10000993_组件综合性能测试数据及选型应用

1 组件综合性能测试数据及选型应用 曹冏屹 周学伟 刘彦然 莱茵技术（上海）有限公司 摘要 本文主要研究光伏系统发电量模拟中，组件常规参数及综合性能参数对损失结果的影响。TÜV 莱 茵实验室将对组件进行综合性能参数测试（Data Pack 测试），随后针对不同区域进行发电量模拟，并 与由传统常规参数模拟的结果进行对比，对比分析入射角损失、辐照等级损失及温度损失。最终得出结 论，针对不同区域地理环境（纬度、辐照度及温度）应当选用具备不同特性的组件。组件的综合性能数 据能有效补充传统常规参数，为项目前期发电量测试及设备选型提供一定的参考价值。 作者简介：曹冏屹，任莱茵技术（上海）有限公司光伏系统部门项目经理，负责光伏系统风险控制、数据分析及项目咨询等工作。通讯邮箱：jiongyi.cao@tuv.com. 周学伟, 任莱茵技术（上海）有限公司光伏组件部门项目主管，负责光伏组件非发证项目的管理和参与组件新测试技术的研究和应用。 刘彦然, 任莱茵技术（上海）有限公司光伏组件部门项目工程师，负责光伏组件非发证项目的项目处理与参与组件新测试技术的研究和应用。 关键词：组价综合性能测试 损失分析 设备选型 1. 研究背景 2018 年初，国务院根据当前光伏产业技术进步及成本下降情况，降低了光伏电站标杆上网电价。 相比 2017 年，Ⅰ至Ⅲ类地区下降幅度分别为 15.38%、13.33%、11.76%，而同期光伏系统综合成本下降 仅 7%左右。随着投资收益压力加剧，如何保证电站质量及性能成为所有投资者的关注重点。TÜV 莱茵 在长期项目实践中发现常规组件电性能测试仅能代表 STC（辐照 1000W/m2，AM1.5，T=25°C）条件下 的性能表现，已无法满足市场对组件品质的要求。由于地区间辐照等级、辐照分布、太阳入射角、温度 等各因素的影响，相同类型/型号的组件在不同地区可能有不同的性能响应。本文将利用 TÜV 莱茵实验 室对组件 Data Pack 测试的综合性能结果，结合 PV syst 软件进行模拟，研究不同类型/型号组件在不同 地区的性能响应情况，并希望以此为后续的投资建设给出较合适的组件选型建议。 2. 过程简述 本次研究将分为单晶 P 型组、单晶 PERC 组及常规多晶 P 型组，每组 2 种型号组件。根据 IEC 61853-1-2011 及 IEC 60891-2009 等相关标准，首先经过 TÜV 莱茵实验室对各型组件进行 Data Pack 的 综合测试，将所得性能参数创建成测试数据包。接着，将组件数据输入 PV syst，分别模拟各型组件在 不同城市的发电性能表现，并与仅使用组件技术协议参数所得的结果做对比，分析两套数据所对应的各 型组件入射角损失（IAM factor loss），辐照等级损失（loss due to irradiance level），及温度损失 (loss due to temperature) 。 2 图 1 对比过程逻辑流程图 此外，实际电站的发电量受设计、其他设备选型、施工、运维等多重因素的影响，为简化分析并突 出组件不同性能参数的影响，本次研究将采取控制变量法，突出组件对不同环境的性能响应。 3. 核心内容 3.1 组件综合性能实验室测试 3.1.1 入射角修正测试 TÜV 莱茵实验室采用不确定度2%的 A+级光源进行不同入射角下的数据测量，长距离光源保证了 光线的平行度，测试使用多层挡板降低漫反射，两旁加设的防反光黑墙能最大程度地减少反射。 表 1 组件入射角修正测试结果表 组件入射角修正测试 0° ±10° ±20° ±30° ±40° ±50° ±60° ±70° ±80° ±90° P 型多晶 1 1.000 1.000 1.000 0.996 0.995 0.990 0.973 0.896 0.699 0 P 型多晶 2 1.000 0.999 0.997 0.993 0.992 0.989 0.965 0.878 0.690 0 P 型单晶 1 1.000 1.000 1.000 0.996 0.995 0.990 0.973 0.896 0.695 0 P 型单晶 2 1.000 0.999 0.998 0.993 0.989 0.982 0.959 0.878 0.679 0 单晶 PERC 1 1.000 1.000 1.000 0.996 0.995 0.990 0.967 0.896 0.684 0 单晶 PERC 2 1.000 0.999 0.998 0.997 0.996 0.992 0.971 0.885 0.682 0 3.1.2 辐照等级参数测试 TÜV 莱茵实验室采用 A+ A+ A+等级模拟器，根据 IEC 61853-1 对组件进行不同温度及辐照度组合 的性能测试。