倪健雄-基于公式法的双面发电组件测试标准和户外模拟研究-solarbe文库

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基于公式法的双面发电组件测试标准和户外模拟研究光伏材料与技术国家重点实验室英利 2020年 4月 23日倪健雄 2 研究背景 n-PERT PERCHJT 四种主流双面电池结构双面发电特性大幅降低光伏电站 LCOE, 双面发电组件已成为行业发展趋势 TOPcon 3 研究背景山西大同领跑者 50MW双面发电组件项目经纬度 40º03’N, 133º19’E 产品类型 YL285CG2530L-1  相比于常规 p型多晶组件，采用固定安装（距地高度 1m） n型双面组件光伏系统单瓦发电量平均高 11.54，月度最高增益可达 19.02。 4 研究基础正面直射光背面散射光背面地面反射后散射光安装高度安装角度背面反射光地面反射环境透射光双面发电组件宏观户外受光情况  组件实际发电时正面直射光、背面散射光为主；  组件透光部分存在一定的透射光。双面发电电池微观户外复合情况  电池实际发电时正背面吸收不同波长光线在正表面、背表面复合情况不同；  正背面吸收不同能量光线产生载流子迁移距离有所差异；  需要发开一种双面发电组件户外受光情况接近的双面发电组件电参数测试方法。 5 双面同步照射法测试流程 A. 单独正面光源闪光模式，使用标准组件标定正面光源辐照度； B. 单独背面光源闪光模式，使用标准组件标定背面光源辐照度； C. 双面闪光测试模式，采集待测双面组件 3条 IV曲线，并计算各条件下电性能参数。 6 正面光强补偿法 IEC60904-1-2 1.STC条件下正面校正模拟仪后，单独测试样品正背面电参数，然后计算三种双面系数 , 光强补偿系数取短路电流双面系数和功率双面系数中较小值测试步骤 2.按照公式（ 1）计算正面补偿光强，然后在背面遮挡情况下按照补偿光强测试得到综合双面组件电参数，其中背面光强分别取 GR1100 W⋅m–2 和 GR2200 W⋅m–2 7 公式法 1.STC条件下正面校正模拟仪后，分别单独测试样品正背面电参数，然后计算正面综合电参数 , 光强补偿系数取短路电流双面系数；测试步骤双面发电光伏组件电流增益率 R α-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。本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 2.给出下列公式分别进行计算，其中 BSTC测试条件正面直射光 1000W/m2、背面散射光 100W/m2, AM1.5光谱， 25℃ ； 8 公式法图双面发电组件二极管模型正面、背面的开路电压理论计算公式分别公式推导主要过程 9 公式法公式推导主要过程 10 公式法公式推导主要过程 11 公式法公式推导主要过程 12 不同测试方法比较类别等效光强法公式法双面辐照法户外测试法闪光方式单面闪光，光强＞ 1200W/m2 单面闪光上打光下打光 1000W/m 2±10 自然光背面光强 100W/m2.200W/m2 100W/m2 100-500W/m2 至少三种光强双面系数直线拟合斜率测试次数 3次测试 2次测试 1次测试长期测试值正面等效光强测试拟合双面打光性能直接测试双面打光性能不同背面辐照度下功率进行拟合优点操作简单操作简单，结果比较准确原理正确，测试准确参考实际情况缺点原理有争议，测试不精确拟合精度受背面性能影响配置新光源环境变化影响大，数据线性度不确定性高 minmaxf maxr scf P P,IIBiFi     scr sc sc rearfront IR I 13 不同测试方法比较组件类型 BiFi △VocPV △IscPV △PmaxPV △FFPV △VmPV △ImPV N单 -PERT-60 83.00 -0.032 -0.590 -0.875 -0.25 -0.420 -0.453 P单 -PERC-72 75.8 0.035 -0.092 -0.446 -0.374 -0.346 -0.012 P多 -PERC-60 78.7 -0.014 -0.459 -0.849 -0.378 -0.528 -0.323 N单 -PERT-半片 -60 83.9 0.008 0.047 -0.539 -0.593 -0.357 -0.183 P单 -PERC-72 81.0 -0.017 -0.319 -0.699 -0.363 -0.469 -0.231 100W/m2背面光强公式法和双面辐照法测试数据对比  采用不同类型双面发电组件对比测试发现公式法测试结果与双面辐照法测试同种类型产品数据偏差在 1以内，可以满足一般测试要求。 