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聚光光伏技术抬头 PV标准修订刻不容缓

北极星太阳能光伏网  来源:新电子  作者:陈立闵  2011/8/15 14:40:18  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:高转换效率太阳能为大势所趋,相对为量测标准与相关测试设备带来极大的挑战,面对厂商在高转换效率太阳能电池技术的推陈出新,国际标准组织亦紧跟业者脚步,发布更新的量测及安全标准,以促进整体产业的蓬勃发展。

2004年德国高补贴政策掀起太阳能(Photovoltaic,PV)风潮,太阳能电池业者终于在半个世纪以上的蛰伏后,首次感受到春天的温暖。在各国疯狂投入且历经蓬勃发展后,在2009~2010年间,又因为供需失衡产生价格与技术的阴晴交替。2011年,德国政府终于因为再生能源安装比例过高而引发电网稳定性的疑虑,正式宣布停止太阳能的补助,也几乎宣告太阳能产业再一次的寒冬降临。

太阳能业者必须正视未来的挑战,是该改往还有补助的国家移动,还是必须再降低成本,或者开发转换率更高的技术?然随着一个国家的补助政策修订,成本降低也有限,发展转换率更高的技术似乎变成无补助时代的唯一途径。

高转换率太阳能电池为大势所趋

当太阳能产业随着产量、竞争及政策的摇摆而笼罩阴霾的同时,居于产量劣势的厂商,也积极发展更多新形式的太阳能电池;由于转换效率随着良率的增加有限,因此更高转换效率的元素搭配不同的结构,慢慢成为各研发团队努力的方向。

量子效率的理论与能量守恒定律,定义每种介面形式的光电转换效率极限,因此目前提高单位整体转换效率的方式主要为聚光以增加单位光强度而提高效率(图1),以及增加太阳光谱感应频段以增加太阳光利用率,亦有两者结合希望达到加乘效果的混合模式。理论需要实验证明,转换率直接与利润画上等号,为避免各说各话,转换率的验证成为这些新技术的毕业考,考试的公正性与普遍性,自然成为买卖双方争议的焦点。

图1聚光以提高光强度的示意图

把关品质效率验证至为关键

太阳能电池最直接的验证方法,即是把样品放到太阳下照射后量测数据。但太阳本身并非标准,随着地球与太阳的距离改变、太阳本身的黑子活动等因素,均使得太阳无法成为一个理想的稳定光源。此外,地球本身的阴晴、空气成分还有照射角度等,更会恶化太阳光的一致性,使得以户外太阳光作为考题成为一个便宜却完全不切实际的方案。

模拟太阳便成为唯一的有效方案,国际电工委员会(IEC)提出的IEC60904-9与ASTM的G159均制定所谓的标准光谱,以利于模拟光源的品质定义,IEC60904系列更成为模拟器制造业者奉为圭臬的标准。

针对未聚光的大面积太阳能电池(长宽在1公尺以上),为模拟均匀的太阳光,点状光源的模拟器大多要藉由拉长距离的多角度叠加系统以达到均匀性,然而上述两类新太阳能技术,在锱铢必较的新太阳能战场,并不适合直接以目前的平板电池太阳光模拟器进行测定,主因如下:

高聚光系统测试挑战重重

聚光倍率的提高,能够提高输入而达到提高输出的立竿见影效果,因此聚光倍率的提升也成为聚光型业者的努力目标。从通用的低聚光为五至十倍到高聚光二百至四百倍,德国业者倾向采用低聚光倍率,而美国业者倾向于高聚光倍率。然而高聚光倍率所带来的问题可不只是光学系统的问题,即使光学系统变得完美,高聚光带来的高照射能量也会造成危险,若因追日系统不够精准,偏移的光束能量几乎可将电池周围的电路或绝缘材料烧毁,因此追日系统的精度往往要达到±0.1度的范围。

即使追日系统精度能达到要求,高聚光系统还要面临更严苛的考验。若聚焦倍率高于三百倍以上时,对焦正确无误情况下,无法转换的光热能在长期的累积下,也可能直接将电池本体烧毁。

另一方面,高聚光的魔咒也笼罩电池研发与测试团队。由于目前并不存在于200~400光强度的直接光源可测试太阳能电池片,因此目前的转换效率的标定并无法直接进行,也必须透由聚光而达到提高受测区单位光强度的要求。然而聚光模组一般所接受到的阳光特性并不只是光强度的差别,还必须考量到光的直射特性。聚光模组的透镜所接受到的操作环境基本上是直射平行光,模拟光源多为点光源,因此在未达平行直射的情况就照射到聚光模组上,是不会产生与户外曝晒相同的测量结果。同时,聚光型的电池因降低制造成本与提高聚光倍率的考量,电池晶片将会做得更小,折射后如何能确定在不同大小的小面积上仍然能够保有一致性,且要在组装前进行测量,在组装业者的透镜并不一定存在的情况下,模拟器可能还必须模拟透镜折射后的光特性,因此显得困难重重。

另外,过去高聚光电池业者往往以瞬态(2毫秒的闪光速率)太阳光模拟器做为功率标定的设备,虽然可快速的产生I-V曲线,但却忽略光径折射的时差效应,即使能够将瞬态时间延长至10毫秒,也无法产生足够的累积热能而观察到电池片的热效应问题,因此产生高聚光系统虽具有高效率却无法使用的悲剧,因此除了瞬态模拟器以外,稳态模拟器更是高聚光太阳光电池业者的必需品。

