1、硕士学位论文太阳电池、组件和户外光伏系统的测试研究1摘 要随着全球光伏市场的快速发展，光伏产品的应用越来越广泛，太阳电池、组件和户外系统的测试也随之越来越重要。文章以此为核心，首先介绍了太阳电池的标定、常规组件和户外系统的测试原理、方法和设备，其中针对市场上新出现的高效率单晶硅太阳电池组件进行测试研究，发现采用一般的市售短脉冲单次闪光测试仪将产生较大测量误差，通过对 NREL 和 Sandia 实验室标定的标准参考组件进行对比测量和模拟研究，提出了解决方法；其次针对国内外对户外光伏系统测量研究较少的现状，研制出一种户外光伏阵列测试系统，实现 I-V 曲线和关键参数(Voc Isc Vmp Im
2、p Pmax 等)的采集，从测试原理、设计到运行和测试的精确性都进行了详细研究和描述；最后利用该测试系统对小型户外光伏系统进行评价，自行设计小型 Siemens 和 SunPower 光伏系统各一套，对其进行全天候测试，通过比较 FF 发现强光下 SunPower 系统性能明显优于 Siemens 系统，通过比较弱光下 Isc 发现光强上升和下降阶段 Siemens 系统和 SunPower 系统各自在短时间内略显优势，由于光强上升和下降阶段对于全天发电量影响较小，整体来讲SunPower 高效电池还是优于 Siemens 电池，通过 SunPower 电池的特殊结构对该现象可以得到初步解释，
3、同样的研究方法可以用于评价其他类型的电池组件。关键词：太阳电池、组件、光伏系统、测试2AbstractWith the development of the global PV market, More and more PV products are under application .The testing of solar cell, solar module as well as solar systems become more and more important .This thesis will focus on this issue ,First the calibrati
4、on of solar cells, the testing principle and method together with the equipments of standard modules and the outdoor systems will be described here. Some of the new high efficiency solar modules were tested by common flash tester but severe testing error appears. After the simulation and testing of
5、reference modules from NREL and Sandia, a solution will be proposed to resolve this problem. Considering the shortage of research of outdoor testing equipments, an outdoor testing system was developed and the I-V curve can be traced out as well as the key parameters such as open circuit voltage, the
6、 short circuit current, the maximum power, the current and voltage at the maximum power and so on, From the testing principle and design to the running condition and accuracy will be described. The last part of this thesis is an example of evaluation of solar systems by this testing system, two kind
