光伏組件相對溫度系數測試解決方案研究

摘 要：提出了1種光伏組件相對溫度系數測試解決方案（下文簡稱為“解決方案”），其采用集成了比例-積分-微分（PID）恒溫控制系統的脈沖式太陽模擬器；然后選取TOPCon雙面雙玻、HJT雙玻、背接觸（BC）單玻光伏組件對該解決方案進行了測試驗證。研究結果表明：1）該解決方案可以將溫度偏差控制在±1 ℃、在5～10 min內快速完成光伏組件溫度均勻性整定并進入精確測試過程；同時其采用已獲得專利的高效I-V測試方案，有效減少了由電容效應引起的瞬態誤差。各類光伏組件的測試結果表明，恒溫5～10 min與恒溫30 min的測試結果具有高度一致性，并表現出較高的穩定性和可重復性。該解決方案在溫度控制、測試精度和測試效率方面均具有顯著優勢。2）在測試雙面光伏組件單面工作時的相對溫度系數時，創新性地避免了對雙面光伏組件背面進行遮擋的測試需求，進一步提高了測試的便捷性和效率。研究結果為光伏組件的性能評估提供了更加高效和精準的測試方法，也為光伏測試設備的進一步發展和行業技術進步提供了新的視角和思路。

關鍵詞：相對溫度系數；光伏組件；太陽模擬器；PID恒溫控制系統；測試效率

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

在“雙碳”目標背景下，中國可再生能源應用總量大幅提升，以太陽能、風能等為代表的可再生能源的應用成為支撐中國應對氣候變化、落實“雙碳”目標的重要方式之一[1]。作為重要的可再生能源發電技術，光伏發電技術取得了快速發展，不斷創歷史新高。2023年，中國光伏發電新增裝機容量達216.88 GW，同比增長148.1%；累計裝機容量達609.5 GW，同比增長55.2%，約占全球光伏發電累計裝機容量的40%；光伏發電再次超越水電成為僅次于火電的第2大電源[2]。光伏行業的快速發展很大程度上得益于晶體硅太陽電池、薄膜太陽電池，以及鈣鈦礦、有機、疊層和異質結等新型太陽電池技術的進步。同時，隨著這些新型太陽電池技術的不斷涌現，對各類太陽電池的I-V特性、溫度系數、量子效率等性能參數的高效測試需求也急劇增加。

溫度系數是衡量太陽電池或光伏組件在不同溫度環境下電性能變化的關鍵參數[3]，可分為絕對溫度系數和相對溫度系數。絕對溫度系數描述了太陽電池或光伏組件的電性能（包括：開路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pmax等）隨溫度變化的絕對變化量；相對溫度系數描述了太陽電池或光伏組件的電性能隨溫度變化的百分比變化率。溫度系數為光伏組件制造商在材料優化和結構設計方面提供了重要參考，并廣泛應用于光伏發電系統的性能建模和發電量預測。

對于太陽模擬器而言，光伏組件的溫度系數以相對溫度系數為主要表征，其測試過程中仍面臨諸多挑戰和困難，主要包括：1）輻照穩定性。溫度系數測試要求太陽模擬器提供穩定的光照，光強波動對測試結果有較大影響，特別是在進行多個溫度點對比時。2）溫度的控制和均勻性。被測光伏組件溫度的控制和均勻性是確保準確測試的關鍵因素，光伏組件不同位置的溫度分布不均勻會導致測試參數數值的不一致，從而增加測試結果的不確定性。3）光伏組件的熱穩定性。在溫度變化過程中，光伏組件需要一定時間才能達到熱穩定狀態，然而過長的穩定時間不僅會延長測試周期，還會導致數據的不準確；過短的時間，光伏組件又難以達到熱穩定狀態。此外，光伏組件溫度系數測試還會受到光譜匹配度、測試精度、光伏組件封裝效應、光伏組件結構特性、操作環境條件、設備精度，以及計算方法等因素的影響，這些因素會導致測試結果的不確定性增大，同時也會對光伏組件生產線和實驗室的測試周期產生較大影響。為減少這些影響，獲得準確的測試結果，通常需要改進測試設備、采用標準化的測試流程，并盡可能優化測試條件。

