陳 迪，姜飛飛，楊 磊，劉海濤

(1. 中國合格評定國家認(rèn)可委員會，北京 100062; 2. 中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190)

0 引 言

標(biāo)準(zhǔn)太陽電池能夠測量自然陽光輻照度和太陽模擬光源輻照度，是準(zhǔn)確評估光伏電池和光伏組件發(fā)電性能的重要工具。光伏器件進(jìn)行發(fā)電性能測試需要修正到標(biāo)準(zhǔn)測試條件（standard test conditions，STC），即輻照度 1 000 W/m2，溫度 25 ℃，AM1.5 標(biāo)準(zhǔn)光譜分布[1]，標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的標(biāo)定值（calibration value, CV）是確定太陽輻照度的關(guān)鍵參數(shù)。

ISO/IEC 17025中提出了對實驗室計量溯源性的要求，計量溯源性是確保測量結(jié)果在國內(nèi)和國際上可比性的重要概念，實驗室應(yīng)通過形成文件的不間斷的校準(zhǔn)鏈將測量結(jié)果與適當(dāng)?shù)膮⒖紝ο笙嚓P(guān)聯(lián)，建立并保持測量結(jié)果的計量溯源性，通過一定的方式確保測量結(jié)果溯源至國際單位制(SI)[2]。因此任意光伏器件進(jìn)行發(fā)電性能測試，均需建立完整的光伏計量溯源體系。圖1為太陽輻照度測量過程中的量值溯源與傳遞體系，根據(jù)太陽電池在量傳體系中的位置可以將標(biāo)準(zhǔn)太陽電池依次分為3類：一級標(biāo)準(zhǔn)太陽電池、二級標(biāo)準(zhǔn)太陽電池、工作級標(biāo)準(zhǔn)太陽電池[3]。其中一級標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的標(biāo)定值以溯源至SI國際單位制的世界輻射基準(zhǔn)、低溫陷阱探測器或標(biāo)準(zhǔn)燈為基準(zhǔn)。

圖1 太陽輻照測量過程中的計量溯源與傳遞體系

標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的標(biāo)定值CV是其在STC條件下的短路電流[4]，標(biāo)準(zhǔn)太陽電池一級標(biāo)定方法主要包括戶外標(biāo)定法和室內(nèi)標(biāo)定法，戶外標(biāo)定法包括總輻照度標(biāo)定和直接輻照度標(biāo)定，室內(nèi)標(biāo)定法包括差分光譜響應(yīng)度和太陽模擬器法。戶外標(biāo)定方法是在自然陽光和實際應(yīng)用環(huán)境下進(jìn)行的，太陽光光譜分布能夠更接近AM1.5的光譜分布，為電池發(fā)電性能采集提供長時間穩(wěn)定、均勻的輻照，能滿足具有寬光譜響應(yīng)特性和高容性太陽電池的標(biāo)定需求[5]。

近些年，國內(nèi)外光伏檢測機(jī)構(gòu)對標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的一級標(biāo)定進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[6-7]主要采用戶外直接輻照度標(biāo)定法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)太陽電池一級標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)太陽電池需要安裝在準(zhǔn)直筒下，對電池的受光角度進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[8]對戶外直接輻照度標(biāo)定法的不確定度進(jìn)行了分析，并利用該方法參與了世界上首次標(biāo)準(zhǔn)太陽電池一級校準(zhǔn)實驗室能力驗證，驗證結(jié)果為滿意[9]。

戶外直接輻照度標(biāo)定法需要根據(jù)太陽輻照條件和標(biāo)準(zhǔn)電池要求設(shè)計準(zhǔn)直筒，硬件平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測試精度難以控制。本文針對該問題，按照ISO/IEC 17025中計量溯源性的要求，采用戶外總輻照度標(biāo)定法[10]，利用絕對輻射計，建立了戶外一級標(biāo)定平臺，絕對輻射計能夠參與到世界輻射基準(zhǔn)的國際比對中，具有較高的溯源精度（＜0.1%）。通過對標(biāo)準(zhǔn)太陽電池進(jìn)行長期戶外標(biāo)定，確定了戶外一級標(biāo)定試驗流程及采集精度要求，分析了光譜輻照度數(shù)據(jù)的采集要求和處理原則。測得的標(biāo)定值與國家計量機(jī)構(gòu)出具的校準(zhǔn)值進(jìn)行對比，驗證了標(biāo)定方法的有效性和準(zhǔn)確性。

