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双面光伏组件 I-V 测试方法研究 曾祥超，王水威，黄国华，马海真，张鹤仙 （陕西众森电能科技有限公司，西安 710018） 摘要：双面光伏组件由于其正反两面都能发电的特性而备受市场的欢迎，但如何测试双面 光伏组件的 I-V 特性在行业内是有争议的。目前行业提出了三种不同的测试方法，都在进行标 准草案阶段，分别是：IEC60904-1-2 技术规范草案的等效光强法，SEMI 标准草案的双面打光法 以及中国光伏协会标准草案提到的公式法。本论文通过对三个标准草案的介绍，并选择 6 种不 同的双面光伏组件进行方法验证。通过实验发现：不同的测试方法对同一块组件进行 I-V 测试 的结果差异较大，但这种差异在不同类型组件测试中并不一样，所以三种测试方法并不能简单 的等同。文章最后根据光伏组件应用场景分析，推荐使用 SEMI 的双面打光法对双面光伏组件 进行 I-V 测试。 关键词：双面光伏组件；I-V 测试；测试标准 作者简介： 曾祥超，主要从事太阳电池及光伏组件电学性能测量方面的研究。邮箱：zxc@gsola.cn. 早在 1966 年，日本学者就获得了 p+np+结构的双面太阳能电池的专利。现在钝化发射极表 面全扩散（PERT）技术、钝化发射极背接触电池（ PERC）技术和异质结（HIT ）技术是当前双面 光伏器件采用的三种主流电池技术 [1]。随着近几年 PERT 和 PERC 技术的快速发展，加上双面光 伏组件两面都可以发电的特性，双面光伏组件在全球光伏工业体系内得到了大力发展。目前已 有多家户外实证电站通过长时间跟踪，对比发现双面光伏组件在同等条件下比单面光伏组件的 发电量至少高 10%，在一些反射背景条件较好的地区甚至能多发 25%的电量，因此使用双面发 电技术就能大幅度降低电站的度电成本。根据 2018 年已公布的中国领跑者基地建设中标情况来 看，超过 60%的领跑者基地都采用的双面光伏组件。在刚刚发布不久的《光伏国际技术路线图 ——2017 年度报告 》预测，双面光伏组件的市场份额将在 2026 年提升至 30%的水平。 根据 IEC-60904 的标准，光伏组件的 I-V 测试要求是在标准测试条件（STC 条件：组件温 度 25℃ ，光谱分布为 AM1.5、入射辐照度为 1000W/m2）下进行的。而且目前所有已发布的标 准对光伏组件 I-V 测试都只定义了正面 I-V 测试方法，背面发电量贡献如何计算？如何测量和标 定双面光伏组件的发电功率成为了一个横在整个光伏行业前面的技术难题 [4]。 目前国内外几大光伏标准制定组织针对双面光伏组件的功率标定方法进行了广泛而激烈 的讨论，并形成了 IEC 标准、SEMI 标准，中国光伏协会标准、CQC 企标、TUV 莱茵标准、TUV 北德标准等多种标准草案。除方案较为一致的户外实测标准法，其它几种主要室内测试方法草 案是：IEC 标准草案—— IEC60904-1-2 的等效光强法；中国光伏行业协会标准草案《双面发电光 伏组件电参数测试方法》的公式法以及 SEMI 标准草案 5661 的双面打光法。 本文将分别介绍这 3 种双面光伏组件测试方案的主要思路，选择 6 种不同的双面光伏组件 对这 3 种测试方法进行实验验证，分析各测试方法得到结果的差异性，最后根据双面光伏组件 实际应用环境，推荐认为更加接近实际情况的测试方案。 1. 三种双面光伏组件 I-V 测试方法介绍 1.1 IEC 草案提出的等效光强法 国际电工委员会针对双面光伏组件功率测试的标准列为 IEC 60904-1-2. 该方案经过多次修 改，与 2017 年 10 月在瑞士 WG2 会议上通过讨论，提交至全球投票。按照 IEC 全球投票流程， 经过多轮投票修改，起草者预计在 2021 年标准能定稿发布（目前该标准已降为技术规范） 。该 标准草案对双面光伏组件测试规定了三种测试方案：室内单面等效光强法，室内双面光源测试 法，户外自然光测试。因为该标准草案对于室内双面光源测试法只是提到可以用该方法，但介 绍较为简单不具备实操性，本文将介绍其定义室的内单面等效光强测试法。 首先在 STC 条件下对组件的正反两面进行电学性能测试，如图 1 所示，测试组件正面的短 路电流 Iscf、正面开路电压 Vocf、正面最大功率 Pmaxf 参数时，用反光率低于 0.3%的遮光材料遮住 背面；测试组件背面的短路电流 Iscr、背面开路电压 Vocr、背面最大功率 Pmaxr 参数时，用反光率 低于 0.3%的遮光材料遮住正面 [2]。 