綜上，本文通過對光伏組件的相對溫度系數測試方法進行深入探討，基于集成了比例-積分- 微分（PID）恒溫控制系統的脈沖式太陽模擬器，提出1種光伏組件相對溫度系數測試解決方案（下文簡稱為“解決方案”），從太陽模擬器設計、PID恒溫控制系統設計、光伏組件相對溫度系數測試3個方面對該解決方案進行詳細介紹，并采用不同類型的光伏組件進行測試驗證。

1" 太陽模擬器設計

本文提出的解決方案設計的太陽模擬器為脈沖式太陽模擬器，其結構主要包括光源系統、儲能系統、恒溫控制系統、I-V采集系統、電子負載和上位機系統，其結構原理和硬件架構示意圖如圖1所示。脈沖式太陽模擬器啟動時，上位機系統發出指令，儲能系統提供能量觸發光源系統工作，光源系統照射被測光伏組件，并由I-V采集系統收集被測光伏組件的性能數據，最終尋址交給上位機系統，完成數據的可視化。

本脈沖式太陽模擬器的輻照度長期不穩定性（LTI）小于0.2%，輻照空間不均勻性小于1%，光譜范圍為300～1700 nm，光譜匹配度為0.875～1.125，最大測試面積為2600 mm×1600 mm，可在100～1400 W/m2輻照度區間自由調整；采用1種已獲得專利的高效I-V測試方案，可在30 ms脈寬內完成光伏組件I-V特性的掃描。同時，該脈沖式太陽模擬器良好的輻照度長期不穩定性和輻照空間不均勻性降低了因光強波動帶來的測試不確定性。

2" PID恒溫控制系統設計

除了輻照度穩定性以外，光伏組件的溫度控制、溫度均勻性和熱穩定性也是當前光伏組件相對溫度系數測試中面臨的主要挑戰。

在進行相對溫度系數測試時，必須確保光伏組件表面溫度分布均勻，而局部溫差或環境溫度的劇烈波動會顯著影響測試結果的準確性。為解決這一問題，本文為脈沖式太陽模擬器設計了1種PID恒溫控制系統，由PID溫度控制算法和恒溫箱硬件構成。恒溫箱的溫度分區和硬件架構示意圖如圖2所示。

恒溫箱為全密閉裝置，其背光面為矩陣式加熱系統，被分為8個溫區，每個溫區有1個溫度探針（見圖2a）；溫度探針上集成了鉑電阻，被測光伏組件放置于溫度探針支架上方。此外，恒溫箱內部設有軸流風機，用于平衡整個恒溫箱內部的溫度，以確保內部溫度的均勻性。8個溫區采用PID溫度控制算法進行獨立或整體溫度控制，每個溫區的溫度整定到設定溫度并保持；恒溫箱內部通過軸流風機進行熱均勻控制，最終確保所有溫區的溫度一致。恒溫箱的受光面為透明高強度玻璃，可保證脈沖式太陽模擬器輻照面（即被測光伏組件所處的測試面）的光譜匹配度。

使用高精度光譜儀和脈沖式太陽模擬器，測試在不同輻照度下恒溫箱內外的光譜匹配等級、輻照空間不均勻性等級和輻照度長期不穩定性這3項指標，測試結果如表1所示。

本PID恒溫控制系統采用的PID溫度控制算法包括初始化、循環兩個流程，具體為：

1）初始化流程中，設定環境溫度的目標溫度Tset及PID控制器的比例增益Kp、積分增益Ki和微分增益Kd，并為積分項I和控制輸出u分別設定上限和下限，以防止積分飽和及輸出超限；控制循環以固定時間間隔?t執行，PID恒溫控制系統通過低通濾波平滑溫度測量值Tmea，以獲得濾波后的溫度Tfil。

2）計算控制誤差Er（即Tset與Tfil的差值），并采用前饋控制量F對環境溫度變化進行補償。PID控制器分別計算比例項P、積分項I和微分項D。為避免積分飽和，當“|Er|gt;1 ℃”時，凍結積分項I；否則根據|Er|和固定時間間隔?t累加積分項I，并將其限制在預設的范圍內。微分項D采用差分計算誤差的變化率，并通過濾波或限幅抑制高頻噪聲的干擾。控制輸出u由比例項P、積分項I、微分項D和前饋控制量F相加得到，其值需限制在控制輸出最小值umin和最大值umax之間（umin和umax由目標溫度Tset進行約束）。

