VIPV曲面组件的测试：方法与挑战

《Progress in Photovoltaics: Research and Applications》：Testing VIPV Curved Modules: Methods and Challenges

　　

车辆集成光伏（VIPV）为增加电动汽车续航提供了一条有前景的路径，然而其表征因曲面几何形状和非均匀辐照条件而面临挑战。本工作提出并验证了一套完整的曲面光伏组件表征方法。研究人员在一组具有不同曲率半径的一维圆柱组件以及一个商用二维曲面VIPV组件上进行了标准测试条件（STC）下的I–V曲线和相对角响应（RAR）测量。使用双轴可编程太阳跟踪器进行的户外测量与使用准直光太阳模拟器进行的室内测量进行了系统比较。结果表明，室内外STC I–V曲线具有极好的一致性，偏差低于1.5%，证实了准直太阳模拟用于评定曲面光伏组件额定值的适用性。本研究进一步分析了曲率、温度和散射辐照度对角度响应的影响，并提出了降低测量分散性的最佳实践。这些发现为未来VIPV表征程序的标准化提供了坚实的实验基础。

**《VIPV曲面组件的测试：方法与挑战》论文解读**

**研究背景与问题**

电动交通是减少交通领域CO₂排放的成熟解决方案。随着电动汽车的广泛普及，将光伏（PV）电池集成到车辆表面（如车顶、引擎盖、车门甚至车窗）的车辆集成光伏（VIPV）技术引起了广泛关注。VIPV每天可增加多达30公里的续航，延长电池寿命高达19%。然而，与标准平板光伏组件不同，VIPV组件受美学和空气动力学约束通常具有曲面形状，这导致其性能受到入射角空间变化引起的辐照度非均匀性影响。现有光伏表征标准（如IEC 60904系列、IEC 61853-1/2）仅针对平板设计，未涵盖曲面光伏的特殊性。国际电工委员会（IEC）已组建PT600工作组，旨在制定公平且科学严格的VIPV测试和额定值程序，并开展了国际循环比对（RR）活动。在此背景下，研究人员开展本研究，旨在系统探究曲面组件在标准测试条件（STC）下的户外最佳测量条件及其角性能，评估散射和反射辐照度及组件温度的影响，确定太阳跟踪器在不同纬度和日期下可实现的实际极限，并验证准直光太阳模拟器进行室内表征的可靠性。

**研究内容与结论**

研究人员提出并验证了一套完整的曲面光伏组件表征方法。该方法包括：在冬季晴朗寒冷天气下，将组件安装于双轴（方位角-高度角）太阳跟踪器上，利用热瞬态过程采集靠近STC的I–V数据，通过过滤（辐照度1000±50 W/m²，温度25°C±3°C）选取代表性曲线；同时，利用自主开发的准直光太阳模拟器（源于CPV用Helios 3198系统，光束发散角5.4 mrad，采用多闪模式）进行室内STC和不同入射角下的I–V测量。研究人员对三个一维（1D）圆柱形组件（曲率半径R=3 m、2 m、1 m，由AGG Energy制造，32片MWT电池串联，8串各带旁路二极管）和一个商用二维（2D）曲面组件（用于丰田普锐斯，8×7异质结硅电池串联，含多个旁路二极管）进行了系统测试。得出的主要结论是：室内外STC测量偏差低于1.5%，证实准直光模拟可准确评定曲面组件额定值；户外RAR测量受限于太阳位置和跟踪器机械限制，且不同跟踪器方位下散射辐照度不同，需明确扣除平面阵列散射并归一化到25°C；该研究提出了针对曲面光伏的最佳实践，为未来VIPV表征标准化提供了实验基础。

**关键技术方法**

本研究采用的核心技术方法包括：（1）**双轴太阳跟踪器户外测量系统**：使用指向精度0.1°的方位-高度角跟踪器，配备后侧温度探头和校准单晶硅参考电池，同步记录I–V曲线、平面阵列辐照度及气象站数据（直接法向辐照度、全局法向辐照度等）；（2）**准直光太阳模拟器室内表征**：基于IES-UPM开发的Helios 3198系统，采用2 m直径、6 m焦距抛物面准直器，光束发散角5.4 mrad，通过多闪模式（电压偏置恒定，每闪采集一点）获取完整I–V曲线，组件可安装于±60°旋转结构上改变入射角；（3）**数据处理与校正方法**：包括I–V曲线线性缩放到1000 W/m²、温度校正（依据IEC 60891）、以及平面阵列散射辐照度扣除（根据G_POA=B_n·cosα + D_POA）。样本来源：1D组件由AGG Energy制造；2D组件为商用丰田普锐斯VIPV组件。