根据 TÜV 莱茵实验室以往测试记录及结果，组件在低辐照度（400 W/m2 及以下）时，相 对效率下降较为明显，且不同组件类型及型号间开始展现出明显差异。 表 2 IEC 61853-1-2011 中辐照度和温度变化矩阵表 [1] 辐照度 光谱 温度 W/m2 15°C 25°C 30°C 75°C 1100 AM 1.5 NA 3 1000 AM 1.5 800 AM 1.5 600 AM 1.5 400 AM 1.5 NA 200 AM 1.5 NA NA 100 AM 1.5 NA NA 表 3 组件低辐照度测试结果表 25°C 时各型组件低辐照测试数据 100 [W/m2] 200 [W/m2] 400 [W/m2] 600 [W/m2] 800 [W/m2] 1000 [W/m2] 1100 [W/m2] P 型多晶 1 -10.32 -4.87 -2.20 -0.64 -0.15 -0.05 -0.19 P 型多晶 2 -8.32 -3.77 -1.13 0.11 0.23 -0.13 -0.59 P 型单晶 1 -7.52 -3.29 -1.04 0.12 0.19 0.02 -0.41 P 型单晶 2 -8.55 -3.69 -1.11 -0.17 0.03 -0.02 -0.47 单晶 PERC 1 -6.89 -3.06 -1.17 -0.08 0.10 -0.16 -2.48 单晶 PERC 2 -6.50 -2.49 -0.53 0.15 -0.05 -0.50 -1.15 3.1.3 温度参数测试 TÜV 莱茵实验室根据 IEC 60891-2009 对组件进行温度系数测试 [2], 将分别测试组件的 Isc，Voc 及 Pmax 温度系数。 表 4 组件温度系数测试结果表 Isc 温度系数 α [%/K] Voc 温度系数 β [%/K] Pmax 温度系数 δ [%/K] 传统参数 Data Pack 传统参数 Data Pack 传统参数 Data Pack P 型多晶 1 0.048 0.060 -0.34 -0.31 -0.41 -0.40 P 型多晶 2 0.047 0.050 -0.32 -0.32 -0.39 -0.41 P 型单晶 1 0.044 0.048 -0.34 -0.29 -0.41 -0.40 P 型单晶 2 0.046 0.039 -0.34 -0.31 -0.40 -0.42 单晶 PERC 1 0.045 0.059 -0.32 -0.30 -0.38 -0.39 单晶 PERC 2 0.045 0.050 -0.34 -0.29 -0.41 -0.39 3.2 区域选择 区域选择上，为尽可能突出各种气候类型，将在辐照度（对应辐照等级损失）、温度（对应温度损 失）及纬度（对应入射角损失）上进行不同组合。但某些组合在中国区域内较难出现，例如：高纬度高 温、高纬度低辐照。此外考虑区域位置，将选定以下城市进行不同类型组件、不同类型数据之间的发电 性能分析：敦煌市、福州市、昆明市、通辽市及长沙市。 4 表 5 选定城市地理及气象信息表 相对纬度 相对辐照度 相对平均温度 区域 最佳倾角 斜面辐照 [kWh/m2·yr] 年平均 温度 [°C] 纬度 [°] 高 低 高 低 高 低 敦煌 西北 2140 10.7 40.15 √ √ √ 福州 东南 1289 20.6 26.08 √ √ √ 昆明 西南 1665 15.7 25.02 √ √ √ 通辽 东北 1804 7.6 43.60 √ √ √ 长沙 中部 1131 18.0 28.23 √ √ √ 3.3 发电量建模仿真 建模将以 100kW 系统为基准（由于分析组件名牌间功率差别，具体项目容量将有差异），选用同 一型逆变器，设计为最佳倾角，并在其他边界条件一致的前提下，比较组件最大出力端的发电量 （Array virtual energy at MPP）。