便携式IV测试仪及太阳模拟器IV测试仪

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光伏电站的质量问题由来已久,几年前,一家权威认证机构对国内已经在运行的多座大型晶硅组件光伏电站进行了质量检测,调查发现光伏组件普遍存在各种质量问题,如热斑、隐裂和功率衰减等,对电站的发电量、KPI指标、电站收益及日常运行维护带来严重影响。

电站建成后,随着时间的推移,组件本身首年光致衰减及逐年衰减率和其他衰减因素都客观存在、不可避免,因此实际的装机容量会逐年减少,那么基于原始装机容量进行理论发电量或理论功率输出计算的发电性能指标如PR、CPR和EPI等,其中包含的光伏电池板自身损耗部分会逐年增加,所以及时发现光伏组件出现的问题就显得尤为重要。本文就介绍一下如何通过户外IV曲线测试仪快速对电站进行诊断,以及太阳模拟器的IV测试仪对电池组件工艺的诊断分析。

1. 便携式I-V测试仪分类与测试原理 

据调研目前市场上常用的便携式I-V测试仪主要有可变电子负载式和动态电容式两种,如图2和图3所示,可变电子负载式是仪器自身内置了电子负载,当电阻从0变到无穷大的时候,仪器通过采集上百个负载点所对应的工作电流和工作电压值来构成整条I-V曲线,并通过算法寻找到最大功率点。  

电容式I-V测试仪以充电式动态电容作为光伏组件的动态负载,实际测试时,光伏组件因有光生电流对电容充电,电容在开始充电时,阻抗很低几乎为零,充电回路相当于短路,当充电结束,阻抗非常高,充电回路相当于开路,那么在电容的充电过程中,电容的阻抗从0变到无穷大,相当于光伏组件或阵列的负载电阻从0变化到无穷大,然后对电压电流进行采样,这些采样点构成了光伏组件的I-V特性曲线。  

和可变电子负载式相比,动态电容式测试方法的优点是虽然测试速度较快,精度较高,但需要复杂的控制电路,而对于阵列型的I-V测试仪,就需要比较大的电容器,那么体积和重量就会增加,所以带到户外进行测试会比较笨重。  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 太阳辐照数据采集介绍  

便携式I-V测试仪在测试过程中需要对实时的辐照数据进行采集,辐照采集目前常用的仪器是总辐射表,它分为热电型(ThermopilePyranometers)和光电型(SiliconPyranometers)两种,如图4所示为热电型,图5为光电型。

    

             图4                                                                                图5

热电型一般为两层玻璃罩结构,由玻璃罩下黑色感应面与内部的热电堆等感应器件组成。一般感应元件表面涂有高吸收率的黑色涂层,感应元件的热接点在感应面上,而冷接点位于仪器的机体内,双层石英玻璃罩结构的作用是防止热接点单方向通过玻璃罩与环境进行热交换,提高测量精度。  

同时为了避免太阳辐射对冷接点的影响,增加了一个白色防辐射盘用来反射阳光的热辐射。它的原理很简单,当太阳辐射透过玻璃罩到达热电表感应面时,冷热结点会产生温差,由此产生温差电动势,将光信号转换为电信号输出,那么这个输出信号与感应面上所接收到的太阳辐照度成正比(在线性误差范围内),根据毫伏表或电位差计测出的热电势就可以进行读数。  

目前光电型辐照计一般使用标准太阳电池(Referencecells)作为辐照度传感器件,它的原理是利用其短路电流与投射在电池片上的太阳辐照度的线性关系来测定太阳辐照度,分为电压输出型和电流输出型两种,对于电流输出型,一般可在电路设计上增加小的负载电阻,通过测量负载电阻之间的电压来间接得到短路电流。

当前我国的太阳辐射观测网所选用的总辐射表大部分都是热电型,热电型总辐射表的光谱范围较宽,一般大致为太阳全谱段的280nm至3000nm(参考图6),响应时间一般小于60s,价格较高。而光电型总辐射表的光谱范围大致为400nm至1100nm,响应时间一般小于10μs,其光谱响应范围与太阳能电池板的工作光谱范围十分接近,且主要特点是其响应时间快、价格低廉。因此光电表的光谱选择性完全取决于其自身的光电感应器件硅光电二极管(含标准电池),具有一定的光谱选择特性,而热电表中的热电堆,属于中性宽带感应器件,并没有明显的光谱选择性。

图6光谱响应曲线(蓝色:太阳辐射光谱绿色:晶硅电池片的光谱响应红色:热电表的光谱响应)  

表1为两者的特点对比,其中温度特性是环境温度发生改变后,表的灵敏度所发生的变化。光电表一般都没有温度补偿电路,因此需要在实际使用中确定光电表观测数据的温度系数进行补偿。由于在测量过程中的温度变化引入的测量偏差较大,热电型则拥有质量更高的玻璃罩,对温度变化所做的温度修正精度也更高。