1 戶外總輻照度測量法

1.1 戶外標(biāo)定原理

戶外總輻照度測量法需要采集的數(shù)據(jù)包括：標(biāo)準(zhǔn)電池的溫度Tj、短路電流Isc、太陽直接輻照度Ddir、散射輻照度Ddif、環(huán)境溫度Ta、標(biāo)準(zhǔn)電池光譜響應(yīng)S(λ)、太陽光譜分布Em(λ)。

進(jìn)行戶外標(biāo)定時，太陽輻照度不會穩(wěn)定在1 000 W/m2，由于標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的短路電流與輻照強(qiáng)度呈線性關(guān)系，可按照下式進(jìn)行輻照度修正：

式中：MG——輻照度修正因子；

GT——實測總輻照度。

受環(huán)境溫度的影響，標(biāo)準(zhǔn)電池的溫度無法維持在25 ℃，可以利用電池的電流溫度系數(shù)對測試結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償，如下式所示：

式中：MT——溫度修正因子；

Tcoef——標(biāo)準(zhǔn)電池電流溫度系數(shù)。

由于自然陽光光譜輻照分布與標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜分布之間存在差異[11]，需要采用下式對標(biāo)準(zhǔn)電池進(jìn)行光譜修正：

式中：MMF——光譜失配因子；

ES(λ)——AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜分布。

標(biāo)準(zhǔn)電池的標(biāo)定值CV可按下式進(jìn)行計算：

1.2 平臺組成

根據(jù)戶外總輻照度標(biāo)定原理，搭建一級標(biāo)定平臺。平臺由跟蹤系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖2所示。跟蹤系統(tǒng)包括安裝總輻照表、絕對輻射計和標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的太陽跟蹤儀、溫濕度傳感器、電池溫度控制裝置以及太陽光譜儀。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括被測電池短路電流和溫度測量裝置、總輻照度、直接輻照度、環(huán)境溫濕度等氣象參數(shù)采集和顯示裝置。

圖2 戶外一級標(biāo)定平臺

圖3為戶外一級標(biāo)定平臺示意圖。太陽直射輻照度采用絕對輻射計進(jìn)行測量，該輻射計通過國際比對能夠溯源至世界輻射基準(zhǔn)，由專用軟件采集并存儲直接輻照度數(shù)據(jù)。采用數(shù)據(jù)采集器CR1000采集標(biāo)準(zhǔn)電池的短路電流、溫度和總輻照度。采用SolarSIM-G太陽光譜輻射儀測量波長范圍280～1 200 nm的光譜輻照度，根據(jù)美國國家可再生能源實驗室建立的地球不同經(jīng)緯度、不同地理環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)大氣數(shù)學(xué)模型，將實測光譜輻照度數(shù)據(jù)擴(kuò)展計算至 300～4 000 nm[12]。

圖3 戶外一級標(biāo)定平臺示意圖

實驗所標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池是多晶硅，如圖4所示。采用四線制連接方式進(jìn)行測量。標(biāo)準(zhǔn)電池的溫度由水循環(huán)溫控系統(tǒng)進(jìn)行控制，電池的穩(wěn)定性、線性度及封裝設(shè)計符合國際電工委員會IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和世界光伏基準(zhǔn)(WPVS)對標(biāo)準(zhǔn)電池的要求。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池

2 數(shù)據(jù)采集和分析

2.1 采集精度要求

為了確保標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對測試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集條件等進(jìn)行一定的要求，具體如下：