最终比较各项损失的百分比以及单位发电量的差异百分比。 4. 结果与讨论 4.1 入射角损失 光线从空气入射到电池片表面时，需要先穿过玻璃及 EVA，当入射光线垂直于组件平面时，反射率 最低，随着入射角逐渐增大，反射率逐渐升高，因此导致的辐射量损失称之为入射角损失（Incidence Angle Modifier loss）。通过模拟，各型组件在不同区域的入射角损失如下： 表 6 入射角损失对比 入射角损失（%） 敦煌市 福州市 昆明市 通辽市 长沙市 常规 参数 Data Pack 常规 参数 Data Pack 常规 参数 Data Pack 常规 参数 Data Pack 常规 参数 Data Pack P 型多晶 1 1.9 2.7 2.3 1.9 2.7 P 型多晶 2 2.3 3.2 2.8 2.3 3.2 P 型单晶 1 1.9 2.7 2.3 1.9 2.7 P 型单晶 2 2.5 3.5 3.0 2.6 3.4 单晶 PERC 1 2.0 2.8 2.4 2.0 2.8 单晶 PERC 2 2.6 2.0 3.4 2.9 3.0 2.4 2.6 2.0 3.4 2.8 5 图 2 各型组件、各安装区域基于传统数据及 Data Pack 的入射角损失 分析上表，可以发现，当使用组件传统参数进行模拟时，在同一地区，即使选用不同类型或型号的 组件，得到的入射角损失也相同。因为传统组件性能参数中并不包含相关入射角损失的性能参数。查找 PV syst 使用手册，模拟中使用默认 ASHRAE 模型对组件入射角损失进行计算，其值仅取决于参数 bo 及 入射角度，见式 1(bo 默认为 0.05)[3]。 （1）𝐹𝐼𝐴𝑀=1‒𝑏𝑜∗（ 1cos𝑖‒1） FIAM —组件入射角损失, [-]; bo —反射系数，[-]； i —入射角度, [°] 因此，使用传统参数进行发电量模拟无法反映玻璃、EVA 材料特性及特殊工艺的镀膜技术对相对 透射率的影响，并不能体现组件间不同的入射角响应性能。 而 Data Pack 综合性能数据包中对组件入射角参数有详细的测量（数据见表 1），能够反映不同类 型或型号的组件在同一安装地点的表现差异。此外，同一型号组件，其入射角损失随着安装区域纬度的 降低而增加，因此，在低纬度地区或者安装倾角与最佳倾角相差较多（高纬度区域的彩钢瓦项目）时， 应当更加关注组件的入射角响应性能。 4.2 辐照等级损失 组件在实际工作时，辐照度通常低于 1000 W/m2，此时组件性能将受一定影响，由此带来的损失称 之为辐照等级损失。通过模拟，各型组件在不同区域的辐照等级损失如下： 6 表 7 辐照等级损失对比 辐照等级损失（%） P 型多晶 1 P 型多晶 2 P 型单晶 1 P 型单晶 2 单晶 PERC 1 单晶 PERC 2 常规 参数 Data Pack 常规 参数 Data Pack 常规 参数 Data Pack 常规 参数 Data Pack 常规 参数 Data Pack 常规 参数 Data Pack 敦煌市 0.30 1.30 0.90 0.30 0.60 0.30 0.80 0.60 2.20 0.60 0.10 0.40 福州市 1.30 2.80 2.30 1.20 1.70 1.30 1.90 1.70 4.30 1.50 1.10 1.30 昆明市 0.80 2.00 1.60 0.80 1.10 0.80 1.30 1.20 3.10 1.00 0.60 0.90 通辽市 0.50 1.70 1.30 0.50 0.80 0.50 1.10 0.90 2.80 0.80 0.30 0.60 长沙市 1.60 3.20 2.70 1.50 2.00 1.60 2.30 2.10 4.90 1.70 1.40 1.60 图 3 各型组件、各安装区域基于传统数据及 Data Pack 的辐照等级损失 图 3 中 X 轴代表该城市该型组件经传统参数计算的辐照等级损失，Y 轴代表该城市该型组件经 Data Pack 低辐照参数计算的辐照等级损失。