3）根據控制輸出u調節加熱器或制冷設備的功率，同時更新誤差變量Per以供下1個循環使用。

通過積分抗飽和、前饋補償、濾波（或限幅）和自適應積分抗風up等機制，PID溫度控制算法可在外部擾動和環境變化的情況下保持良好的魯棒性和穩定性，在5～10 min內完成溫度均勻性的整定，確保本PID恒溫控制系統溫度偏差始終控制在1 ℃以內。此外，PID溫度控制算法的系統實時性高，適用于復雜工況或精密控制場景，并能夠顯著減少系統震蕩、超調或穩定時間過長的問題。

3" 光伏組件相對溫度系數測試

光伏組件相對溫度系數測試的內容主要包括短路電流相對溫度系數、開路電壓相對溫度系數、最大輸出功率相對溫度系數、內部串聯電阻Rs相對溫度系數的測定。其中內部串聯電阻相對溫度系數的測定對光伏組件I-V特性的影響較小，因此通常光伏組件相對溫度系數測試重點考慮短路電流、開路電壓和最大輸出功率的相對溫度系數的測定。

IEC 60891： 2021《Photovoltaic devices——Procedures for temperature and irradiance corrections to measured I-V characteristics》[4]和IEC 61215： 2021《Terrestrial photovoltaic （PV） modules——Design qualification and type approval——Part 1： Test requirements》[5]提供了光伏組件相對溫度系數的計算方法，具體如式（1）～式（3）所示。

（1）

（2）

（3）

式中：α、β、γ分別為光伏組件的短路電流相對溫度系數、開路電壓相對溫度系數、最大輸出功率相對溫度系數；Isc，25、Voc，25、Pmax，25分別為標準測試條件（STC，即太陽輻照度為1000 W/m2、環境溫度為25 ℃、AM1.5）下光伏組件的短路電流、開路電壓、最大輸出功率；?Isc、?Voc、?Pmax分別為短路電流、開路電壓、最大輸出功率在測試溫度區間內每隔5 ℃測試時的測試值變化量；?T為測試時光伏組件溫度的變化量。

本文提出的解決方案中：脈沖式太陽模擬器的等級滿足A+A+A+級標準；PID恒溫控制系統的性能優于IEC 61215： 2021中要求的高低溫環境箱性能，可實現內部空氣循環和溫度快速整定，可實現恒溫箱溫度在15～85 ℃的自動調節，并且溫度監控使用優于IEC 61215： 2021要求的溫度探針，測試精度為±1 ℃，重復度小于±0.5 ℃。

選取TOPCon雙面雙玻、HJT雙玻、背接觸（BC）單玻等不同類型的光伏組件，采用常規測試方法和本文提出的解決方案進行光伏組件相對溫度系數測試。常規測試方法是將恒溫箱內的環境溫度升至目標溫度并恒溫后打開恒溫箱，將被測光伏組件迅速安置在測試支架上，利用自然冷卻進行降溫，被測光伏組件的工作溫度每隔5 ℃測試1次其相對溫度系數（下文簡稱為“每5 ℃步進”）。此方法的弊端在于恒溫箱內外的溫差較大，導致其溫度變化不均勻，同時需要人工反復開合恒溫箱，難以精準控溫且增加了測試的不確定度。

由于電容效應可能會引入瞬態誤差，特別是在短路電流、開路電壓及動態I-V特性測試過程中，對于TOPCon雙面雙玻、HJT雙玻、BC單玻等高容性光伏組件精確測試的影響尤為顯著。因此在進行光伏組件相對溫度系數測試前，首先使用標定光伏組件將脈沖式太陽模擬器校準到STC下，然后對所有待測光伏組件進行容性判斷。以HJT雙玻光伏組件為例，其容性消除測試結果如表2所示。

從表2可以看出：當掃描脈沖寬度為30 ms時，HJT雙玻光伏組件的最大輸出功率差值為0.9197 W，為正掃結果的0.2%，為反掃結果的0.2%，整體偏差為0.1%。一般認為測試數據偏差小于等于0.5%即可認定接近真值，因此，本文設計的脈沖式太陽模擬器極大地消除了電容效應帶來的測試干擾。

