太阳模拟器辐照度不均匀度分析及其检测方法研究

2013-10-08陈建功

质量技术监督研究 2013年6期

陈建功

（1 福建省计量科学研究院，福建福州 350003）

（2 国家光伏产业计量测试中心，福建福州 350003）

太阳光模拟器在光伏产业中主要用于模拟自然阳光照射太阳能电池或组件，作为标准光源对太阳能电池或组件的短路电流、开路电压、最大功率等光伏特性（以下简称“I-V特性”）进行测量。为确保光伏特性的测量，准确评价太阳能电池或组件质量和产量，维护太阳能电池和组件产品生产者、经营者和用户的利益，福建省质量技术监督局在全国率先制定了福建省地方标准《DB35/T 1362-2013 太阳模拟器技术要求》。该标准于2013年8月1日发布，2013年11月1日起实施。该标准参考《IEC 60904-9：2007 光伏器件：第9部分太阳光模拟器的性能要求》，规定了太阳模拟器分级和技术要求、检测方法以及使用过程中质量控制等。

福建省计量科学研究院提出该标准，为该标准的主要起草单位，与台湾计量工程学会合作研制太阳模拟器辐照度不均匀度校准装置，为验证该标准的科学性、适用性已开展了大量的研究工作，为该标准的实施奠定了坚实的基础。

1 太阳模拟器的分级规定

太阳光模拟器的光学特性主要有光谱匹配度、辐照度不均匀度和辐照度不稳定度等，《DB35/T 1362-2013》中引用了IEC标准，对三个光学特性分别作了A、B、C三个等级的分级规定，各等级对应的技术指标见表1。

表1 太阳模拟器分级规定

IEC标准规定依据三个光学特性技术指标达到的各个级别，其顺序表示太阳模拟器的级别，规定要求用于光伏性能测试的太阳模拟器至少应达到CBA级别（即：光谱匹配度C级、辐照度不均匀度B级、辐照度时间不稳定度A级），并要求用于辐照曝晒的太阳模拟器至少应达到CCC级别。

2 太阳模拟器辐照度不均匀度分析

太阳模拟器通常由三个部分构成：（1）光源和相关电源：（2）调节输出光束的各种光学器件；（3）操作控制装置。光源光束输出有连续稳态和间断脉冲两种方式，因而太阳模拟器有稳态太阳模拟器和脉冲太阳模拟器之分。

图1（a）、（b）分别是小型太阳模拟器的外观图和光学结构图，通常用于测量太阳能电池片的I-V特性。小型太阳模拟器的光源（通常是单个氙灯）、反射镜、光学积分器和准直镜等光学器件的加工和调校是影响辐照度不均匀度的主要因素。这类单灯式光源太阳模拟器的典型辐照度分布图见图1（c），辐照度等高图见图1（d）。[1]

图1（a）小型太阳模拟器外观图

图1（b）小型太阳模拟器光学结构图

图1（c）单灯模拟器辐照度分布图

图1（d）单灯模拟器辐照度等高图

图2、图3为常见的两种测量组件用的太阳模拟器光源示意图。辐照面积的单边长度可达1m～3m。光源的氙灯数量、结构和排列，以及辐照度均匀化结构等是影响辐照度不均匀度的主要因素。

图2 组件用太阳模拟器光源示意图

特点：4个短氙灯横竖对称排列

XY 方向辐照度均匀化结构

图3 组件用太阳模拟器堆叠式光源示意图特点：单灯调校辐照度不均匀度多灯辐照度堆叠增强

图4 双灯模拟器辐照度分布图

图5 双灯模拟器辐照度等高图

根据《IEC 60904-9：2007》的太阳光模拟器的分级规定，即使最高等级的AAA级太阳模拟器，其辐照度不均匀度可允许达到2%，这对I-V特性测量结果的准确性有很大的影响。实验数据表明[2]，用同一台AAA级太阳模拟器测量3个太阳能电池组件的最大功率，在辐照度不均匀度最好和最差的区域测量结果之差分别为1.6%、3.5%和4.3%。显然，太阳模拟器辐照度不均匀度对I-V特性测量结果的准确性影响很大。在对太阳模拟器质量要求和技术特性进行调研和检测实验中也得知辐照度不均匀度是最难达到的一个技术指标，也是光伏产业需要解决的技术难题。

3 太阳模拟器辐照度不均匀度的检测[3]

3.1 太阳模拟器辐照度不均匀度的定义

根据《IEC 60904-9：2007》，太阳模拟器辐照度不均匀度的定义是：在太阳模拟器的指定测试平面内，最大辐照度Emax与最小辐照度Emin之差除以最大辐照度Emax与最小辐照度Emin之和的商，即公式（1）：

3.2 太阳模拟器辐照度不均匀度的检测

3.2.1 测量位置的划分

为了全面、客观地检测太阳模拟器辐照度不均匀度，至少应将指定测试平面等分成64个测量位置。当测试平面较大，64等分后的测量位置面积若大于400cm2的还应当将测试平面等分成更多个测量位置，保证测量位置的面积小于400cm2。