多接面电池测试须面面俱到

由于元素的特性,目前并不存在单一接面(Junction)对太阳光达到全频谱响应的产品,因此目前增加感应频段就必须利用多接面的方式进行。利用不同接面的不同响应特性,达到分享全频谱光能的目标。然而光在通过每个接面时都会产生耗损,到达越下层接面的能量越低,在面临光电效应的截止电流要求下,也必须注意达到目标接面的光束是否还具备能够启动光电流的强度。另外,由于多接面的光电流为各个接面的总和,不同接面的品质都会影响到整体的效率,为了确保不同阶段与不同接面的品质分析,针对多接面太阳能电池还必须额外能够控制透射的频谱与穿透的深度,才能确认受测区的有效位置与有效响应。

摘录IEC60904-9如表1对于模拟器光谱与标准光谱差异的分级要求,即使是最高等级的A级也还存在有25%的辐照度差异,在多接面系统的多分段光谱响应情况下,25%的差异存在于哪一波段区将明显影响到功率标定的结果。因此,光源光谱符合性的再提高,将会是多接面太阳光模拟器另一项重要的挑战。

新标准制定马不停蹄

针对日益蓬勃、进步却获利率每况愈下的太阳光电池技术,高价的聚光与多接面的技术迟早将走出实验室而进入量产且降价的行列。国际标准组织意识到量测方法标准化的必要,才能促使新产业的健全发展,在现有的IECTC-82工作小组架构下,另外开展对于高转换效率电池的标定标准制定工作,启动聚光型太阳光电池的模拟器的规格标准化工作。目前IECTC-82关于高转换效率的工作与目标如表2。

预期在这些标准制定完成之后,能对聚光模组的转换效率与功能、安全等,均有充分而一致的定义。

弭平理论/实际鸿沟新型功率标定标准应运而生

由于太阳能并网与发电量和功率息息相关,提高功率与增加发电量是各个模组厂商的努力目标。原本在IEC61215与IEC61646内所订定的标准测试条件(STC)是在辐照度1,000W/m2与环境温度为摄氏25度的条件下进行功率的测定,然而在补助逐渐下降的压力下,由于符合如此条件的气候事实上并不常见,尤其是日照不足的情况明显,各国官方倾向认为这样的测试条件所标定出的功率有过高的嫌疑,因此着手修改补贴办法中所定义的功率标定方法。

加州能源委员会(CEC)是其中修改补贴办法的官方单位之一,有别于IEC的STC,CEC订定PTC(PVUSATestingCondition)与PTC/AC(alternateCurrent)作为补贴的参考功率标准。PTC的条件为1,000W/m2辐照度、20℃环境温度、每秒1公尺风速,PTC/AC更将直流对交流(DC-AC)逆变器(Inverter)的耗损纳入考虑,而以DC-AC转换后的功率当成最终补贴功率的参考依据。CEC同时宣称,在PTC的条件下所标定的功率往往低于STC的标定功率,甚至有低于10%功率的数据作为其政策更改的依据。

无独有偶地,除了功率标定条件受人争议外,各地环境造成的累积发电量亦成为检讨的项目。由于天气的不稳定,无论是PTC或者STC甚至是PTC/AC,都是过于理想的条件,也是属于事先垫付的概念,为减少财政支出的浪费,国际上逐渐出现以瓦时(发电量)取代原本的瓦(发电功率)作为补贴依据的概念,除可将事先垫付改为事后支付,也可减少气候不良造成的过度补贴,或是不良营运商倒闭而造成的公帑浪费风险,也能够减少因为过度安装而造成无法并网的电力问题。

在对现有效率标定标准的检讨风潮下,IEC继续着手修订关于功率标定的概念。IEC除了增列其他的功率标定条件,也制定量测发电能的标定方法。IEC在2011年1月公告太阳光模组的能源效率与功能特性测试的新标准:IEC61853的第一部,辐照度、温度特性与功率标定(Photovoltaicmoduleperformancetestingandenergyrating–Part1:Irradianceandtemperatureperformancemeasurementsandpowerrating)。该标准主要是定义在不同辐照度与温度下,对太阳光电模组的功率标定方法,同时定义所谓的各种不同辐照度与温度的标准标定条件。另外,IEC61853未来还有第二部、第三部与第四部,分别探讨不同变数下的标准标定条件与程序。IEC61853-2主要是针对入射角的影响,以及不同辐照度、环境温度与风速条件下的模组温度估算,还有光谱响应对发电功率的影响。IEC61853-3则是定义对模组产生能量(瓦时)的推算与标定。IEC61853-4则是定义用于标准能量标示的测量时段与气候条件。IEC61853各标准现状与预定公告时间如表3。

类似于CEC,在IEC61853-1中也增加其他标准测试条件的定义,如表4。

量测标准与时俱进

随着太阳光电池的技术进展,效率量测的技术能力也必须随着提升,从直射光到聚光,从单接面到多接面,除造成现有的量测标准必须修订以外,也挑战现有量测设备的极限。

在不久的未来,甚至已有业者号称要量产推出可挠式的太阳光电模组应用于更多样化的建筑用途,其势必将掀起另外一波的量测标准、设备与安全标准更新修订的浪潮。唯有不断更新量测设备与标准,并兼顾一致性与再现性,以及产品的安全性,才能够确保太阳光电的永续健全发展。

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