在排除容性影響因素后，分別采用常規測試方法和本文提出的解決方案對HJT雙玻光伏組件進行不同輻照度、不同恒溫時間下的相對溫度系數對比測試。兩種測試均重復3次，前兩次測試均為恒溫30 min，第3次測試為恒溫5～10 min；測試溫度區間均設置為25～55 ℃，測試輻照度區間均為100～1100 W/m2。其中，本文提出的解決方案將被測光伏組件始終置于恒溫箱內，PID溫度控制算法為每5 ℃步進，無需人工操作。由上位機系統根據式（1）～式（3）對測試得到的數據進行最小二乘法擬合計算，擬合的線性置信度大于99.9%。兩種測試方法得到的HJT雙玻光伏組件相對溫度系數測試結果分別如表3、表4所示。

從表3和表4可以看出：

1）采用常規測試方法時，HJT雙玻光伏組件的短路電流相對溫度系數、開路電壓相對溫度系數及最大輸出功率相對溫度系數的一致性偏差最大值分別為0.009%、0.007%和0.022%。

2）采用本文提出的解決方案時，HJT雙玻光伏組件的短路電流相對溫度系數、開路電壓相對溫度系數及最大輸出功率相對溫度系數的一致性偏差最大值分別小于等于0.004%、小于等于0.003%和小于等于0.008%。需要說明的是，由于解決方案的全部計算和測試均由設備自動完成，因此對其結果采用限制性表述。

3）本文提出解決方案得到的測試結果均優于常規測試方法得到的測試結果，具有高度一致性，且表現出較高的穩定性。

采用本文提出的解決方案對TOPCon雙面雙玻光伏組件、BC單玻光伏組件進行不同輻照度、不同恒溫時間下的相對溫度系數對比測試，測試流程與設置和前面HJT雙玻光伏組件的測試完全一樣，得到的測試結果分別如表5、表6所示。

從表5、表6可以看出：采用本文提出的解決方案時，TOPCon雙面雙玻光伏組件的短路電流相對溫度系數、開路電壓相對溫度系數和最大輸出功率相對溫度系數的一致性偏差最大值分別小于等于0.004%、小于等于0.002%和小于等于0.003%。BC單玻光伏組件的短路電流相對溫度系數、開路電壓相對溫度系數和最大輸出功率相對溫度系數的一致性偏差最大值分別小于等于0.006%、小于等于0.002%和小于等于0.003%。第3次恒溫5～10 min完成的測試結果與前兩次恒溫30 min完成的測試結果基本一致。整體測試結果進一步驗證了本文提出解決方案的穩定性和可重復性，且顯著提高了測試效率。

此外，測試雙面類型光伏組件在其單面工作時的相對溫度系數，特別是評估其正面作為主發電面的性能參數（常用于對比雙面光伏組件與傳統單面光伏組件的性能）時，常規測試方法通常需要將光伏組件置于非高溫環境下，并對其背面進行遮擋，以避免背面光照引入額外電流。常用的遮擋方法是使用不透光且低反射率的材料完全遮擋光伏組件背面，并將遮擋材料緊貼背面以防漏光。然而，本文提出的解決方案無需遮擋雙面光伏組件的背面即可完成針對其單面相對溫度系數的測試。

以TOPCon雙面雙玻光伏組件為例，選取1塊該類光伏組件，使用黑色鋁箔覆蓋其背面進行遮擋（見圖3），然后采用本文提出的解決方案對遮擋前后的光伏組件相對溫度系數進行對比測試。測試為恒溫5～10 min，測試溫度區間設置為25～55 ℃，輻照度區間為100～1100 W/m2；PID溫度控制算法為每5 ℃步進。先對遮擋前的TOPCon雙面雙玻光伏組件進行1次完整測試，然后將其背面貼黑，再進行遮擋后的完整測試。由上位機系統根據式（1）～式（3）對測試得到的數據進行最小二乘法擬合計算，擬合的線性置信度大于99.9%，得到的測試結果如表7所示。

