通过对聚光型光伏（CPV）模块进行户外测试来评估其转换效率。
由Fraunhofer ISE进行的CV性能评估包括了对Flatcon CPV模块进行性能确认，这种构想已经被用于室内，这项技术已得到Concentrix的授权许可，现在归Soitec公司所有。照片由Alexander Wekkeli授权。
GERALD SIEFER, MARC STEINER, ANDREAS W. BETT; Fraunhofer ISE
发电成本是衡量不同太阳能发电技术是否具有竞争力的关键性指标。然而为了对其进行比对，需要知道各种类型太阳能发电系统的组装成本及其产生电能的峰值功率，因此就必须要有一种方法来准确地确定各种类型太阳能电池系统的发电功率。
然而这并不是一件容易的事情，因为就业界生产的多结太阳能电池和硅基太阳能电池而言，二者在陆地上的安装方式是完全不相同的。硅基太阳能电池通常是安装在一个固定的位置上，而多结太阳能电池则是被安装在一个太阳光跟踪系统的某个精确位置上。这种太阳光跟踪系统能够随时追踪天空中太阳的方位，从而保证太阳光辐射从早到晚都能汇聚在电池芯片上。多结太阳能电池通常能将太阳光强度增加数百倍，其对于入射太阳光的接收角最多只有几度，有时可能只有0.5度。
评估这种技术性能的一个具有吸引力的方法，是选择采用CPV模块的室内太阳光模拟器设计。采用这种方法，甚至在没有太阳照射的情况下也能进行测试，同时也不需要让测试时的光谱条件与参照条件相匹配。然而，这种室内太阳光模拟器才刚刚开始出现，仍然处于研发阶段中。
所以，现在对CPV模块的大部分性能评估工作还都是在室外进行，我们所采用的是德国Freiburg的Fraunhofer太阳能研究所的方法，即采用了一个叠加了单结太阳能电池特征的系统来分析三结太阳能电池的性能。
配置在我们太阳光跟踪系统上的模块包括有一个我们自制的Flatcon CPV模块（我们的Flatcon技术由Concentrix，即现在的Soitec公司所授权使用，但是我们仍然只安装了小尺寸的CPV模块）。这种PV模块的特征是：它是一个具有Ga0.50In0.50P/Ga0.99In0.01As/Ge 晶格匹配的三结太阳能电池，包含有52个在玻璃上用硅胶材料制成的菲涅尔透镜单元对，具有832 cm² 的开口孔径面积。
图1：位于Fraunhofer 太阳能研究所屋顶上的太阳光跟踪装置。利用各种气象传感器可使CPV模块在 ±0.1°的精度范围来连续跟踪太阳光的入射角度。
对安装在太阳光跟踪装置上的CPV模块进行表征，每几分钟就对其进行发电IV曲线的测量。此外，还需要监测当时的气象条件，包括环境温度、风速、气压和湿度等，另外还要监测太阳光整体的垂直日照（GNI）和直接的垂直日照（DNI）强度，这些是通过安装在太阳跟踪器上的日照强度计（pyranometer）和直接日照强度计（pyrheliometer）进行测量后得到的。
通过测量DNI可以得到模块的转换效率，因为这与CPV模块用来发电的太阳光辐射强度相关。如果也知道GNI的话，可以通过计算DNI/GNI的比率就可以了解天空的清澈程度。
同时我们也可以用安装在跟踪系统上的摄像机进行拍照来确定天空的清澈度，这将能提供有关云层覆盖等非常有价值的信息。当云层位于太阳的边缘时，会影响到系统的跟踪性能，比方说它会干扰用来跟踪太阳位置传感器的工作状态。
对于多结太阳能电池结构来说，其中的各个子电池是以串联的方式相连接。这种结构上的缺点使得整个电池叠层所产生的电流会受到低电流子电池的限制。由于每个子电池吸收的是不同频谱的太阳光，因而其光敏感性比单结太阳能电池要高。然而，其电力产出在一年各季节上的变化却是与平板型光伏电池相似的。
太阳光的频谱分布可以采用光谱仪或使用基于测量大气参数的模型，例如气溶胶光学厚度等模型通过直接测量来得到。然而，如果希望能够直接估算太阳光谱对多结太阳能电池电流输出的影响，可以通过采用基于所谓的部件太阳能电池（也被称作是同质isotope太阳能电池）的简单方法，即它们具有与多结太阳能电池相同的结构，却只含有一个有源p-n结。
使用这种部件电池的一大优点是可以测试某个特定子电池的电流，却不会影响其它子电池所产生的电流，因为它们在电学上并没有激活。我们将这种类型的测量装置固定在太阳光跟踪系统中，使用了商用的“黑色光子”（Black Photon）传感器组件，该传感器组件包含有三个单元电池，对应于晶格匹配的三结太阳能电池中的三个子电池。
真实数据
我们对Flatcon CPV模块进行了一年多的数据记录，从中获得了10,000多条I-V曲线。这让我们了解到模块在转换效率上的变化与平板型太阳能电池是相似的（见图2）。要注意图中的转换效率是基于所测量的模块在太阳光直接垂直入射下的输出功率，并没有对直接的垂直辐射（DNI）强度、温度、风速和光谱状况等进行数据拟合。