7、 of solar systems including Siemens and SunPower were installed and tested at the same time for a whole day. The SunPower system represents a higher output after the compare of FF under high light intensity while Siemens system has higher Isc value under the light ramp up stage and SunPower system h
8、as a higher Isc value under the light ramp down stage. Anyway the low light intensity time will only take a small part of the whole day radiation so the SunPower system is still superior to the Siemens system. Similar research can be done to evaluate other kinds of solar systems. Key words： solar ce
9、ll,module, PV system, test3目 录摘 要 1第一章 绪 论 .51.1：光伏市场发展状况 .51.2 常规太阳电池和组件制造工艺 .71.2.1 晶体硅太阳电池制造工艺 .71.2.2 晶体硅电池封装工艺 81.3 太阳电池和组件生产设备 .101.4 本文研究的重点 10第二章 太阳电池和组件测试 112.1 标准参考光谱 .112.1.1 标准参考光谱介绍 .112.1.2 光谱不匹配 .122.1.3 光谱不匹配修正 .142.2 太阳电池的标定 152.3 常规太阳电池和组件室内测试 162.2 高效太阳电池和组件室内测试 .182.2.1 电容效应对测试的影
10、响 .182.2.3 解决方法 .22第三章 户外光伏系统测试 .253.1 户外光伏系统测试原理 253.2 测试系统研制 263.2.1 测试系统设计 263.2.2 硬件和软件配备 263.2.3 系统操作、调试及运行 .30第四章 户外测试结果分析及光伏系统性能评价 334.1 测量准确性分析 334.1.1 Voc：采集数据在光强较弱时误差较大 334.1.2 Isc：采集数据准确 .344.1.3 Pmax,Vmp,Imp354.2 光伏系统性能评价 354.2.1 运行情况 .354.2.2 强光下输出性能比较 364.2.3 弱光下输出性能比较 38第五章 结 论 .40攻读硕
11、士阶段发表文章 414致 谢 .42附 录 .43第一章 绪论5第一章 绪 论1.1：光伏市场发展状况2004 年，全球光伏产业产量突破 1GW 大关 1，大约生产了 1200MWp 的光伏组件，产值达到 58 亿欧元。2001-2005 年，光伏产业年增长率超过 40%，成为目前增长最快的一个产业。里昂证券作的一份投资报告预测光伏产业将从 2004 年的 58 亿欧元增加到 2010 年的 250 亿欧元，相应年度产量 5.3GWp目前的太阳电池技术已经十分成熟，产品性能稳定。大多数光伏组件生产厂家都能够保证 20 年的使用寿命，传统能源价格的攀升和电网存在断电危险的可能性成为光伏产品受青睐