表1两种辐射表的特点对比

一般来说,热电型总辐射表主要用来测量水平面太阳总辐射,也可用来测量入射到方阵斜面上的太阳总辐射,因此在评价电站的PR能效比和EPI一般采用热电表来计量方阵斜面总辐射量(POA),而由于光电表的光谱响应和电池的光谱响应较为接近,所以光伏组件或方阵的实时输出功率测试可使用光电表。

但是电池片型光电表也存在一些问题,如电池片的衰减特性、易受环境污染和温度影响、余弦误差和方向误差偏高、校准难度大、以及测量精度和电池片封装玻璃的透射率都有关系等,特别是光电表的温度修正、余弦误差和方位误差的测量和控制在校准的时候需要注意的。

3. 太阳模拟器用IV测试仪 

电性能参数:

1、开路电压

受光照的太阳电池处于开路状态,光生载流子只能积累与pn结两侧产生光生电动势,这是在太阳电池两端测得的电势差叫作开路电压,用符号Voc表示。

扩散均匀性的好坏影响着开路电压;温度也影响着开路电压,一般每降低1℃,开压升高约2mV(环境温度保持在23-27℃)。

2、短路电流

把太阳电池从外部短路,测得的最大电流,称为短路电流,用符号Isc表示。实际器件中,由于存在着体内复合和表面复合,所得的光生电流小于理想值。此外,短路电流还与材料性能、器件制备工艺密切相关。

短路电流的主要影响因素是扩散和丝印烧结:

(1)一般来讲,扩散的方阻低,烧结温度低的话,短路电流会越小;

(2)印刷栅线不好也影响短路电流,印刷的栅线越粗短路电流越低。

3、串联电阻

影响串阻的主要因素有:扩散、丝印、烧结、测试

如果串阻偏大,可能是扩散的方阻大,在丝印方面可能是浆料被污染;分选机的探针磨损也会有影响。至于烧结温度,还要参考漏电流的大小:

(1)若串阻高,漏电流大,可能是烧结炉的温度高;

(2)若串阻高,漏电流低,则可能是烧结炉的温度低。

4、漏电流

漏电流的影响因素主要是清洗、刻蚀、扩散、丝印烧结、测试分选。如果漏电流大可能是下列情况:

(1)绒面大,片子本身质量不好;

(2)过刻和未刻都会导致漏电大;

(3)电池片正面被污染,边缘漏浆;

(4)烧结温度过高;

(5)测试分选时被击穿。

5、填充因子

太阳电池的另一个重要参数是填充因子FF,它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比:

FF是衡量太阳电池输出特性的重要指标,太阳电池的工作电流和电压随着负载电阻的变化而变化,将不同阻值所对应的工作电压和电流值作成曲线就得到太阳电池的伏安特性曲线,如图所示

FF是代表太阳电池在带最佳负载时,能输出的最大功率的特性,其值越大表示太阳电池的输出功率越大,FF的值始终小于1。影响FF的因素很多,串联电阻,并联电阻对FF有直接影响。一般的规律是:串阻越大,FF越小;并阻越小,FF越小。光照对填充因子也有影响。在其他因数基本相同的情况下,在一定范围内随着光强(E)的减小,填充因子相应增加。

Uoc、Isc偏低

  a)Voc、Isc偏低,Rs、FF正常,考虑来料异常;

  b)查看生产流程单确认扩散方块电阻和少子寿命无异常;

  c)浆料污染会导致Isc偏低,Voc变化不大,同时FF会降低,Rsh会很小。

Rs与Rsh的异常关系

  a)Rs小,Rsh大,正常现象;

  b)Rs偏大,Rsh正常,升高温度;

  c)Rs正常,Rsh偏小,漏电严重;

  d)Rs偏大,Rsh偏小,考虑浆料是否污染或者烧穿。

Rs偏高、FF偏低

  a)烧结温度不足,可以适当的升高烧结温度;

  b)烘干温度过高,可适当的降低烘干温度;

  c)测试台探针压片不准、接触不好或者探针使用时间过久需更换。

Isc下降、Rs减小、Ncell下降

  此现象最常见在网版的使用寿命到上限或者网版的张力下降;主要原因是栅线的宽度增大导致遮光面积的增大Isc下降,横向电阻的减小Rs减小,导致效率有一定的降低。

       (1)Voc较低,可检查测试温度是否较高,EL测试暗纹是否明显等方法快速解决问题;

  (2)Isc较低,可查看扩散方块电阻不均匀性是否较大,少子寿命是否较低,检查正面栅线线宽拓展是否较大,印刷质量是否良好,EL测试暗纹是否明显,电池表面有无沾污,各道台面纸有无沾污,工艺卫生是否达标;

  (3)Rs较大或者FF较低时,可着重于烧结炉排查,通过拉温对比线间差异,一般而言,Rs较大时可升高烧结区温度或降低烘干区温度,FF较低时可升高八、九区温度;

  (4)Rsh较低时可适当降低烧结炉温度;

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另附户外IV测试仪的分析思维导图如下,

 

2020年5月12日 09:18
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