标准太阳电池户外标定方法研究

陈 迪，姜飞飞，杨 磊，刘海涛

(1. 中国合格评定国家认可委员会，北京 100062; 2. 中国科学院电工研究所，北京 100190)

0 引 言

标准太阳电池能够测量自然阳光辐照度和太阳模拟光源辐照度，是准确评估光伏电池和光伏组件发电性能的重要工具。光伏器件进行发电性能测试需要修正到标准测试条件（standard test conditions，STC），即辐照度 1 000 W/m2，温度 25 ℃，AM1.5 标准光谱分布[1]，标准太阳电池的标定值（calibration value, CV）是确定太阳辐照度的关键参数。

ISO/IEC 17025中提出了对实验室计量溯源性的要求，计量溯源性是确保测量结果在国内和国际上可比性的重要概念，实验室应通过形成文件的不间断的校准链将测量结果与适当的参考对象相关联，建立并保持测量结果的计量溯源性，通过一定的方式确保测量结果溯源至国际单位制(SI)[2]。因此任意光伏器件进行发电性能测试，均需建立完整的光伏计量溯源体系。图1为太阳辐照度测量过程中的量值溯源与传递体系，根据太阳电池在量传体系中的位置可以将标准太阳电池依次分为3类：一级标准太阳电池、二级标准太阳电池、工作级标准太阳电池[3]。其中一级标准太阳电池的标定值以溯源至SI国际单位制的世界辐射基准、低温陷阱探测器或标准灯为基准。

图1 太阳辐照测量过程中的计量溯源与传递体系

标准太阳电池的标定值CV是其在STC条件下的短路电流[4]，标准太阳电池一级标定方法主要包括户外标定法和室内标定法，户外标定法包括总辐照度标定和直接辐照度标定，室内标定法包括差分光谱响应度和太阳模拟器法。户外标定方法是在自然阳光和实际应用环境下进行的，太阳光光谱分布能够更接近AM1.5的光谱分布，为电池发电性能采集提供长时间稳定、均匀的辐照，能满足具有宽光谱响应特性和高容性太阳电池的标定需求[5]。

近些年，国内外光伏检测机构对标准太阳电池的一级标定进行了深入的研究。文献[6-7]主要采用户外直接辐照度标定法进行标准太阳电池一级标定。标准太阳电池需要安装在准直筒下，对电池的受光角度进行控制。文献[8]对户外直接辐照度标定法的不确定度进行了分析，并利用该方法参与了世界上首次标准太阳电池一级校准实验室能力验证，验证结果为满意[9]。

户外直接辐照度标定法需要根据太阳辐照条件和标准电池要求设计准直筒，硬件平台结构复杂，测试精度难以控制。本文针对该问题，按照ISO/IEC 17025中计量溯源性的要求，采用户外总辐照度标定法[10]，利用绝对辐射计，建立了户外一级标定平台，绝对辐射计能够参与到世界辐射基准的国际比对中，具有较高的溯源精度（＜0.1%）。通过对标准太阳电池进行长期户外标定，确定了户外一级标定试验流程及采集精度要求，分析了光谱辐照度数据的采集要求和处理原则。测得的标定值与国家计量机构出具的校准值进行对比，验证了标定方法的有效性和准确性。

1 户外总辐照度测量法

1.1 户外标定原理

户外总辐照度测量法需要采集的数据包括：标准电池的温度Tj、短路电流Isc、太阳直接辐照度Ddir、散射辐照度Ddif、环境温度Ta、标准电池光谱响应S(λ)、太阳光谱分布Em(λ)。

进行户外标定时，太阳辐照度不会稳定在1 000 W/m2，由于标准太阳电池的短路电流与辐照强度呈线性关系，可按照下式进行辐照度修正：

式中：MG——辐照度修正因子；

GT——实测总辐照度。

受环境温度的影响，标准电池的温度无法维持在25 ℃，可以利用电池的电流温度系数对测试结果进行温度补偿，如下式所示：

式中：MT——温度修正因子；

Tcoef——标准电池电流温度系数。

由于自然阳光光谱辐照分布与标准太阳光谱分布之间存在差异[11]，需要采用下式对标准电池进行光谱修正：

式中：MMF——光谱失配因子；

ES(λ)——AM1.5标准太阳光谱分布。

标准电池的标定值CV可按下式进行计算：

1.2 平台组成

根据户外总辐照度标定原理，搭建一级标定平台。平台由跟踪系统和数据采集系统组成，如图2所示。跟踪系统包括安装总辐照表、绝对辐射计和标准太阳电池的太阳跟踪仪、温湿度传感器、电池温度控制装置以及太阳光谱仪。数据采集系统包括被测电池短路电流和温度测量装置、总辐照度、直接辐照度、环境温湿度等气象参数采集和显示装置。