12、的一个原因。目前，90%以上的光伏产品采用晶体硅电池制造技术，采用这种技术的优点是可以购买到整条生产线，装机和试运行时间比较短，投资回收风险较小。不过目前比较敏感的一个问题是硅材料，硅材料生产商没有跟上光伏产业迅速发展的步伐，导致硅材料日趋紧张。目前除了硅材料供应商大力扩产之外，光伏公司加速使用更薄硅片的步伐，生产效率更高的电池，以是减少每峰瓦的硅材料消耗，另外新的薄膜电池生产工艺开始进入市场，避免使用大量硅材料。目前主要集中在 a-Si,CdTe 和 CIGS 薄膜电池三方面。图 1.1 1990-2004 年光伏产业发展图 1.1 给出了全球 1999-2004 年的销售量，世界市场呈指数
13、状增长，吸引了大量投资，2004 年德国取代日本成为需求量最大的国家。整个光伏产业在 2004太阳电池、组件和户外光伏系统的测试研究6年增长 58.5%。几乎一半的增长源于德国市场的膨胀，从 2003 年的 153MW 增长到2004 年的 363MW，占据欧美需求量 88%的份额。2001 至 2004 年欧盟的光伏安装量几乎已翻 3 倍，2004 年底装机总量已接近 1GW。80%的安装量在德国。西班牙和澳大利亚已经成倍增加其安装量。卢森堡公国也雄心勃勃想达到人均安装量58.5Wp 的目标，成为世界第一。如果欧盟都如此仿效，可以达到年装机量26.4GWp，相当于 2002 年欧盟能源消费总
14、量的 0.93%。图 1.2 2004 年全球 10 大光伏公司图 1.2 给出了 2004 年全球光伏产业前 10 位产量最大的公司。相对于 2003年，日本在 2004 年新安装了 268.8MW 光伏阵列，增长 25.5%。其中 85%是居民并网光伏阵列，2004 年累计达到 834MW，而全日本的光伏安装量是 1132MW。同时，日本光伏产品出口量达到 318.8MW，其中 224MW 出口到欧洲。日本光光伏制造商的占据全球分额的 50%以上，全球前 10 名的公司里有 3 家在日本。夏普 2004 年占据全球市场的 27%。10 家大型企业占据全球分额的 79.7%，其余份额由是 3
15、0 家不同的小公司占据。1.2 常规太阳电池和组件制造工艺 21.2.1 晶体硅太阳电池制造工艺目前世界上大部分提供 Turnkey 解决方案的供应商都集中在单晶硅和多晶硅电池的制造领域，相对薄膜电池来说，单晶硅和多晶硅电池制造工艺已经比较稳第一章 绪论7定成熟。非晶硅薄膜电池制造工艺虽然也已经比较成熟，但是由于衰减等原因，市场远不如晶体硅电池。表 1.1 给出了目前常规晶体硅电池的制造工艺。表 1.1 常规晶体硅电池的制造工艺流程工艺流程 说明 示意图硅片切割 将硅锭切割成硅片，目前工业界大规模生产以 270um的硅片居多。表面锯痕腐蚀切割之后的硅片表面已经造成损伤，采用强碱溶液腐蚀表面使之
16、光滑，一般腐蚀深度几十个 um。织构 单晶硅采用强碱溶液，多晶硅采用强酸溶液对表面进行织构化，目的是降低表面反射率。喷磷 将磷酸均匀喷涂在硅片表面，粒度达到微米级，一般可以采用超声雾化设备实现。然后烘干表面。扩散 经过不同的温区，高温下将磷元素扩散到 P 型硅片里，在表面形成 PN 结。边缘腐蚀 采用等离子体轰击硅片边缘去除导电层，或采用激光刻蚀硅片边缘，将边缘与内部隔开。太阳电池、组件和户外光伏系统的测试研究8制作减反层采用 PECVD 或 PVD 设备在硅片表面沉积一层 SiNx，降低表面反射率。印刷电极 采用丝网印刷机印刷背面电极、背面 BSF 铝浆，表面电极（栅线） 。前两次印刷之后均
17、要进行烘干。烧结电极 印刷完前电极之后将硅片送入烧结炉，高温下把浆料烧入电池内部，以穿透ARC 层为止。分选 对烧结后的电池进行质量分类，全部工序结束。电池制造生产工艺中，化学腐蚀、扩散、减反膜制作、印刷等步骤是质量控制点。化学处理过程需要进行精确的温度和浓度控制，补液程序也必须精确设定。否则硅片表面腐蚀质量难以保证，并且有可能造成有毒气体或液体泄露，带来安全隐患。扩散是制作太阳电池最核心的步骤，为了达到较好的质量，必须对扩散之后的质量进行检测，一般可以采用四电阻仪等。减反膜之后可以大大降低折射率，可以通过分光光度计等进行测量膜的质量。印刷步骤需要控制半成品的印刷栅线尺寸，粘附力等。1.2.2