定义组件双面系数 BiFi： …………………………（1）minmaxf rsc,PIBiFocV …………………………………（2）𝐺𝐸𝑖=1000+𝐵𝑖𝐹𝑖×𝐺𝑅𝑖 在进行双面光伏组件整体 I-V 测试时，将背面辐照度按公式（2）补偿到正面，使组件正面 在一个高于 1000W/m2 的辐照度 GEi 的情况下进行 I-V 测试，组件背面用反射率低于 0.3%的遮光 布遮住，其中 GRi 为所选择的双面光伏组件所应受到的辐照度。此时测得的组件电学性能可认 为是双面光伏组件的整体电学性能。 图 1. 双面光伏组件正反面分别测试示意图 该测试方法，在最终测试双面光伏组件的电学性能时，对组件背面并没有实际光照，而是通 过增加正光强的方式进行测试从而等效于组件正面和背面分别受光时的电学性能表现，所以业 内将该测试方法简称为等效光强法。 1.2 中国光伏协会标准草案提出的公式法 同图1所示，在标准测试条件下，用非反射背景材料先后遮挡双面发电组件正面和背面，测 试双面发电组件背面和正面最大功率值。将所测背面和正面最大功率比值与反射系数进行乘积 得到双面发电增益率，使用双面发电增益率等参数并结合半导体物理学原理对双面发电组件的 正面电参数进行修正，最终得到双面发电组件的双面电参数。双面发电增益率如式（3）所示 [5]： (3)screafontIR 式中： ——反射系数，与组件运行条件有关，包括地理位置、光照条件、地面/水面条件、组 件安装方式和角度、时间/季节等。该标准根据适合于双面发电光伏组件应用的双面标准测试条 件，实验室模拟测试及实证数据，统一取值 0.1； ——双面发电光伏组件背面短路电流值，单位为安培（A） ；screaI ——双面发电光伏组件正面短路电流值，单位为安培（A ） 。而双面发电光伏组件front 短路电流 按照公式（4 ）进行计算：BiFIsc (4))1(RIscIfrontBiF 双该方案中，在确定双面光伏组件的双面系数之后，只需要分别测试双面光伏组件的正面 的 STC 数值，就可以通过公式计算出该组件在双面受光条件下（其中背面按 100W/m2）的电学 性能参数。 1.3 SEMI 标准草案：双面打光法 双面打光法测试方案如图 2 所示：采用上下两个光源对双面光伏组件进行测试，其中上 光源为直射光，下光源为散射光，将双面光伏组件放置在设备中间，组件的正面朝上。在测试 过程时，同时打开上下两组光源，使组件的正面接受直射光的照射，光强设定为 1000W/m2； 组件的背面接受散射光照射，光强设为 100 W/m2。 如图 3 所示：将双面同时打光测试分为三个阶段，可分别得到 1000 W/m2 光强下的正面 I- V 数据、背面 100 W/m2 的 I-V 数据以及正面和背面同时闪光时的组件 I-V 特性 [3]。 图 2. 双面打光法测试示意图 图 3 测试过程中辐照度及电子负载变化 2. 不同测试方法测试实验及数据分析 2.1 实验设计 1）测试设备及要求：根据 IEC 60904-1 的要求，测试实验环境温度为（25±1）℃，相对湿 度为（50±20 ）％。在本实验中，要求用于双面光伏组件上下光源都能满足 IEC 60904-9 中 规定的 AAA 级要求，光照面积大于组件面积。同时正面光源最高光照强度可达 1200W/m2， 背面光源光照强度可在 100-500W/m2 范围内可调。 图 4. 用于双面光伏组件测试的双面打光模拟器 2）被测组件：为验证这三种测试方法对不同类型组件的普遍适应性，本实验选择了 N 型双面 光伏组件，单晶 PERC 双面光伏组件，多晶 PERC 双面光伏组件，HIT 双面光伏组件等 6 种组件。 并且这 6 中组件的双面发电因子 BiFi 也从 65%到 93%不一样。 表 1. 实验用双面光伏组件类型 实验用双面光伏组件类型 正面 STC 数据 背面 STC 数据序 号 组件类型 Voc Isc FF Pmax Voc Isc FF Pmax Pmax BiFi Isc BiFi MIN (PmaxBiFi， IscBiFi) 2 60 片单晶 PERC 39.88 9.657 76.92% 296.3 39.21 6.481 76.48% 194.4 65.6% 67.1% 65.6% 1 72 片单晶 PERC 48.16 9.559 78.15% 359.7 48.13 6.667 78.19% 251.3 69.9% 69.7% 69.7% 3 60 片多晶 PERC 39.45 9.561 75.99% 286.6 38.86 6.727 78.55% 205.3 71.6% 70.4% 70.4% 5 60 片 N 型半片 39.60 9.944 78.74% 310.1 39.38 8.252 78.91% 256.4 82.7% 83.0% 82.7% 4 60 片 N 型整片 38.98 9.626 78.36% 294.0 38.65 8.219 79.67% 253.0 86.1% 85.4% 85.4% 6 60 片 HIT 43.26 9.106 74.45% 293.3 43.07 8.424 74.74% 271.1 92.4% 92.5% 92.4% 注：表中 Voc 的单位是 V， Isc 的单位是 A， Pmax 单位是 W. 3）实验步骤： 在检验待测组件外观及 EL 合格之后，先对待测组件进行电容效应测试，确定各组件需要的 扫描时间。