光伏电站晶硅组件如何检测与分析？

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，而且实际装机容量的不确定性将对次年各个电站的计划发电量的制定带来一定影响。

因此文中基于现实存在的客观情况，着重探讨已并网电站的户外组件电性能测试及功率修正方法、组件热斑现象和原因分析以及晶硅组件PID功率衰减的快速甄别方法，由于篇幅有限，其他质量问题的检测将另起他文探讨。通过相关的测试和分析手段，可对自有电站的实际情况有清楚的了解，如组件的衰减情况、热斑组件的分布比例及是否存在PID组件等等。

一、组件（方阵）I-V测试及功率修正方法

笔者曾在某西部多家地面电站进行考察，发现在某一随机时段各个逆变器的发电量存在较大差异。如图1所示，通过对电站逐级逐段分析，排除了逆变器本身及对应方阵故障、设备停机等因素，发现电量差异的主要来源为各个组串工作电流的波动性，整体离散率较高，有的甚至超过20%。

逆变器发电量的差异和组件的功率输出情况有密切关联，因此有必要从汇流箱侧去查找低功率的组串或组件，一般的，户外组件或方阵组串的电性能测试使用便携式I-V测试仪，本部分首先介绍便携I-V测试仪的原理、配套辐照度计量仪的类型和特点，接着介绍现场组件功率测试的一次修正和二次修正方法。

图1 某地面电站某一时段各个逆变器的发电对比

1.1 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。

图2 可变电子负载式

图3 动态电容式

1.2 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(Thermopile Pyranometers)和光电型(Silicon Pyranometers)两种，如图4所示为热电型，图5为光电型。

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硅光电二极管传感器，也有使用标准太阳电池(Reference cells)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。

图4 热电表(热电堆型)

图5 光电型辐照计(晶硅电池片式)

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3000 nm(参考图6，来源于荷兰Kipp&Zonen公司)，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。

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。

表1 两种辐射表的特点对比