18、 晶体硅电池封装工艺目前晶体硅电池产量占全球份额中的 90%以上，所以晶体硅电池的封装也是太阳电池封装中最主要的组成部分，目前国内封装厂大部分采用人工封装，各厂家封装工艺大致相同，见表 1.2 所示。封装所需关键设备有激光切片机、层压机、测试仪等，目前都已经可以实现国产化。第一章 绪论9表 1.2 常规晶体硅电池封装工艺工序 说明电池片 切割电池片（根据要求决定是否需要）TPE 按照设定尺寸切割 TPEEVA 按照设定尺寸切割 EVA玻璃清洗 清洗玻璃玻璃外观检查 玻璃涂锡铜带 切割涂锡带，焊接主栅线备料接线盒 切割导线，安装正负极接头，组装接线盒检片 确保不符合相关标准的电池片不进入下道工序
19、焊接串带 按照要求焊接串联电池片检测 检测电池串是否有断片、短路现象排版 按照图纸排列电池串，焊接主栅线外观检测 检查待压板是否混入杂物焊接检测检查是否有破片，测量一定光强下的 Voc，无任何可造成短路的现象层压 层压电池板切边 切除层压时被挤出边缘的 EVA 和剩余背板材料缺陷检查，分类根据公司制定的检查标准检查电池片是否有破损，缺口，断片，颜色不一等层压胶凝度/剥离度测试周期性检查层压板的胶凝度和剥离强度安装边框 装框绝缘测试 测试电池板高压下的绝缘性能(如 2670V，1s,50uA)安装接线盒 安装接线盒清洗 采用有机溶剂清洗表面污垢电性能测试 测试电池板 I-V 曲线分类 根据电性能
20、，外观类别分类，标识。包装打包 打包，外箱标识太阳电池、组件和户外光伏系统的测试研究10入库 入库1.3 太阳电池和组件生产设备太阳电池市场的迅速膨胀带动上下游相关行业的兴起。硅材料、系统安装、封装材料、电池设备制造商、封装设备制造商等发展迅速。目前，全球能够提供整条太阳电池生产线和技术的厂家主要集中在欧美和日本，例如德国的 Schmid、美国的 GT Solar、德国的 Roth AM1.5 AM1.5光强 (sun) 0.2-1.1 0.7-1.1 0.8-1.36 0.5-1.2 0.5-1.1脉冲宽度(ms) 20 2 3 10 100 等级 A B B A A精度 0.5%(0.1%
21、) 200 50-256 200 4095 255数据采集速度(s)10 10 8 30数据采集时间(ms)0.5-2.6 2 32.8 7.72.2 高效太阳电池和组件室内测试2.2.1 电容效应对测试的影响近年来，市场上出现了几种高效太阳电池，如 SunPower 的 A-300 电池，三洋的 HIT 电池，以及 BP 的 Saturn 电池等。与常规电池相比，这些电池的 Voc 较大，电容也非常大。电容的存在会影响到太阳电池在测试时对光强变化和外电路电压变化的响应时间加长，给测试结果带来不良影响。为了研究该类电池的电容与常规电池的差别，用 PC1D 软件 1进行了模拟。对于给定的电池，输
22、入设计参数，可以计算出少子浓度与电压之间的对应结果，再由少子对电池宽度进行积分，得到电池电容，这样就可以获得电容-Voc 对应图。通过改变基体电阻率进行多次模拟，就可以得出电池电容对 Voc 和掺杂浓度的变第二章 太阳电池和组件测试19化图。图 1（a）给出了 300m 厚的太阳电池在开路情况下的模拟结果。以 300m 左右厚的 SunPower A-300 电池为例，采用 n 型硅片，开路电压 Voc 为670mV,最大功率点电压 Vmp 为 560mV，电阻率 2-10cm。由图 2.4 (a)可以查出电池的电容100F/cm2。而对于大部分 300m 左右厚的常规电池，采用 p 型硅片，
23、Vmp 大致为 500mV，其电容为 1F/cm2，不及 SunPower A-300 电池的百分之一。采用 PC1D 软件模拟 n+-n-p+电池，然后改变前表面和背面载流子复合速率直到 Voc，Jsc 和 FF 都符合 SunPower 公司公布的数据 2，可以模拟该电池，图2.4（b）给出了该电池电容组成模拟结果。可以看出，电池内部电荷（空穴）主要由两部分构成：电池背部 p+n 结电压所导致的载流子，即图中平行横线部分，不同结电压带来的载流子浓度不同；电压变化时载流子浓度梯度所带来的“瞬时”电流，即图中斜线部分。(a)(b)图 2.4 300m 厚太阳电池电容模拟结果(a)和 SunPo