上图中每一系列数据，从左至右分别为敦煌、通辽、昆明、 福州及长沙。对比表 5 相应城市最佳倾角下斜面辐照总量，可以发现，每一型组件的辐照等级损失随着 安装区域斜面辐照总量的减少而增加。 同时两套数据计算而得的辐照度损失呈现较好的线性关系。但每一型组件两套参数之间（Data Pack 参数与传统参数）斜率差异较大。由 Data Pack 测试参数模拟而得的结果与传统参数模拟而得的结果区 别较大，呈现的一致性较差。 7 4.3 温度损失 光伏组件通常具有负的功率温度系数，即温度升高对应的最大功率将下降，由于环境温度带来的损 失称之为温度损失。通过模拟，各型组件在不同区域的温度损失如下： 表 8 温度损失对比 温度损失（%） P 型多晶 1 P 型多晶 2 P 型单晶 1 P 型单晶 2 单晶 PERC 1 单晶 PERC 2 常规 参数 Data Pack 常规 参数 Data Pack 常规 参数 Data Pack 常规 参数 Data Pack 常规 参数 Data Pack 常规 参数 Data Pack 敦煌市 3.70 3.90 3.80 3.60 3.50 3.80 3.70 3.70 4.20 3.50 3.50 3.70 福州市 5.10 5.50 5.30 5.10 4.90 5.30 5.20 5.20 6.00 4.90 4.90 5.20 昆明市 3.90 4.20 4.10 3.90 3.70 4.00 4.00 4.00 4.50 3.70 3.70 4.00 通辽市 1.50 1.50 1.50 1.40 1.30 1.40 1.40 1.40 1.60 1.30 1.30 1.40 长沙市 4.20 4.50 4.40 4.20 4.00 4.30 4.30 4.30 4.90 4.00 4.00 4.30 图 4 各型组件、各安装区域基于传统数据及 Data Pack 的温度损失 图 4 中 X 轴代表该城市该型组件经传统参数计算的辐照等级损失，Y 轴代表该城市该型组件经 Data Pack 温度参数计算的温度损失。上图中每一系列数据，从左至右分别为通辽、敦煌、昆明、长沙 及福州。对比表 5 相应城市年平均温度，可以发现，每一型组件的温度损失随着安装地点年平均温度的 升高而增加。且每一型组件两套参数之间（Data Pack 参数与传统参数）斜率差异较小。由 Data Pack 测 得的温度参数与传统参数呈现出较好的一致性。 8 4.4 发电量分析 通过建模计算可以得到不同型号组件在不同区域的发电量性能表现。下表对比了两套数据源之间的 发电量差异，正值代表 Data Pack 数据源的发电量相对于传统数据高，反之亦然。 表 9 不同数据源之间发电量差异对比 Data Pack 数据源与传统参数间发电量差异（ %） P 型多晶 1 P 型多晶 2 P 型单晶 1 P 型单晶 2 单晶 PERC 1 单晶 PERC 2 敦煌市 2.38 1.17 0.77 -0.33 3.30 0.57 福州市 1.48 1.65 0.72 -0.42 4.94 0.39 昆明市 2.04 1.29 0.73 -0.37 3.88 0.60 通辽市 2.25 1.23 0.99 -0.29 3.29 0.67 长沙市 1.57 1.77 0.84 -0.40 5.08 0.59 备注：正值代表 Data Pack 数据源比传统数据源的模拟发电量高，反之亦然。 图 5 各型组件、各安装区域基于传统数据及 Data Pack 的发电量对比 由表 8 及图 4 可以发现，各型组件的温度损失无论在传统参数还是 Data Pack 参数上都呈现相对较 好的一致性。由表 6 及图 2 可以发现，各型组件均是在纬度较低区域产生较多的入射角损失。但是在 表 9 及图 5 中却发现，P 型多晶 1、P 型多晶 2 及单晶 PERC 1 三组数据呈现较大的差别。 P 型多晶 2 及单晶 PERC 1 在低辐照度区域（福州及长沙）的 Data Pack 数据源模拟增益要显著高 于高辐照度区域（敦煌、昆明及通辽），而 P 型多晶 1 则在高辐照度区域时表现出较好的增益，这与图 3 中 P 型多晶 1、P 型多晶 2 及单晶 PERC 1 的低辐照性能损失相符合。 