图2: (a) 照片显示了在Fraunhofer ISE屋顶上的太阳光追踪装置安装了Flatcon CPV模块，该CPV模块在室外条件下进行了一年多的测量。 (b) 测量得到的CPV模块转换效率的分布，测量获得了10,000多条IV曲线。
对PV模块的测量评级必须要符合国际标准。对于CPV而言，其标准测量条件是2013年公布的IEC 62670-1规范。这个文件包含有两种类型的标准条件：聚光型标准工作条件（CSOC）和聚光型标准测试条件（CSTC）。表1总结了与直接垂直辐射（DNI）、温度、风速和太阳光频谱分布等相关的要求。
CSTC条件是在实验室控制条件下对CPV模块（以及CPV电池）进行室内测量的相关条件，而CSOC则与CPV模块进行室外测量的有关条件。因而对于CSTC而言，定义风速是没有意义的，因为风速主要是对温度稳定在25℃的PV电池会有测量影响。
表1：IEC 62670-1所规定的CPV标准测试条件
尽管已经有了CPV器件测量评级条件的规范，但是对于IEC 62670-1的文件方面还有大量的工作需要开展。为了能在这些条件下进行实际的评级测量程序，当前的工作还涉及到对其的定义问题。国际电工委员会的第82技术委员会第7工作组（IEC TC82 WG7）正在进行讨论，其中我们与CPV行业以及其它研究机构的同事一起合作来开发对于CPV的国际标准。IEC TC82 WG7现在正在起草IEC 62670-3标准，它将会更新CPV评级测量的程序。
对我们的模块测量数据进行筛选后就可以确定CSOC条件下的模块转换效率，这样可以比较容易地排除掉环境温度、风速和DNI的影响，因为这些参数都与测量的结果直接相关。更为复杂的是要考虑到太阳光照射在模块上时会在光谱分布上产生变化。然而，通过使用我们的“黑色光子（Black Photon）”系统中的单元电池的测量可以解决这一问题。通过吸收不同波长范围的光，三个电池中的每一个子电池都能够产生电流，因此其电流强度就可以用来表征太阳光在不同波长范围中的相对强度。
图3: (a) 当多结太阳能电池处于室外测试的条件下，入射到PV器件上太阳光频谱的变化会影响到它的发电性能。通过试验并考虑这种因素后，Fraunhofer ISE科学家们采用了几个具有不同吸收波长曲线的单结电池来模拟太阳光的频谱分布。(b) 在筛除了由IEC 62670-1(见表1)所规范的聚光标准工作条件(CSOS)之后，由图2可以得到转换效率值的分布。请注意该数据已经筛除了直接垂直辐射DNI、环境温度、风速以及光谱条件等条件的影响，可以得到其额定转换效率值为31.6%，其标准偏差（绝对值）为0.4%。
在标准测试条件下，将测量到的单元电池的电流与器件的总电流进行区分，从而可以计算出与三个子电池相关联的三个太阳光频谱波段的有效辐射。在采用单元电池作为传感器进行测量的基础上，可以将太阳光的频谱得以参数化，运用所有的这些标准得到的平均额定模块效率为31.6%，其标准差为0.4%，这个结果已经去除了DNI、环境温度、风速和频谱分布等条件的影响。我们发现有必要对频谱条件进行更为严格的数据筛选，以降低它对额定效率不确定性的影响。与此同时，至少对于这种PV模块来说，模块效率对其它环境参数的依赖将会小很多。
令人值得注意的是，在进行参数筛选之后，10,000次测量中只有364次的测量数据可得以保留，这是因为在大多数日子中的大多数测量次数当中，实际天气状况都不能与标准条件相符合，此时的测量数据就必须给予去除。
然而，花上一年的时间来对某一特定模块进行不定期的深入测量和研究还是有必要的，CPV产业确实需要更为快速的方法来确定PV模块的额定输出功率。下述问题都已成为IEC TC82 WG7工作组的考虑范围，即需要对测量数据进行观察，考虑对测量数据的筛选范围以及对数据的评估处理等。该工作组的工作还包括有：为了能更好地解决这些问题，它发起了一项有关CPV模块效率测量的国际循环赛，这个比赛将通过在不同的地点使用不同的设备来对Soitec公司的某些CPV模块进行测量。在这个循环赛活动中所收集到的数据将会应用到IEC TC82 WG7的工作中，用于测量和评估现还处于讨论中的不同数据回归方法。这种具有可靠的额定功率效率测量方法的CPV模块评估程序将会在不久的将来成为可行，而且它将还会证明，与现有技术相比，CPV系统在发电成本方面将会具有越来越强的竞争力。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/201501/18/201615.html