24、wer 电池电容构成模拟结果(b)太阳电池、组件和户外光伏系统的测试研究20太阳电池电容存在会对电池及组件的测试产生较大的影响。目前，以SunPower A-300 电池为代表的新型太阳电池对测试仪性能提出了较高的要求。这些电池的电容比常规电池大 12 个数量级。由于测试时要求有快速变化的光强和外电压，如果电池电容较大，则会使电池内部会储存大量的多余电荷 2-3。尤其对于高偏压，低掺杂，低表面复合率的情况，该电荷量更大。而 SunPower 电池结压较普通电池高出 0.1V 左右，少子寿命1ms。这些特点决定了在单闪测量条件下，电池内部产生大量的多余电荷（空穴）。电容效应的影响，导致出现下述
25、I-V 曲线凹陷和 I-V 曲线分离现象。（1） I-V 曲线凹陷采用国产普通的单闪测试仪对 SunPower 已标定组件进行 I-V 特性测试，该测试仪能提供宽度约 3ms 左右的“平顶”式光脉冲，对该标定组件的测试结果如图 2.5 所示。通过与标定值比对，FF 值高出 1.7%，电流值高出 0.1A，I-V 曲线出现了明显的“凹陷”现象。原因分析如下：采用国产单闪测试仪对该标定组件进行测试时，光脉冲在 3ms 左右时间内从 0W/m2 快速上升到 1000W/m2 左右再下降到 0W/m2。这个过程中，被测试电池组件内部的光生电流也随着外部光强发生相似的变化，测试仪的高速电子负载同步采集整
26、个过程中的电流电压值。图 2.6给出了太阳电池的等效电路图，RL 是外电阻，I 是光生电流，IL 是该电池的最大短路电流，Is 是旁路二极管导通时的电流。由于每一块电池板内部的电池电性能都不可能完全相同，存在相对最优和相对最差的一个，所以当电池板光生电流 I达到性能最差的一块电池的短路电流 IL 时，整块组件的串联电流会一直降低到这个值，此时多余的电荷将储存在电池内电容里。之后，该电池等效电路中的旁路二极管导通，电池板串联电流就不再受到 IL 限制，重新上升到实际的电流值，相当于多余的电荷放了出来。因此整个过程中电流出现先降后升的现象。图 2.5 普通 3ms“平顶式”脉冲单闪测试仪测试 Su
27、nPower 电池组件实验结果图 2.6 太阳电池等效电路图（2）I-V 曲线分离电池内部的多余电荷可以引起较大的瞬时误差。在光照下，有 2 种电流源会引起电池内电荷重新分布，一种是由光源引起的光生电流，另外一种是外部电路引起的电流。在采用单闪测试仪测试时，如果电池偏压由 0 快速上升到Voc，载流子浓度就会快速增加，多余的电子移向 p 区，多余的空穴流向 n 区，这样就会消耗掉一部分光生电流，进而引起外部测量电流的减小，FF 和 Voc 测量值偏低，相当于给电容充电；如果偏压快速下降（丛 Voc 降低到 0），载流子浓度就会减小，这时电荷的重新分布会增加光生电流，相当于电容放电，Voc和 F
28、F 测量值偏大。这两种效应结合起来就是 “曲线分离”现象。在脉冲较窄而电池响应时间却较长的情况下，该现象尤为严重。图 2.7 给出了对 SunPower A-300 电池的模拟结果。可以看出，当电压由 0 向 Voc 以 20V/s 的速率上升时，电流较稳态值略低，当电压由 Voc 向 Isc 以-20V/s 的速率扫描时，电流较稳态值略高。相对于稳态情况下，曲线在最大功率点附近相对于稳态测试值有不同方向的偏离。太阳电池、组件和户外光伏系统的测试研究22图 2.7 I-V 曲线分离现象2.2.3 解决方法 King3在研究了测试时瞬时误差与偏压变化的关系后得出结论：对于低电阻率电池(1cm)，