图2 户外一级标定平台

图3为户外一级标定平台示意图。太阳直射辐照度采用绝对辐射计进行测量，该辐射计通过国际比对能够溯源至世界辐射基准，由专用软件采集并存储直接辐照度数据。采用数据采集器CR1000采集标准电池的短路电流、温度和总辐照度。采用SolarSIM-G太阳光谱辐射仪测量波长范围280～1 200 nm的光谱辐照度，根据美国国家可再生能源实验室建立的地球不同经纬度、不同地理环境下的标准大气数学模型，将实测光谱辐照度数据扩展计算至 300～4 000 nm[12]。

图3 户外一级标定平台示意图

实验所标定的标准太阳电池是多晶硅，如图4所示。采用四线制连接方式进行测量。标准电池的温度由水循环温控系统进行控制，电池的稳定性、线性度及封装设计符合国际电工委员会IEC相关标准和世界光伏基准(WPVS)对标准电池的要求。

图4 标准太阳电池

2 数据采集和分析

2.1 采集精度要求

为了确保标定结果的准确性，需要对测试环境、数据采集条件等进行一定的要求，具体如下：

1)跟踪系统的跟踪精度优于±0.5°。

2)绝对辐射计：溯源至WRR。

3)电池温度：(25±2)℃。

4)短路电流测量精度优于±0.1%。

5)总辐照表测量精度优于0.5%。

2.2 数据处理原则

标定实验需要在晴天无云的条件下开展，对于采集的数据，按照如下原则进行处理：

1)剔除总辐照度超过800～1 200 W/m2的数据。

2)剔除总辐照度、直接辐照度、短路电流前后数据波动超过±3%的数据。

3)剔除散射辐照度与总辐照度比值＞0.3的数据。

4)按照式(1)对测试结果进行辐照度修正。

5)按照式(2)对测试结果进行温度修正。

6)按照式(3)对测试结果进行光谱失配修正。

2.3 光谱分布数据采集要求

标定平台采样间隔时间直接影响测试数据的准确性，通过对不同采样间隔时间的测试数据进行分析，发现采样间隔5 min所测得的数据无论是数据量以及数据精度都是较为合理的。图5为某一天从11:35到14:00每隔5 min太阳光谱分布随时间的变化。

图5 太阳光谱分布变化趋势

由图可知，13:30、13:55、14:00的光谱辐照强度明显低于其他时间段，为了验证异常数据的有效性，提取所有光谱分布的平均光谱能量对应的波长λ1和光谱峰值对应的波长λ2进行对比分析。图6为λ1和λ2的分布趋势，可以看出，13:30的波长值出现瞬时波动，可能是由于人、鸟等瞬间遮挡引起的波动，13:55之后的波长值逐渐下降，是由于附近建筑物遮挡引起的。为了保证标定结果的准确性，在对标定值进行光谱失配修正时，需要剔除该类异常光谱数据。

图6 不同时刻的光谱分布波长值

2.4 数据分析

标定实验在连续3个晴天无云的天气下进行，被测标准太阳电池已在第三方计量实验室进行了校准，短路电流校准值是114.10 mA。实验前，在实验室对被测标准太阳电池的电流温度系数和光谱响应特性进行测试。电池的温度系数测试结果如图7所示，经过线性拟合得到电流温度系数为0.044 3%/℃。图8所示的是标准电池光谱响应特性。

图7 标准太阳电池电流温度系数

图8 标准电池相对光谱响应度

图9为某一时刻实测的太阳光谱分布与标准光谱分布的对比，按照式(3)对短路电流进行光谱失配修正。

图9 标准太阳光谱分布与实测光谱分布

分别对3天测试的数据进行筛选和修正，表1为每一步数据处理后的标定值与校准值的偏差，可以看出，经过数据处理后，标定值与校准值的偏差显著减小。对3天的标定值求平均，即得到被测标准电池一级标定值为113.57 mA，与校准值的偏差为0.46%。

表1 测试结果

3 结束语

本文利用户外总辐照度法建立了标准太阳电池户外一级标定平台，平台的量值能够溯源至世界辐射基准，溯源精度＜0.1%。通过长期户外标定实验，归纳总结了标定实验的数据处理和修正原则。对一块多晶硅标准太阳电池进行户外标定，其标定值与第三方计量机构出具的校准值偏差为0.46%，验证了标定平台测试结果的有效性。实验室将进一步研究标定平台的测量不确定度控制策略，对不同类型的标准太阳电池进行户外标定，依据ISO/IEC 17025的要求，与保持世界光伏基准的国际实验室开展实验室间的比对以及能力验证活动等，建立我国标准太阳电池户外光伏计量溯源基准。