3.2.2 监测和修正光源辐照度随时间变化对辐照度不均匀度的影响

逐一测量每个测量位置的辐照度需要一个长时间的测量过程，稳态模拟器不会保持辐照度始终不变，而脉冲模拟器的数十个、甚至100个～200个脉冲的辐照度都是不同的。为此，每个测量位置的辐照度都受到光源辐照度随时间变化的影响，这就使得辐照度非常均匀的测试平面也会被误检测为有比较大的辐照度不均匀度。因此，必须在测试平面外设置1个辐照度监测电池，用以监测、记录在测量各个测量位置辐照度时、该测量位置的辐照度随时间的变化，进而修正光源辐照度随时间的变化对辐照度不均匀度的影响。

3.2.3 辐照度检测器（组）的技术要求

用于测量每个测量位置的辐照度使用的辐照度检测器的面积一般不大于测量位置面积的80%，光谱响应和响应时间应适应太阳模拟器的光谱范围和脉冲宽度，在测量过程的稳定性优于0.2%。为了能够快速、准确地检测太阳模拟器的辐照度不均匀度，制作由多个辐照度检测器组成的辐照度均匀性校准装置是较好的办法。为此我们与台湾计量工程学会合作研制了用20个12.5cm×12.5cm太阳能电池组成的4行5列的组装检测器（组），见图6，以及用4个2cm×2cm太阳能电池组成的2行2列的组装检测器（组），见图7。在太阳模拟器1次照射的时刻里可同时测量20个测量位置或4个位置的辐照度，从而达到快速、准确测量的目的。

图6 4行5列的检测器（组）

图7 2行2列的检测器（组）

3.2.4 辐照度测量的I-V转换和数据采集处理

公式（1）表达了辐照度不均匀度的定义，实际测量中是将太阳模拟器照射辐照度检测器或检测器组、辐照度监测器产生的短路电流转换为电压信号，转换用的负载电阻的电阻值小于开路电压值与短路电流比值的3%，精度为0.1级。测量转换电压信号的仪器精度应优于0.1%。用数据采集器采集I-V转换后产生的信号，采集器的精度应优于0.1%。

在数据处理过程还对光源辐照度随时间的变化对辐照度不均匀度影响的归一化进行了处理修正，解决了检测器（组）中各个检测器辐照度响应不一致引起短路电流输出不一致的归一化处理修正的问题。

4 本校准装置的校准验证和校准结果扩展不确定度分析

4.1 校准装置的校准验证

为了保证研制的太阳模拟器辐照度均匀性校准装置准确可靠，由中国计量科学研究院对本校准装置进行校准，校准结果扩展不确定度为1.0%（ =2）。经校准，本校准装置分别配置2个检测器（组）校准太阳模拟器辐照度不均匀度的校准结果偏差分别为0.4%和0.6%。经校准验证，本装置符合用于校准太阳模拟器A级辐照度不均匀度的要求。

4.2 校准装置的校准结果扩展不确定度分析

4.2.1 概述

4.2.1.1 校准依据：DB35/T 1362-2013 太阳模拟器技术要求。

4.2.1.2 校准环境条件：温度（25±5）℃；相对湿度不大于85%。

4.2.1.3 校准参数和技术要求

太阳模拟器辐照度不均匀度：A级，2.0%；B级，5.0%；C级 ,10.0%。

4.2.1.4 校准方法：

将太阳模拟器测量面划分成不少于64个测量位置，测量每个测量位置的辐照度i，太阳模拟器测试面辐照度不均匀度的测量函数如公式（1）。

根据太阳能电池的短路电流与其接受的辐照度成正比的原理，测量太阳能电池输出的短路电流大小可表征各个测量位置的辐照度大小。由于短路电流不容易测量，通常在短路电流回路中串联采样电阻，测量短路电流在采样电阻两端形成的采样电压i。由于i是表征各个测量位置辐照度的等效电压信号，所以太阳模拟器测试面辐照度不均匀度的测量函数又表示为：

该校准装置是将多个太阳能电池分立安装成4行5列的检测器组，每个太阳能电池都串联采样电阻。在太阳模拟器光照射下同时测量各个采样电压，得到各个测量区域辐照度的等效电压信号i。对一台太阳模拟器只要进行数次照射测量就可以测得测量面的各个测量区域的辐照度，较大程度地缩短了测量时间，减少了太阳模拟器辐照度随时间变化对辐照度不均匀性的影响；并且采用监测电池监测太阳模拟器的辐照度变化，进行归一化处理，进一步减少了太阳模拟器辐照度随时间变化对辐照度不均匀性的影响。

4.2.2 校准结果扩展不确定度分析

4.2.2.1 检测器组经校准，校准结果扩展不确定度引入的标准不确定度分量1

检测器组经中国计量科学研究院校准，根据校准证书可知，校准结果的相对扩展不确定度rel=1.0%， =2。则，1=0.5%。

4.2.2.2 太阳模拟器辐照度重复性引入的不确定度u2

将检测器（组）固定在瞬态太阳模拟器的同一位置，并且采用监测电池，在30min内、重复接受太阳模拟器光照射24次，各个检测器测得等效电压信号i的标准偏差见表2。