29、在偏压变化率超过 100V/s 的情况下 FF 的误差变得较为明显(1%)，对于高电阻率电池(200cm)，则为 20V/s。据此，假设扫描完整个 I-V曲线需要电压发生 1V 的变化，那么对于低电阻率电池就需要至少 50ms 的时间才能避免产生瞬时误差。以表 1 中列出的单闪测试仪来看，大部分单闪测试仪都不具备如此宽的脉冲，只有 Berger Lichttechnik 公司的 PSS 32 型测试仪可以满足该测试要求。 采用恒电压多次闪光的方法也可以很好地解决这些问题 4。除了 Voc 是在开路下测得，不同闪光时保持电池偏压在不同的值，每次闪光取 I-V 曲线上的一个点，多次闪光之后由软件作
30、出 I-V 曲线。为了解决 SunPower 电池组件的测试问题，从美国引进了一台恒电压频闪测试仪。该测试仪采用图 2.8 中所示的指数衰减型光脉冲，从下降阶段起，该脉冲衰减可以近似用 exp(-t/)来表达。经过实际测试证明，测试结果接近标定值。这说明该光源衰减模式较好地避免了图 1（b）中瞬时电荷的影响。图 2.8 是采用 PC1D 模拟保持电池偏压恒定在Vmp 附近时采用该脉冲测试 SunPower A-300 电池的结果。图中的效率比值曲线第二章 太阳电池和组件测试23是由光脉冲每一点处测得的瞬时效率与电池在“稳态光源”情况下测得的效率的比对值。当比值大于 1 时表明瞬态测试值高于稳态
31、测试值，低于 1 时则相反。模拟结果证明了，采用该指数衰减型光脉冲的恒电压频闪测试仪也可以很好降低测量误差。图 2.8 采用指数衰减型光源测试 SunPower 电池组件精度市场上新近出现的大电容高效太阳电池，采用传统较窄脉冲的测试仪已不能满足测试要求。I-V 曲线的凹陷和瞬时误差导致的 I-V 曲线分离现象会给测试结果带来较大误差。采用宽脉冲单闪测试仪或频闪测试仪均可以解决问题。不过，由于单闪测试仪需要一个峰值输出达到几十千瓦甚至更高的光脉冲并持续几个上百个毫秒的时间，给设计、制作电路带来了一定困难。除此以外还需要为被测电池制作一个能在几个毫秒之内快速扫描出 I-V 曲线的高速电子负载。这两
32、个特点使国内外单闪测试仪价格居高不下。对于脉冲达到几十上百毫秒的测试仪，市场上还为数不多。相比而言，恒电压频闪测试仪没有这些特殊要求，结构可以设计得较为简单，而且能有效减小测试时的瞬时误差，因此价格上有非常大的竞争潜力。以本文所用测试仪为例，价格不及 Optosolar Sol 3333 的六分之一。因此可以预见，随着太阳电池性能的不断提高，低成本恒电压频闪测试仪（图 2.9）会逐渐成为市场的一个亮点。太阳电池、组件和户外光伏系统的测试研究24图 2.9 频闪测试仪（测电池）最后，作为光脉冲式组件测试仪，其本身参数水品都不高，用它们测出的组件参数的不确定度还要在稳态光源下标定。参考文献：1 h
33、ttp:/www.pv.unsw.edu.au/links/products/pc1d.asp2 Keith R.McIntosh,Michael J.Cudzinovic,et al, The choice of silicon wafer for the production of low-cost rear-contact solar cells. ,3 D. L. King, J. M. Gee, and B. R. Hanson. Measurement precautions for High-Resistivity Silicon Solar Cells, Proceedings
34、 20th, IEEE Photovoltaics Conference, pp. 555-559, 1988.4 William M. Keogh, Accurate Performance Measurement of Silicon Solar Cells,Ph.D.Thesis, Australian National University, 2001. http:/solar.anu.edu.au/pages/pdfs/2001_July_William_K eogh.pdf.第三章 户外光伏系统测试25第三章 户外光伏系统测试3.1 户外光伏系统测试原理太阳能室外测试可以评价电池组