9 Data Pack 数据源中，P 型多晶 1 的低辐照损失要显著高于传统数据源，因此在最终发电量表现上， 低辐照度区域的增益显著低于高辐照度区域。P 型多晶 2 及单晶 PERC 1 则相反，Data Pack 参数源的低 辐照性能损失显著低于传统参数源，因此在低辐照度区域具备显著优势。 至此，通过分析项目安装区域地理环境及项目倾角这一关键设计参数，结合以上结论，可以定出组 件技术层面的关键选型原则。 4.5 组件选型建议 通过以上数据对比及分析，可以为特定区域组件的选型提供部分参考原则：  针对低纬度地区，需要更加关注组件的入射角响应性能，即应当选用入射角性能更优异的组件；  针对低辐照总量地区，需要更加关注组件的低辐照响应性能，即应当选用低辐照性能更优异的组件；  针对高温地区，需要更加关注组件的温度响应性能，即应当选用温度性能更优异的组件。 优异的组件综合性能（入射角响应、低辐照度响应及温度响应）无疑能保证相同条件下更高的发电 量，但针对高纬度、高辐照度且低温区域，组件综合性能的影响相对较小。此外，通过项目区域不同的 气象及地理条件组合，可以分析出最合适的组件性能要求。 表 10 不同区域组件选型建议 相对纬度 相对辐照度 相对平均温度 高 低 高 低 高 低 组件选型建议 敦煌 √ √ √ 福州 √ √ √ 组件至少应具备优异的入射角响应性能及 优异的低辐照响应性能 昆明 √ √ √ 组件至少应具备优异的入射角响应性能 通辽 √ √ √ 长沙 √ √ √ 组件至少应具备优异的入射角响应性能及 优异的低辐照响应性能 备注：组件以非最佳倾角安装时（彩钢瓦平铺），要求组件应当具备优异的入射角响应性能。 5. 结论 通过以上的组件测试、建模仿真及数据对比分析，不难发现：  Data Pack 组件综合数据测试能够有效补充组件的传统参数，更全面地展现组件的综合性能（入射角 响应性能、低辐照响应性能及温度响应性能）；  组件传统参数并不包含入射角响应参数，导致不同类型/型号组件间入射角损失在 PV syst 模拟中无 法体现差异，而 Data Pack 参数源能够有效体现不同组件间的入射角损失性能差异； 10  基于传统参数和 Data Pack 参数的组件辐照等级损失呈现的一致性较差，对于特定项目区域，模拟 参数的来源将影响到最终辐照等级损失值；Data Pack 参数源是否更精准，还需要与实测值进行对比 验证；  基于传统参数和 Data Pack 参数的组件温度损失呈现出较好的一致性，不同参数源对最终温度损失 影响相对较小。  通过项目区域不同的气象及地理条件组合，可以分析出最合适的组件性能要求，如能结合系统造价， 将对项目设计及设备选型具有很高的参考价值。 不足及后续研究： 文章通过测试、模拟及分析得出了部分关于组件在不同区域的各项损失表现，为项目前期发电量测 算及设备选型提供了参考价值。但本次研究未能总结出多晶、单晶及单晶 PERC 之间在损失方面的特性。 后续如能加大测试样本，将有助于总结不同技术路线适应的应用场景。同时，本次研究未能将两套数据 的模拟结果与现场实测数据进行对比，因此暂不能说明 Data Pack 数据包与传统数据在模拟时的优劣。 若能进行现场的发电量实测数据验证，将进一步增加模拟结果及选型原则的可信度，也可为其他方面的 深入分析提供数据支持。 11 参考文献 [1] IEC 61853-1-2011 Photovoltaic (PV) module performance testing and energy rating –Part 1: Irradiance and temperature performance measurements and power rating. [S] [2] IEC 60891-2009 Photovoltaic devices – Procedures for temperature and irradiance corrections to measured I-V characteristics. [S] [3]PV syst 6.62 help manual Project design-Array and system losses-Array incidence loss (IAM)