**研究结果**

**3.1 测量程序描述**：通过冬季清晨低环境温度（<10°C）下启动测量，在组件热瞬态升温（10°C–50°C）过程中每30秒记录I–V曲线（扫描时间1秒），筛选辐照度1000±50 W/m²、温度25°C±3°C的数据点，选取最接近回归线的曲线作为STC代表曲线。对于2D组件，借助后侧四个热电偶监测温度均匀性（标准偏差<1.2°C）。

**3.2 测量与数据处理**：图2展示了1D组件连续三天室外数据的聚合结果，其中最大功率P_mp随温度升高而下降，STC筛选点位于瞬态区域中心附近。对于最弯曲组件（R=1 m），I_sc和P_mp随辐照度线性变化，温度影响明显，筛选后选择与回归线最接近的点。

**3.3 STC下的I–V曲线结果**：图4对比了室内外STC I–V曲线。1D组件的I–V曲线呈现四个台阶（因对称性，八串电流折叠为四组）；曲率越大台阶越明显。室内外I_sc和P_mp相对误差均低于1.5%（表1），确认准直光模拟器可准确测量曲面组件STC性能。

**4.1 相对角响应（RAR）**：定义了RAR(α)=P_mp(α)/P_mp(0°)，并指出对于曲面组件应优先基于最大功率点而非短路电流I_sc（因为电流限制串随入射角变化）。2D曲面组件的角响应为二维函数，通过经向平面（β角）和入射角α描述。

**4.2 户外测量程序**：通过程序控制跟踪器设定点（方位角?_T、倾角γ_T）可覆盖不同α，但受太阳位置和机械限制，可达入射角范围有限（图6、7）。不同跟踪器位置下散射辐照度差异显著：低倾角时主要受天空散射影响，高倾角时地面反射贡献增大。

**4.3 测量与数据处理**：对于1D组件，仅评估曲率方向（与方位扫描一致）；对于2D组件需进行两个方向的扫描。每个角度扫描约需15分钟，根据IEC 60891进行温度校正，并需扣除平面阵列散射分量D_POA（通过G_POA - B_n·cosα计算）。

**4.4 RAR表征结果**：图9显示1D组件的RAR：曲率使基于P_mp的角响应变窄（功率下降），但基于I_sc的响应在±45°范围内反而因电流分布变化而变宽。图10对比了室内外RAR，平均相对误差低于4%（表2），验证了户外方法的准确性。对于2D组件（图11），仅温度校正对色散改善有限；同时进行温度与散射校正后，色散显著降低，但在高入射角（70°）仍有绝对误差约0.05（相对误差30%），原因是散射辐照度并非空间均匀——参考电池位于较高位置，接收的地面反射分量少于位于低处的曲面组件。

**总结与结论部分**
本研究提出并评估了曲面光伏组件的额定值评定和表征方法。结论如下：
1. 准直光太阳模拟器室内STC测量与户外结果偏差小于1.5%，准直光可消除点源模拟器固有的余弦损失非均匀性，是可靠室内功率评定的必要条件。
2. 室内RAR测量可在模拟器内直接进行（旋转结构改变入射角），无需温度或散射校正；户外RAR测量则受限于可达入射角范围、散射辐照度的位置依赖性。
3. 应优先采用最大功率点RAR（RAR at P_mp）而非基于短路电流的传统IAM，因为曲率导致的串间电流失配和台阶状I–V曲线使I_sc无法可靠预测能量产出。
4. 户外测量时，曲面组件应安装于跟踪器上缘以最大化可见天空、减少寄生反射；仰角扫描应在低太阳仰角下进行以扩展可达入射角范围；跟踪器倾角应尽可能低，以保持散射辐照场各向同性。
5. 散射辐照度是户外RAR测量的主要不确定度来源，必须明确扣除。即使相同入射角，不同跟踪器倾角会改变散射/直接比率（高倾角增加地面反射分量），造成数据分散。按IEC 61853-2使用参考电池扣除平面阵列散射可显著降低分散，但残余误差源于散射辐照度空间非均匀的假设（参考电池接收的地面反射少于曲面组件）。未来标准可规定针对每个测量角维持整个组件孔径上的最小天空可视因子，以改善户外角响应测量的可重复性。