35、件的实际发电性能，也可以作为系统诊断工具，其重要性日益增加。然而目前世界上能提供该类测试设备的厂商非常少1，2 ，设备种类也较为有限，价格昂贵，为使用和维护等带来诸多不便。前文已经对太阳电池组件的室内测试进行了描述。详细上，制约因素较多，氙灯光谱、温度、参考电池与被测电池的光谱匹配性，高速电子负载等都会带来误差 3-5。因此太阳模拟器只适合于太阳电池组件的室内测试与标定。相比而言，室外环境比较恶劣，太阳光谱光谱受大气折射、颗粒物、水汽等因素的影响而在不停变化，加上温度的变化，暴露于自然界的光伏电站的实际输出很难达到室内模拟器测量的功率，给评价其优劣带来一定困难，因此大多采用测量系统的实际发电量
36、和实际 I-V 曲线。前者可以看出不同组件受温度的影响，如果配以辐照计测量实际光谱，还可以研究电池组件的实际光谱响应能力；后者则可以监测到光伏组件某一时刻的实际最大输出功率，从而为并网发电的优化提供基本参考数据。图 3.1 室外光伏阵列测试系统示意图因此，室内测试方法在室外条件下不再适用。电容器充放电过程可以作为一个精确的可变负载，根据此原理可以将其尝试用于室外光伏阵列测试，图3.1 给出了据此作出的光伏阵列测试原理示意图。太阳光照射到光伏阵列上后，在开路情况下产生光生电压 U，此时如果闭合开关 K2，打开 K1，那么外电路就会导通，电容器 C 开始充电，直至电压与 U 相同。这个过程中电容器
37、两端电压太阳电池、组件和户外光伏系统的测试研究26从 0 上升到 U,电路电流从最大输出 Isc 到 0，电容器在这个电路中的作用相当于一个可变负载。如果把这个过程中的数据记录下来，那么就可以描绘出光伏阵列输出电流-电压的变化曲线。等到电容器充电完毕之后，打开开关 K2，闭合开关 K1，光伏阵列重新处于开路状态，电容器通过电阻 R 放电。3.2 测试系统研制3.2.1 测试系统设计为了解决这个问题，根据上述原理设计了一个初步能够实现此功能的测试系统控制图（图 3.2），包含如下几个模块：光伏阵列，电流、电压传感器阵列，数据采集卡、AC/DC 电源、计算机、固态继电器控制单元、电容器阵列等。图
38、3.2 测试系统控制图各部分功能分别是：户外光伏组件是实验对象；AC/DC 电源给固态继电器、传感器和数据采集卡供电；固态继电器同时控制传感器和电容器；数据采集卡实现模拟量到数字量的转换并与计算机进行数据传输；电容器阵列实现可变负载的功能。工作时，继电器开启电压和电流传感器，同步采集室外光伏组件的电流电压模拟量，通过数据采集卡转换成数字量，由组态软件通过计算机 I/O 接口储存在计算机数据库里。通过自行开发的程序可随时读取数据并生成电流-电压曲线。采集到预定时间后，继电器闭合传感器阵列，之后控制电容器放电，达到设定的时间间隔后进入下一个数据采集循环。3.2.2 硬件和软件配备电路设计完成之后，
39、下一步就是配备硬件和软件。本节内容集中叙述 3.2.1中所需要的几个模块：光伏阵列，电流、电压传感器阵列，数据采集卡、AC/DC第三章 户外光伏系统测试27电源、计算机、固态继电器控制单元、电容器阵列等的配备。（1）光伏阵列：由太阳电池组件组成，一般情况下太阳电池组件分为单晶硅、多晶硅和薄膜三种。单晶硅和多晶硅电池组件的电性能比较稳定，目前市场上大部分组件生产厂家都能保证 20-25 年后输出功率达到购买时的 80-85%以上。目前市场化的薄膜电池组件主要有 CIGS、CdTe、非晶硅等三种，CIGS 和 CdTe电池组件输出较为稳定，非晶硅电池组件衰减比较严重，一般出厂时 6-7%的组件，1
40、000 小时后效率衰减 10%，一年之后效率衰减过半。为了验证设备的稳定性，结合实际情况，选择德国西门子、美国 SunPower 两家公司生产的电池组件（表 3.1）。西门子生产的电池组件是普通单晶硅电池组件，SunPower 公司的组件比较有特色，所有电池的栅线均设计在电池背面，因此从正面看不到焊接涂锡带，因为没有栅线的遮光，所以电池效率也因此得到提高，单片电池效率达到 20%以上，见图 3.2。表 3.1 电池板功率测试结果光伏系统 1 光伏系统 2 对比电池板 西门子1#西门子2#西门子3#西门子4#合计 SunPower Sie/SpPmax (W) 43.85 44.07 44.03