然后根据电容效应测试结果设定合适的扫描时间，并对所有待测组件分别进行等效 光强测试和双面打光测试。最后再次检测已完成测试的组件 EL 没有问题。 2.2 高效组件的电容效应测试 由于此次选择的双面光伏组件都是 N 型组件或 P 型高效组件，都有较高的本征电容。为 避免电容效应对测试结果的影响，使测试结果更加真实可信，在进行组件 I-V 测试之前，首先 需要通过逐渐增加扫描时间的方式，分别进行正向测试和反向测试，当正向测试与反向测试的 Pmax 差值小于 0.3%时，即可认为该扫描时间能保证消除组件的电容效应。 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 278 283 288 293 Isc→Voc Voc→Isc N型 组 件 扫 描 时 间 （ms ） Pmax （W ） 图 5. N 型组件电容效应测试 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 288 289 290 291 292 293 294 Voc→Isc Isc→Voc PERC 扫 描 时 间 （ms ） Pmax （W ） 图 6. PERC 组件电容效应测试 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 270 290 310 330 350 Isc→Voc Voc→Isc HIT 扫 描 时 间 （ms ） Pmax （W ） 图 7. HIT 组件电容效应测试 结论：通过图 5、图 6 和图 7 可以看到，若需要准确测量高效组件的电学性能， N 型组件需 要 40ms 以上的扫描时间， PERC 组件需要超过 35ms 的扫描时间，而 HIT 组件则需要大于 120ms 的扫描时间。 2.3 双面光伏组件 I-V 测试数据及分析 1）测试数据。根据要求分别用这三种方法，在背面光强设定为 100 W/m2 和 200 W/m2 对选中 的 6 种双面光伏组件进行 I-V 测试，得到 Pmax，Isc 以及 FF 值，分别见表 2、表 3 和表 4. 表 2. 不同测试方法得到 Pmax 值 Pmax 值对比 单位：W 等效光强 双面打光 公式法 序号 组件类型 100W/m2 200W/m2 100W/m2 200W/m2 100W/m2 200W/m2 1 60 片单晶 PERC 315.1 333.8 317.0 336.5 316.2 336.1 2 72 片单晶 PERC 384.3 408.7 385.0 409.7 384.8 409.9 3 60 片多晶 PERC 305.5 324.9 306.2 326.5 306.8 326.9 4 60 片 N 型半片 335.0 359.9 337.9 364.5 335.8 361.6 5 60 片 N 型整片 318.9 343.8 323.0 350.5 319.1 344.2 6 60 片 HIT 318.1 342.7 319.6 344.6 320.4 347.6 表 3. 不同测试方法得到 Isc 值 Isc 值对比 单位：A 等效光强 双面打光 公式法 序号 组件类型 100W/m2 200W/m2 100W/m2 200W/m2 100W/m2 200W/m2 1 60 片单晶 PERC 10.294 10.917 10.345 11.010 10.305 10.924 2 72 片单晶 PERC 10.231 10.896 10.238 10.898 10.225 10.891 3 60 片多晶 PERC 10.214 10.881 10.241 10.937 10.233 10.907 4 60 片 N 型半片 10.790 11.617 10.803 11.617 10.769 11.589 5 60 片 N 型整片 10.441 11.262 10.586 11.485 10.448 11.270 6 60 片 HIT 9.935 10.767 9.947 10.755 9.926 10.745 表 4. 