14 不同测试方法比较 100W/m2背面光强公式法和双面辐照法测试数据方差分析单因素方差分析 △VocPV 组观测数求和平均方差 -0.00023 27 -0.00325 -0.00012 9.99E-08 -0.00029 27 8.75E-05 3.24E-06 2.35E-07 △IscPV 方差分析差异源 SS df MS F P-value F crit 组间 2.06E-07 1 2.06E-07 1.229673 0.272573 4.026631 组内 8.72E-06 52 1.68E-07 总计 8.92E-06 53 组观测数求和平均方差 -0.00831 27 -0.20405 -0.00756 1.11E-05 -0.00819 27 -0.16665 -0.00617 2.24E-05 方差分析差异源 SS df MS F P-value F crit 组间 2.59E-05 1 2.59E-05 1.547251 0.21912 4.026631 组内 0.000871 52 1.67E-05 总计 0.000897 53 △FFPV 组观测数求和平均方差 0.000177 27 -0.08119 -0.00301 5.97E-06 -0.00236 27 -0.02048 -0.00076 6.01E-06 方差分析差异源 SS df MS F P-value F crit 组间 6.82E-05 1 6.82E-05 11.39223 0.001401 4.026631 组内 0.000312 52 5.99E-06 总计 0.00038 53 △VmPV 组观测数求和平均方差 -0.00421 27 -0.10682 -0.00396 2.35E-06 -0.00383 27 -0.01781 -0.00066 4.6E-06 方差分析差异源 SS df MS F P-value F crit 组间 0.000147 1 0.000147 42.21065 3.14E-08 4.026631 组内 0.000181 52 3.48E-06 总计 0.000328 53 15 不同测试方法比较 100W/m2背面光强公式法和双面辐照法测试数据方差分析单因素方差分析 △ ImPV 组观测数求和平均方差 -0.00411 27 -0.09751 -0.00361 1.64E-05 -0.00438 27 -0.14888 -0.00551 2.23E-05 △PmaxPV 方差分析差异源 SS df MS F P-value F crit 组间 4.89E-05 1 4.89E-05 2.529276 0.117813 4.026631 组内 0.001005 52 1.93E-05 总计 0.001053 53 组观测数求和平均方差 -0.00831 27 -0.20405 -0.00756 1.11E-05 -0.00819 27 -0.16665 -0.00617 2.24E-05 方差分析差异源 SS df MS F P-value F crit 组间 2.59E-05 1 2.59E-05 1.547251 0.21912 4.026631 组内 0.000871 52 1.67E-05 总计 0.000897 53  采用不同类型双面发电组件对比测试发现公式法测试结果其中 Isc， Voc， Im和 Pmax P0.05与双面辐照测试法测试结果一致性高； FF和 VmP0.05与双面辐照测试法测试结果，可能与测试过程和数据处理有关。 1616  公式表明短路电流比值的双面系数与背面光强成严格线性关系，但是填充因子由于电阻热效应，导致其余背面光强变化不是非常规律。其他类似研究结果也证明此结论。 BiFi线性度不同测试方法比较 1717 *Chris Deline. et.al. Evaluation and Field Assessment of Bifacial Photovoltaic Module Power Rating Methodologies . 43rd IEEE Portland, Oregon June 5–10, 2016.  根据 IEC 60904-3 中关于 STC定义明确指出采用反射率 0.21土地作为标准地面环境（此反射率为采用 SMART2光谱软件模拟计算），正面光强为 1000 Wm-2. 背面光强 100W/m2  模拟和实证双面发电单排安装情况下，在反射率 0.21标准环境下，安装高度在 1m时，背面辐照度满足 Class B要求，背面辐照度为 130-140W/m2. 1818 *Chris Deline. et.al. Assessment of Bifacial Photovoltaic Module Power Rating Methodologies –Inside and Out . 44rd IEEE PP991-6, 2017 背面光强 100W/m2  在此基础上模拟大型矩阵式双面光伏电站对于背面光强的影响，结果发现安装超过 10列以后背面光强基本保持不变，大概在 100W/m2。综上考虑 IEC6904-3规定标准条件，安装高度在 1m时双面发电组件背面光强均一性可以保持在 B级水平，同时考虑安装阵列对于背景光强影响，最终本标准选择背面光强为 100W/m2。 1919 *Clifford W. Hansen, et.al. Analysis of Irradiance Models for Bifacial PV Modules. 43rd IEEE 978-1-5090-2724-8/16, 2016.  根据 IEC 60904-3 中关于 STC定义明确指出采用反射率 0.21土地作为标准地面环境（此反射率为采用 SMART2光谱软件模拟计算），正面光强为 1000 Wm-2。  此条件下背面光谱虽然有部分红移现象，也满足 AM1.5光谱要求。