41、 44.76 176.71 86.9 2.03Voc (V) 21.56 21.50 21.43 21.52 21.50 20.9 1.03Isc (A) 3.46 3.46 3.41 3.43 13.76 5.70 2.41Vpm (V) 13.77 13.77 13.76 13.77 13.77 17.4 0.79Ipm (A) 3.19 3.20 3.20 3.25 12.84 5.0 2.57FF 58.8% 59.2% 59.7% 60.6% 59.6% 72.9% 0.82(a)光伏系统 1 Siemens 组件 (b)光伏系统 2SunPower 组件Siemens SunPow
42、er太阳电池、组件和户外光伏系统的测试研究28(c) SunPower 电池正面 (d) SunPower 电池反面图 3.2 被测系统及 SunPower 电池设计时，Siemens 的四块电池板并联组成系统 1,SunPower 的单块电池板组成系统 2。那么系统 A 的最大输出电流 13.7A，最大输出电压 21.5V 左右；系统B 的最大输出电流和电压分别为 5.7A 和 21V 左右。（2）电容器选择：电容器的选择首先要考虑充电时间的长短。电容器的基本公式是 C=I*t/V (3.1)其中 C 代表电容，I 代表充电电流，t 代表充电时间，V 代表充电后电压。光伏阵列的 I-V 特性
43、曲线并非线形，电流在电压上升到 Vpm 之前变化较小，基本呈直线下降，Vpm 之后快速下降,电压变化趋势则刚好相反。充电时间的长短无法计算，尤其是弱光下充电电流较小，只有根据实际情况来摸索，最初假定1 秒钟的充电时间。保守起见，假设充电时电流大小为统最大输出电流，那么据此计算出系统 A 和 B 分别需要 0.64F 和 0.27F，根据电容器厂家能够提供的产品型号，选取 2 套 1F，70V 的电容器。实际上，根据设备完成后的测量与观察，电容器充电时达到电池板最大输出功率处(实际 Vpm,Ipm)的时间较短，但是在光强较弱的情况下则较长。另外和光伏阵列的输出电流有关，同一光伏阵列在光强较弱情况
44、下比在光强较强情况下充电时间长。因此，为了能够测量全天大部分时间段较为完整的 I-V 数据，不断地调整充电时间，最后设定为 15 秒。此时从早上 9 点钟左右至下午 4 点钟之前都可以测量出来。(3)传感器的选择：根据系统 1 与 2 的要求，选择市售 LEM LN28NP 传感器。和第三章 户外光伏系统测试29LV28P 电压传感器。传感器的基本数据如下：LA28-NP 电流传感器：测量范围：5A/6A/8A/12A/25A 可选精度： +-0.5%线性度：0.2%响应时间：1 微秒LV28-P 电压传感器：测量范围：10V500V精度： +-0.6%线性度：0.2%响应时间：40 微秒详细
45、的传感器资料见附录 4。 (4)数据采集卡：采用 PCI-8310 模拟量采集卡。PCI-8310 模入接口卡适用于提供了 PCI 总线插槽的 PC 系列微机，具有即插即用（PnP）的功能。其操作系统可选用目前流行的 Windows 系列、高稳定性的 Unix 等多种操作系统以及专业数据采集分析系统 LabVIEW 等软件环境。在硬件的安装上也非常简单，使用时只需将接口卡插入机内任何一个 PCI 总线插槽中并用螺丝固定，信号电缆从机箱外部直接接入。继电器和电源选择一般市售普通产品即可。(5)软件：采用市售 PC Auto3.6 组态软件。该软件可以实现数据的采集与存储，并具有设定采样时间和采样频率的功能，但是不能作出 I-V 图，为此开发了一个数据读取软件，实现作图功能。所开发的软件具有查询 I-V 曲线，功率-时间曲线等功能。图 3.3 是测试系统的照片。（a ）测试系统整体