從表7可以看出：采用本文提出的解決方案時，在TOPCon雙面雙玻光伏組件背面遮擋前后，其短路電流相對溫度系數、開路電壓相對溫度系數和最大輸出功率相對溫度系數的一致性偏差最大值分別小于等于0.008%、小于等于0.013%和小于等于0.015%，可以認為測試結果具有一致性。

本實驗的實質是對PID恒溫控制系統的硬件架構暗箱條件進行驗證，相較于常規的遮擋測試方案，采用本文提出的解決方案可無遮擋進行雙面光伏組件在單面工作時的相對溫度系數測試，優化了測試流程，降低了人工操作引入的遮擋不完全、反復開關恒溫箱等多種不確定性產生的影響，提高了測試的便捷性和效率。

4" 結論

本文基于集成了PID恒溫控制系統的脈沖式太陽模擬器，提出了1種光伏組件相對溫度系數測試解決方案，并選取TOPCon雙面雙玻、HJT雙玻、BC單玻光伏組件對該解決方案進行了測試驗證，得到以下結論：

1）該解決方案可以將溫度偏差控制在±1 ℃、在5～10 min內快速完成光伏組件溫度均勻性整定并進入精確測試過程，成功解決了常規測試方法中存在的溫度分布不均勻、熱穩定性差等問題。同時其采用已獲得專利的高效I-V測試方案，有效減少了由電容效應引起的瞬態誤差。各類光伏組件的測試結果表明，恒溫5～10 min與恒溫30 min的測試結果具有高度一致性，并表現出較高的穩定性和可重復性。該解決方案在溫度控制、測試精度和測試效率方面均具有顯著優勢。

2）在測試雙面光伏組件單面工作時的相對溫度系數時，創新性地避免了對雙面光伏組件背面進行遮擋的測試需求，進一步提高了測試的便捷性和效率。

本研究不僅為光伏組件的性能評估提供了更加高效和精準的測試方法，也為光伏測試設備的進一步發展和行業技術進步提供了新的視角和思路。然而，未來的研究仍應關注不同類型光伏組件在極端環境條件下的性能表現，并繼續優化測試系統，以實現更高效、更精確的性能評估。

[參考文獻]

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[3] 王曉甌. 一種光伏組件溫度系數測量不確定度的計算方法[J]. 中國高新科技，2020（4）：33-36.

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[5] International Electrotechnical Commission （IEC）. Terrestrial photovoltaic （PV） modules——design qualification and type approval——part 1：test requirements：IEC 61215：2021[S/OL]. （2021-02-23）. https：//webstore.iec.ch/en/publication/68594.

RESEARCH ON SOLUTION FOR RELATIVE TEMPERATURE COEFFICIENT TEST OF PV MODULES

Feng Yunfeng，Zhang Hui，Feng Xiaoying，Zhang Hexian，Wang Shuiwei，Chen Xiao

（Gsolar Power Co.，Ltd，Xi'an 710018，China）

Abstract：This paper proposes a solution for the relative temperature coefficient test of PV modules （hereinafter referred to as the \"solution\"），which uses a pulse type solar simulator integrated with PID constant temperature control system. Then，TOPCon bifacial glass bifacial PV modules，HJT bifacial glass PV modules，and BC single-glass PV modules are selected to test and verify the solution. The research results show that：1） This solution can control the temperature deviation within ±1 ℃，quickly complete the temperature uniformity tuning of PV modules within 5～10 min，and enter the precise testing process. At the same time，it adopts an efficient I-V testing scheme that has been patented，effectively reduces transient errors caused by capacitance effects. The test results of various PV modules show a high degree of consistency between the 5～10 min constant temperature test and the 30 min constant temperature test，and demonstrate high stability and repeatability. This solution has significant advantages in temperature control，testing accuracy，and testing efficiency. 2） When testing the relative temperature coefficient of bifacial PV modules during single-sided operation，the innovative approach avoids the testing need for covering the back of the bifacial PV modules，further improving the convenience and efficiency of testing. The research results provide a more efficient and accurate testing method for the performance evaluation of PV modules，as well as new perspectives and ideas for the further development of PV testing equipment and industry technological progress.

Keywords：relative temperature coefficient；PV modules；solar simulator；PID constant temperature control system；test efficiency