標準太陽電池戶外標定方法研究

陳 迪，姜飛飛，楊 磊，劉海濤

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

0 引 言

標準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，是準確評估光伏電池和光伏組件發電性能的重要工具。光伏器件進行發電性能測試需要修正到標準測試條件（standard test conditions，STC），即輻照度 1 000 W/m2，溫度 25 ℃，AM1.5 標準光譜分布[1]，標準太陽電池的標定值（calibration value, CV）是確定太陽輻照度的關鍵參數。

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果在國內和國際上可比性的重要概念，實驗室應通過形成文件的不間斷的校準鏈將測量結果與適當的參考對象相關聯，建立并保持測量結果的計量溯源性，通過一定的方式確保測量結果溯源至國際單位制(SI)[2]。因此任意光伏器件進行發電性能測試，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，根據太陽電池在量傳體系中的位置可以將標準太陽電池依次分為3類：一級標準太陽電池、二級標準太陽電池、工作級標準太陽電池[3]。其中一級標準太陽電池的標定值以溯源至SI國際單位制的世界輻射基準、低溫陷阱探測器或標準燈為基準。

圖1 太陽輻照測量過程中的計量溯源與傳遞體系

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

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

戶外直接輻照度標定法需要根據太陽輻照條件和標準電池要求設計準直筒，硬件平臺結構復雜，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定法[10]，利用絕對輻射計，建立了戶外一級標定平臺，絕對輻射計能夠參與到世界輻射基準的國際比對中，具有較高的溯源精度（＜0.1%）。通過對標準太陽電池進行長期戶外標定，確定了戶外一級標定試驗流程及采集精度要求，分析了光譜輻照度數據的采集要求和處理原則。測得的標定值與國家計量機構出具的校準值進行對比，驗證了標定方法的有效性和準確性。

1 戶外總輻照度測量法

1.1 戶外標定原理

戶外總輻照度測量法需要采集的數據包括：標準電池的溫度Tj、短路電流Isc、太陽直接輻照度Ddir、散射輻照度Ddif、環境溫度Ta、標準電池光譜響應S(λ)、太陽光譜分布Em(λ)。

進行戶外標定時，太陽輻照度不會穩定在1 000 W/m2，由于標準太陽電池的短路電流與輻照強度呈線性關系，可按照下式進行輻照度修正：

式中：MG——輻照度修正因子；

GT——實測總輻照度。

受環境溫度的影響，標準電池的溫度無法維持在25 ℃，可以利用電池的電流溫度系數對測試結果進行溫度補償，如下式所示：

式中：MT——溫度修正因子；

Tcoef——標準電池電流溫度系數。

由于自然陽光光譜輻照分布與標準太陽光譜分布之間存在差異[11]，需要采用下式對標準電池進行光譜修正：

式中：MMF——光譜失配因子；

ES(λ)——AM1.5標準太陽光譜分布。

標準電池的標定值CV可按下式進行計算：

1.2 平臺組成

根據戶外總輻照度標定原理，搭建一級標定平臺。平臺由跟蹤系統和數據采集系統組成，如圖2所示。跟蹤系統包括安裝總輻照表、絕對輻射計和標準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。數據采集系統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、環境溫濕度等氣象參數采集和顯示裝置。

圖2 戶外一級標定平臺

圖3為戶外一級標定平臺示意圖。太陽直射輻照度采用絕對輻射計進行測量，該輻射計通過國際比對能夠溯源至世界輻射基準，由專用軟件采集并存儲直接輻照度數據。采用數據采集器CR1000采集標準電池的短路電流、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，根據美國國家可再生能源實驗室建立的地球不同經緯度、不同地理環境下的標準大氣數學模型，將實測光譜輻照度數據擴展計算至 300～4 000 nm[12]。

圖3 戶外一級標定平臺示意圖

實驗所標定的標準太陽電池是多晶硅，如圖4所示。采用四線制連接方式進行測量。標準電池的溫度由水循環溫控系統進行控制，電池的穩定性、線性度及封裝設計符合國際電工委員會IEC相關標準和世界光伏基準(WPVS)對標準電池的要求。

圖4 標準太陽電池

2 數據采集和分析

2.1 采集精度要求

為了確保標定結果的準確性，需要對測試環境、數據采集條件等進行一定的要求，具體如下：

1)跟蹤系統的跟蹤精度優于±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于±0.1%。

5)總輻照表測量精度優于0.5%。

2.2 數據處理原則

標定實驗需要在晴天無云的條件下開展，對于采集的數據，按照如下原則進行處理：

1)剔除總輻照度超過800～1 200 W/m2的數據。

2)剔除總輻照度、直接輻照度、短路電流前后數據波動超過±3%的數據。

3)剔除散射輻照度與總輻照度比值＞0.3的數據。

4)按照式(1)對測試結果進行輻照度修正。

5)按照式(2)對測試結果進行溫度修正。

6)按照式(3)對測試結果進行光譜失配修正。

2.3 光譜分布數據采集要求

標定平臺采樣間隔時間直接影響測試數據的準確性，通過對不同采樣間隔時間的測試數據進行分析，發現采樣間隔5 min所測得的數據無論是數據量以及數據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的光譜輻照強度明顯低于其他時間段，為了驗證異常數據的有效性，提取所有光譜分布的平均光譜能量對應的波長λ1和光譜峰值對應的波長λ2進行對比分析。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。為了保證標定結果的準確性，在對標定值進行光譜失配修正時，需要剔除該類異常光譜數據。

圖6 不同時刻的光譜分布波長值

2.4 數據分析

標定實驗在連續3個晴天無云的天氣下進行，被測標準太陽電池已在第三方計量實驗室進行了校準，短路電流校準值是114.10 mA。實驗前，在實驗室對被測標準太陽電池的電流溫度系數和光譜響應特性進行測試。電池的溫度系數測試結果如圖7所示，經過線性擬合得到電流溫度系數為0.044 3%/℃。圖8所示的是標準電池光譜響應特性。

圖7 標準太陽電池電流溫度系數

圖8 標準電池相對光譜響應度

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

圖9 標準太陽光譜分布與實測光譜分布

分別對3天測試的數據進行篩選和修正，表1為每一步數據處理后的標定值與校準值的偏差，可以看出，經過數據處理后，標定值與校準值的偏差顯著減小。對3天的標定值求平均，即得到被測標準電池一級標定值為113.57 mA，與校準值的偏差為0.46%。

表1 測試結果

3 結束語

本文利用戶外總輻照度法建立了標準太陽電池戶外一級標定平臺，平臺的量值能夠溯源至世界輻射基準，溯源精度＜0.1%。通過長期戶外標定實驗，歸納總結了標定實驗的數據處理和修正原則。對一塊多晶硅標準太陽電池進行戶外標定，其標定值與第三方計量機構出具的校準值偏差為0.46%，驗證了標定平臺測試結果的有效性。實驗室將進一步研究標定平臺的測量不確定度控制策略，對不同類型的標準太陽電池進行戶外標定，依據ISO/IEC 17025的要求，與保持世界光伏基準的國際實驗室開展實驗室間的比對以及能力驗證活動等，建立我國標準太陽電池戶外光伏計量溯源基準。