不同测试方法得到 FF 值 FF 值对比 等效光强 双面打光 序号 组件类型 正面 STC 数据 100W/m2 200W/m2 100W/m2 200W/m2 1 60 片单晶 PERC 76.92% 76.6% 76.2% 76.5% 76.1% 2 72 片单晶 PERC 78.15% 77.8% 77.5% 77.8% 77.6% 3 60 片多晶 PERC 75.99% 75.7% 75.3% 75.7% 75.4% 4 60 片 N 型半片 78.74% 78.0% 77.6% 78.6% 78.6% 5 60 片 N 型整片 78.36% 78.0% 77.7% 77.9% 77.7% 6 60 片 HIT 74.45% 73.7% 73.2% 74.0% 73.5% 从表 2 到表 4 的数据中，可以得到以下结论： 1. 从表 2 中可以看到：用三种不同的方法测试 6 种不同双面光伏组件的电学性能参数时， 不同的方法得到 Pmax 及 Isc 都不一样，在背面为 200W/m2光强的情况下， Pmax 值相差最大的是 “60 片 N 型整片” ，双面打光法和等效光强法测得的 Pmax 差 6.7W。 2. 从表 3 中可以看到，在背面为 200W/m2光强的情况下，Isc 值相差最大的是“60 片 N 型整 片” ，双面打光法和公式法得到的 Isc 差 0.223A。 3. 由于等效光强法取的双面系数 BiFi 是取最小值 MIN（PmaxBiFi，IscBiFi） ，而公式法选取 的双面系数就是 IscBiFi，从表 1 中可以看到，不同组件这两个值并不一定相同，所以等效光强 法与公式法计算出来的 Pmax 和 Isc 虽然接近，但也还是存在差异的。 4. 从表 4 中可以看到，由于受到串联电阻引起的串联损失影响，短路电流增大后，等效光 强法和双面打光法测得的 FF 值都比单独正面时的 FF 值小。在等效光强测试中，由于双面光伏 组件的正面受到的光强最对，所有电流都经过正面栅线引导出来，此时 FF 值受到的影响最大。 2）原因分析： 1. 部分组件由于背面电池一致性不好，或者因为接线盒或边框遮挡，导致背面 I-V 曲线有 台阶，影响最终 Pmax. 如图 8 所示，左边的曲线是组件背面单独测试时的 I-V 曲线，从中可以 看到组件背面有较严重的不均匀（实际是因为电池片被边框遮挡） ，而右边的曲线则是双面测试 中，绿色曲线是上下同时打光时的曲线，也可以看到有台阶，虽然不会影响 Isc，但会影响到 Pmax 值，而此时若采用正面等效光强测试或通过公式法计算，则不能通过 I-V 数据表现出来。 图 8. I-V 测试曲线 2. 通过分析光伏组件的特性可知，随着光强的增大，组件的串联电阻呈非线性减小，而受 短路电流随光强线性增大的影响，串联损失呈非线性增大，导致填充因子 FF 则成非线性减小 [6]。 因为不同组件 Rs 不一样，其变化曲线也不一致 [7]，所以会导致采用不同光强测试时受到的影响 不一样 [8]。 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 0 0.5 1 1.5 组 件Rs 辐 照 光 强 （W/m2 ） Rs (Ω) 图 9. 组件 Rs 随辐照光强的增加而减小 图 10.组件 FF 随光强变化 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 0.78 0.79 0.8 0.81 0.82 组 件FF 辐 照 光 强 （W/m2 ） 3. 结论 本文对当前 3 个双面光伏组件电性能测试标准草案进行了介绍和比较，并通过分别测试不 同厂家、不同类型的 6 块双面光伏组件进行验证。通过实验数据分析可知，1）无论是单晶 PERC、多晶 PERC、N 型 PERT 以及 HIT 组件，都属于高效组件，具有较高的本征电容，用传统 的 10ms 脉冲光强无法消除电容效应影响。2 ）同一块双面光伏组件用不同的测试方法得到的结 果并不一致，并且不同类型的组件其数据偏差的趋势也不相同。也就是说测试方法并不能等效 使用。 根据双面光伏组件在户外安装发电时，是正面和背面同时受到不同强度的光照产生电流的， 而实验室测试则应该尽可能模拟实际应用工况（这也是为什么太阳电池 I-V 测试设备叫太阳模 拟器的原因） ，因此本论文认为 SEMI 标准草案提到的双面打光法是最接近双面光伏组件实际应 用环境，其测试结果也被认为是最接近现实情况。所以作者认为采用双面打光法测试双面光伏 组价的 I-V 特性是最理想的方式。 参考文献： [1] 陈喜平,何涛,张昌远,等．N 型光伏组件的电性能测. 试技术研究[J]．太阳能学报,2015, 36(6): 1533-1538. 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