测试实验、特定比例阴影遮挡下光伏组件特性测试及发电量测试实验； （ 3）测试表面积灰对透光率影响，在 60 天中，利用 UV3600 紫外可见近红外分 光光度计测试积累灰尘的样片，在 180～ 3300nm 光谱范围上的透光率； （ 4）测试表面积灰对光伏组件性能的影响，包括 积灰粒度分析测试、表面积灰 下 光伏组件特性 测试； （ 5）搭建 1KW 小型独立光伏系统 ，并测试表面积灰对该系统发电量的 影响； （ 6）测试 不同倾角的太阳辐射量， 并 利用 RETScreen 软件对呼和浩特地区光伏 阵列的安装倾角及倾角调节方式进行模拟 ，得出经济性较好的、采光效率高的安装调 节方式 。 内蒙古工业大学硕士学位论文 8 第 二 章 光伏组件的输出特性 2.1 光伏组件的负载特性 2.1.1 光伏电池等效电路 光伏电池的等效电路如 图 2-1，在稳定的光照下，光伏电池是一个能够稳定地产 生光生电流 Iph 的恒流源，并联两个处于正偏置的二极管，一个是理想二极管 D1，另 一个是非理想二极管 D2，以及并联电阻 Rsh，再经串联电阻 Rs，在外接负载两端形成 电压 V、电流 I 的稳定输出， ID1、 ID2、 Ish 分别为流经 D1、 D2、 Rsh 的电流 [12][13～ 15]。 I D1 I D2 I sh I I ph R sh R s D 2D 1 V 图 2-1 光伏电池等效电路 Fig.2-1 Equivalent circuit of photovoltaic cell 光伏电池的负载特性： 12p h D D shI I I I I    (2-1) 11 [ e x p 1 ]sDo q V R III kT（ ） (2-2) 22 [ e x p 1 ]sDo q V R III AkT（ ） (2-3) ssh sh V R II R (2-4) 其中， Io1——二极管 D1 饱和暗电流； Io2——二极管 D2 饱和暗电流； A——二极管 D2 的品质因子； q——电子电量； k——波尔兹曼 常数， 1.3806 10-23J/K； T——光伏 电池温度。 综合式 (2-1)～ (2-4)，光伏电池 的负载特性为： 12[ e x p 1 ] [ e x p 1 ]s s sp h o o shq V R I q V R I V R II I I Ik T A k T R       （ ） （ ） (2-5) 第二章 光伏组 件的输出特性 9 2.1.2 光伏 组件负载特性 多个光伏电池通过一定型式的串并联构成光伏组件，为避免组件受到局部遮挡时 发生热斑现象，为串联起来的一定数量的电池片并联一个旁路二极管，如 图 2-2。 图 2-2 有旁路二极管的 光伏组件 等效电路 Fig.2-2 Equivalent circuit of PV module with bypass diodes 由串联在 一串上的电池片构成的光伏组件，负载特性为： 12/ / /[ e x p 1 ] [ e x p 1 ]s s sp h o o shq V n R I q V n R I V n R II I I Ik T A k T R       （ ） （ ） (2-6) 其中， n 为串联的电池片数量。 2.1.3 光伏 组件特性 曲线 及 参数 太阳能 光伏组件特曲线是指组件的 伏安（ I-V） 特性曲线，能够地反映组件的发 电状态，因此是衡量光伏组件发电性能的重要指标。 图 2-3 光伏组件 I-V 特性曲线 Fig.2-3 I-V curve of the PV module 如图 2-3，由 I-V 特性曲线可以得到的特性参数有开路电压（ Voc），短路电流（ Isc）， 最大功率（ Pm），最大功率点电压（ Vm），最大功率点电流（ Im）。由此可以计算出填 充因子（ FF）和光电转换效率（  ）： 内蒙古工业大学硕士学位论文 10 FF = mm ocsc VIVI = m ocsc PVI (2-7)  = mm in VIPS 100% (2-8) 其中： Pin 是入射光的辐照度， S 是被测光伏组件的面积。 2.2 组件 特性曲线测试 在实际应用中，光伏组件的发电性能随着应用时间的增加而衰减，而且会受到应 用环境的影响而变化，光伏组件的 I-V 特性曲线是描述组件发电性能的重要指标，能 够直观地得到 Voc、 Isc、 Pm 等重要参数。因此通过测试光伏组件 I-V 特性，就可以掌 握组件的真实性能。 2.2.1 测试 原理 测量光伏组件的 I-V 特性，目前通用的方法是把组件放在稳定的 自然或模拟太阳 光下，并保持一定的温度，描绘出它们的电流 -电压（ I-V）特性曲线，同时测定入射 光辐照度。然后将测得的数据修正到标准测试条件 (STC)或其他所需的辐照度和温度 条件 [16]。 