背面光谱 AM1.5 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 1 6 0 0 2 0 0 0 2 4 0 0 2 8 0 0 3 2 0 0 3 6 0 0 4 0 0 0 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 W a v e l e n g t h [ n m ] N o r m a li se d S p e c t r a l I r r a d ia n ce [ a u ] A M 1 . 5 G a t f r o n t f a ce A M 1 . 5 G a t r e a r f a ce 2020 * Q. Gao1, C. Monokroussos1 . Presentation. Rear Face Spectral Irradiance at 1-Sun and Application to Bifacial Module Power Rating. 14th CSPV, 2018.  此外 TUV莱茵开展大量类似实际光谱研究工作。背面光谱 AM1.5 Measurement Conditions Site Cologne Date 15/08/2018 Time 1300, Solar Noon Air Mass AM1.2 Sky Condition Clear Skies Height 1.5m Model Parameters Air Mass AM1.2 GHI SMARTS 2.9.5 DNI SMARTS 2.9.5 Albedo Light Sandy Soil Height 1.5m  在安装高度 1.5m，通过软件模拟双面发电组件背面光谱发现组件背面光谱和正面光谱一致均满足 AM1.2 德国德隆 15/08/2018 1300 典型光谱 2121 * Q. Gao1, C. Monokroussos1 . Presentation. Rear Face Spectral Irradiance at 1-Sun and Application to Bifacial Module Power Rating. 14th CSPV, 2018.  此外 TUV莱茵进行了类似实际光谱研究工作。背面光谱 AM1.5 光谱反射率由一台光谱仪与两台辐照计测量。  综上考虑 IEC6904-3规定标准条件，安装高度在 1m时双面发电组件背面和正面光谱均在同一范围，故本标准中取背面光谱和正面保持一致为 AM1.5。 22 户外模拟现状 PVSyst 6.6.5 “Unlimited sheds 2D Module Irradiance reaching the ground Direct B Sky Diffuse A Ground Albedo View factor Sky Front RearC Rear Sky Diffuse D Direct Lossc Irradiance Rear Shading Bifaciality Global Irradiance Array Loss  由于模型中采用 Hay辐照模型，模拟结果主要受正面光照影响较大，低估双面发电量增益，特别是对于安装倾角 ≥60°测试偏差较大。 23 户外模拟现状 Boost Calculator Fraunhofer Solarword 其中 A为矩阵间距， H为安装高度  采用不同系统设计光学模型反推的经验公式，模拟结果主要受环境光不同组成变化较大，没有考虑组件电参数差异，无法体现不同类型组件模拟差异性。 24 户外模拟现状 MoBiDiG-Modeling of Bifacial Distributed Gain Konstanz  由于模型中简化了 J0对于 Vm和 FF的影响，仅考虑 Rs热损失变化，导致模型高辐照环境与实际测试结果很接近，在低辐照环境下模拟结果发电量明显偏低光学模型 Perez model with 1990 coefficients 25 户外模拟现状 BIGEYE “ Bifacial Gain Energy Year Evaluation” 光学模型 Perez model with 1990 coefficients  由于模型中采用双二极管模型，同时考虑热传导对于组件运行温度影响，同时采用 Perez辐照模型，可以减少高辐照和低辐照环境下模拟偏差，测试结果更加接近与测试值。 ECN TNO 26 总结  采用单二极管物理模型推导出双面发电组件综合电参数与正面测试电参数一系列公式，与双面辐照测试方法测试不同类型双面发电组件发现基于公式法的各项电参数与双面辐照法测试数据在组内偏差在 1以内，可以满足一般测试要求。考虑生产实际操作，建议双面发电组件批量生产时可采用公式法进行测试，但需要通过双面辐照法进行标定。  公式表明短路电流比值的双面系数与背面光强成严格线性关系，但是填充因子由于电阻热效应，导致其余背面光强变化不是非常规律。  比较不同机构关于双面发电组件户外发电量研究成果，定义 BSTC测试条件背面光强 100W/m2和背面光谱 AM1.5进行测试；  比较当前四种双面发电组件光伏系统发电量模拟基本原理，分析各自在光学模型、电学模型、运行温度等处理方式的差异，比较了各种模拟方法的优劣势。 27 27 Thank you for your attention