1)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度優(yōu)于±0.5°。

2)絕對輻射計：溯源至WRR。

3)電池溫度：(25±2)℃。

4)短路電流測量精度優(yōu)于±0.1%。

5)總輻照表測量精度優(yōu)于0.5%。

2.2 數(shù)據(jù)處理原則

標(biāo)定實驗需要在晴天無云的條件下開展，對于采集的數(shù)據(jù)，按照如下原則進(jìn)行處理：

1)剔除總輻照度超過800～1 200 W/m2的數(shù)據(jù)。

2)剔除總輻照度、直接輻照度、短路電流前后數(shù)據(jù)波動超過±3%的數(shù)據(jù)。

3)剔除散射輻照度與總輻照度比值＞0.3的數(shù)據(jù)。

4)按照式(1)對測試結(jié)果進(jìn)行輻照度修正。

5)按照式(2)對測試結(jié)果進(jìn)行溫度修正。

6)按照式(3)對測試結(jié)果進(jìn)行光譜失配修正。

2.3 光譜分布數(shù)據(jù)采集要求

標(biāo)定平臺采樣間隔時間直接影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通過對不同采樣間隔時間的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)采樣間隔5 min所測得的數(shù)據(jù)無論是數(shù)據(jù)量以及數(shù)據(jù)精度都是較為合理的。圖5為某一天從11:35到14:00每隔5 min太陽光譜分布隨時間的變化。

圖5 太陽光譜分布變化趨勢

由圖可知，13:30、13:55、14:00的光譜輻照強(qiáng)度明顯低于其他時間段，為了驗證異常數(shù)據(jù)的有效性，提取所有光譜分布的平均光譜能量對應(yīng)的波長λ1和光譜峰值對應(yīng)的波長λ2進(jìn)行對比分析。圖6為λ1和λ2的分布趨勢，可以看出，13:30的波長值出現(xiàn)瞬時波動，可能是由于人、鳥等瞬間遮擋引起的波動，13:55之后的波長值逐漸下降，是由于附近建筑物遮擋引起的。為了保證標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，在對標(biāo)定值進(jìn)行光譜失配修正時，需要剔除該類異常光譜數(shù)據(jù)。

圖6 不同時刻的光譜分布波長值

2.4 數(shù)據(jù)分析

標(biāo)定實驗在連續(xù)3個晴天無云的天氣下進(jìn)行，被測標(biāo)準(zhǔn)太陽電池已在第三方計量實驗室進(jìn)行了校準(zhǔn)，短路電流校準(zhǔn)值是114.10 mA。實驗前，在實驗室對被測標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的電流溫度系數(shù)和光譜響應(yīng)特性進(jìn)行測試。電池的溫度系數(shù)測試結(jié)果如圖7所示，經(jīng)過線性擬合得到電流溫度系數(shù)為0.044 3%/℃。圖8所示的是標(biāo)準(zhǔn)電池光譜響應(yīng)特性。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池電流溫度系數(shù)

圖8 標(biāo)準(zhǔn)電池相對光譜響應(yīng)度

圖9為某一時刻實測的太陽光譜分布與標(biāo)準(zhǔn)光譜分布的對比，按照式(3)對短路電流進(jìn)行光譜失配修正。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜分布與實測光譜分布

分別對3天測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和修正，表1為每一步數(shù)據(jù)處理后的標(biāo)定值與校準(zhǔn)值的偏差，可以看出，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，標(biāo)定值與校準(zhǔn)值的偏差顯著減小。對3天的標(biāo)定值求平均，即得到被測標(biāo)準(zhǔn)電池一級標(biāo)定值為113.57 mA，與校準(zhǔn)值的偏差為0.46%。

表1 測試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文利用戶外總輻照度法建立了標(biāo)準(zhǔn)太陽電池戶外一級標(biāo)定平臺，平臺的量值能夠溯源至世界輻射基準(zhǔn)，溯源精度＜0.1%。通過長期戶外標(biāo)定實驗，歸納總結(jié)了標(biāo)定實驗的數(shù)據(jù)處理和修正原則。對一塊多晶硅標(biāo)準(zhǔn)太陽電池進(jìn)行戶外標(biāo)定，其標(biāo)定值與第三方計量機(jī)構(gòu)出具的校準(zhǔn)值偏差為0.46%，驗證了標(biāo)定平臺測試結(jié)果的有效性。實驗室將進(jìn)一步研究標(biāo)定平臺的測量不確定度控制策略，對不同類型的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池進(jìn)行戶外標(biāo)定，依據(jù)ISO/IEC 17025的要求，與保持世界光伏基準(zhǔn)的國際實驗室開展實驗室間的比對以及能力驗證活動等，建立我國標(biāo)準(zhǔn)太陽電池戶外光伏計量溯源基準(zhǔn)。