标准测试条件 （ STC—Standard Test Conditions） ： (1)辐照度 1000W/m2； (2)组件 温度 25°C ； (3)光谱辐照度分布 AM1.5， AM1.5 标准太阳光谱辐照度 定义为在与水平 面成 37°的倾斜面上辐照度为 1000W/m2，地面的反射率为 0.2，气象条件如下：大气 中水含量： 1.42cm， 大气中臭氧含量 ： 0.34cm， 浑浊度： 0.27（ 0.5μm 处） ， 标准太阳 光谱分布的数据表参见 GB/T6495.3-1996。 太阳电池 及光伏组件 的伏安特性应在标准条件下测试，如受客观条件所限，在 非标准条件下进行测试，则应把测试结果换算到标准测试条件下。当测试温度、辐 照度和标准测试条件不一致时，可用以下换算公式校正到标准测试条件：    12012 1)/( TTaIIIII MRSRsc  (2-9)      1201221212 TTTTKIIIRVV S   （ 2-10 式中： I1、 V1——待校正的特性曲线的座标点； I2、 V2——校正后的特性曲线的对应 座标点； Isc——所测试电池的短路电流 ； IMR——标准电池在实测条件下的短路电流 ； 第二章 光伏组 件的输出特性 11 T1——测试温度 ； T2——标准测试温度 ； RS——所测电池的内部串联电阻 ； K——曲 线校正因子，一致可取 K=1.2510-3/C； 0——所测电池在标准辐照度下，以及在 所需的温度范围内的短路电流温度系数 ； 0——和上述短路电流温度系数相对应的开 路电压温度系数。 由于光谱辐照度分布在实际测试环境中难以把控，无法完全再现标准要求，所以 测试时主要监测辐照度和组件温度 。 如果组件温度高于标准测试温度，且不可调控， 应把组件和标准太阳电池遮挡起来，使其不受光束的照射，直到太阳电池的温度与周 围空气温度一致，偏差在 ±2 °C 内，拿掉遮挡物立即测量。 标准辐照度通过监测标准 太阳电池的短路电流确定，标准太阳电池应具有与被测样品基本相同的相对光谱响 应。具体安放时， 应当使 标准太阳电池与被测组件尽可能靠近 ， 标准太阳电池的有效 面与被测组件的有效面在同一个测试平面内，偏差小于 ±5°， 测试平面法线与光束的 中心线平行，偏差小于 ±5°， 调整测试平面上的辐照度，使标准太阳电池的短路电流 达到所要求的标定值 [17]。 图 2-4 测试原理图 Fig.2-4 Test principle 内蒙古工业大学硕士学位论文 12 2.2.2 测试 设备及 系统 组件特性测试实验采用由 Fluke NORMA 5000 型 宽频带功率分析仪和 TRM-2 型 太阳能测试系统构成，如 图 2-5 所示。 图 2-5 特性测试系统 Fig.2-5 System of characteristics testing Fluke NORMA 5000 型 宽频带功率分析仪 可以准确测量电流和电压，并计算有功、 无功、视在功率和其他参量，仪器精度在很宽的范围内不受波形、频率和相移等变化 干扰的影响。该仪器 由星点适配器、分流器、电流钳、 互感器等 传感 附件 、功率分析 仪及测试分析软件 组成。 功率分析仪上有液晶屏幕，连接计算机在软件操作下可以实 时显示测试参数及状态，同时在计算机上可以实时显示和存储测试数据，并得到测试 数据的分析曲线。 测试过程中仪器自动调节测量步长，从而保证测试过程流畅、用时 短，得到的数据点分布均匀，曲线平滑。 表 2-1 NORMA 5000 型宽频带功率分析仪技术指标 Tab.2-1 Index of NORMA 5000 参数 测试性能 输入范围 直接电流输入范围 30mA-10Arms 直接电压输入范围 300mVrms-1000Vrms 采样率 不低于 341KHz 电压精度 不低于 0.01%（读数误差） + 0.02%（量程误差） 电流精度 角误差 50Hz 时不高于 0.0025°，其它频率下累加误差不高于 0.0025°/kHz 第二章 光伏组 件的输出特性 13 图 2-6 NORMA 5000 型宽频带功率分析仪 Fig.2-6 NORMA 5000 TRM-2 型 太阳能测试系统 在特性测试 实验 中监控辐照度和温度等测试条件，为 实验开展提供环境数据保障。 该系统由传感器件、 TRM-2 型太阳能 测试记录仪 和系 统软件三部分组成组成， 开展光伏组件特性 测试 实验时， 记录仪上接有 TBQ-2 型 总 辐 射 表 、 TBS-2-2 型 直射辐射表、 TBD-1 型 散射辐射表 、 EC-9S 型数字风速仪、 EC-9X 型数字风向仪及温度传感器 ， 可 以 实时采集、显示和存储 太阳 总辐射值、直射辐射值、 散射辐射值 、风速 、 风向 、组件温度及环境温度 等参数，并可以将数据传输到计算机 利用系统软件进行数据整理分析。 由于实验条件 有限， 实验