光伏計(jì)量現(xiàn)狀和發(fā)展方向的研究及展望

陳建功

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

我國(guó)是全世界光伏產(chǎn)品第一大生產(chǎn)國(guó)，我省也有較大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和優(yōu)勢(shì)。福建省計(jì)量科學(xué)研究院籌建光伏計(jì)量校準(zhǔn)/檢測(cè)項(xiàng)目，與臺(tái)灣計(jì)量工程學(xué)會(huì)合作研究太陽(yáng)模擬器校準(zhǔn)方法、研制校準(zhǔn)裝置，并且研究光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量現(xiàn)狀和發(fā)展方向，相信光伏計(jì)量的發(fā)展具有美好的前景。

1 光伏產(chǎn)業(yè)中計(jì)量校準(zhǔn)/檢測(cè)的現(xiàn)狀

1.1 量值溯源和校準(zhǔn)/檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)未及時(shí)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的新版本

我國(guó)的光伏領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)等同采用國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（IEC標(biāo)準(zhǔn)）。IEC標(biāo)準(zhǔn)的光伏器件系列標(biāo)準(zhǔn)由十個(gè)具體標(biāo)準(zhǔn)組成，見(jiàn)表1中的“國(guó)際電工委員會(huì) IEC標(biāo)準(zhǔn)”，其中兩個(gè)迄今為止未被采用為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；兩個(gè)上世紀(jì)90年代發(fā)布、現(xiàn)在尚未再版的標(biāo)準(zhǔn)（即：IEC 904.5-1993和IEC 904.8-1998）被我國(guó)等同采用為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；其余六個(gè)IEC于上世紀(jì)80年代或90年代發(fā)布、于2006年起已被陸續(xù)再版更新的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)仍然采用再版更新之前的舊版本作為現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，未能跟上IEC標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)步的步伐。

表1 ICE現(xiàn)行光伏器件系列標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)采用情況表

1.2 光伏計(jì)量的量值溯源體系尚待建立完善

目前，國(guó)內(nèi)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)中僅中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院已開(kāi)展太陽(yáng)模擬器、標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池/組件的校準(zhǔn)/檢測(cè)，國(guó)家乃至地方制定的光伏計(jì)量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范很少，我國(guó)光伏計(jì)量的量值溯源體系尚待建立完善。各級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)很少進(jìn)行與光伏計(jì)量密切相關(guān)的自然陽(yáng)光的測(cè)量，缺乏對(duì)光伏產(chǎn)品研制、工藝過(guò)程、質(zhì)量檢測(cè)和光伏電站使用的計(jì)量器具的校準(zhǔn)/檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)。

1.3 光伏產(chǎn)品出口的計(jì)量話語(yǔ)權(quán)缺失

我國(guó)95%以上的光伏產(chǎn)品出口到德國(guó)、意大利等歐盟國(guó)家，以及美國(guó)、日本等國(guó)家。但是光伏產(chǎn)品的重要量值（如太陽(yáng)電池/組件的光電轉(zhuǎn)換效率、最大功率等）以外商的數(shù)據(jù)為依據(jù)，我國(guó)企業(yè)計(jì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)不受認(rèn)可，與我國(guó)是光伏產(chǎn)品制造第一大國(guó)的地位很不相稱，光伏產(chǎn)業(yè)受到相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)和形象損失。尤其近期的歐債危機(jī)、美國(guó)對(duì)我國(guó)光伏產(chǎn)品提出“雙反調(diào)查”提案，更是使得我國(guó)光伏產(chǎn)品出口被橫豎指責(zé)，光伏產(chǎn)業(yè)遇到前所未有的困難。

1.4 國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)鏈各方利益缺乏計(jì)量基礎(chǔ)保障

在我國(guó)未及時(shí)采用國(guó)際光伏器件新標(biāo)準(zhǔn)、量值溯源體系尚待建立完善、缺乏校準(zhǔn)/檢測(cè)技術(shù)的情況下，光伏產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、產(chǎn)品定級(jí)結(jié)算和上網(wǎng)電能計(jì)量等使用的檢測(cè)設(shè)備沒(méi)有經(jīng)過(guò)權(quán)威、公正的計(jì)量檢定/校準(zhǔn)，光伏產(chǎn)業(yè)鏈各方的利益缺乏計(jì)量基礎(chǔ)保障，將影響光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2 光伏計(jì)量校準(zhǔn)/檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)和研究方向

2.1 應(yīng)根據(jù)光伏產(chǎn)品在自然陽(yáng)光下使用的特點(diǎn)研究光伏計(jì)量校準(zhǔn)/檢測(cè)技術(shù)

太陽(yáng)能電池/組件是在自然陽(yáng)光照射下產(chǎn)生電能，而制造過(guò)程是采用太陽(yáng)模擬器照射、得到光電轉(zhuǎn)換效率、最大功率等重要量值的測(cè)量結(jié)果。這些測(cè)量結(jié)果都應(yīng)當(dāng)接近于在符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義的自然陽(yáng)光下的測(cè)量結(jié)果[1]?！禝EC 60904.4-2009》已經(jīng)規(guī)定世界輻射測(cè)量基準(zhǔn)(WRR)是在自然陽(yáng)光下測(cè)量定值、作為國(guó)際公認(rèn)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并且用自然陽(yáng)光比對(duì)測(cè)量法給二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)定值，往下層次的一級(jí)、二級(jí)參考裝置的校準(zhǔn)，自然陽(yáng)光法都作為推薦的方法。歐洲分布式能源實(shí)驗(yàn)室（DERlab）即將發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定太陽(yáng)能光伏組件在外部實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行能量等級(jí)評(píng)定的程序，規(guī)定用在不同氣候和不同地點(diǎn)特殊位置的測(cè)量結(jié)果評(píng)定太陽(yáng)能組件的能量等級(jí)。這些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光伏量值傳遞和產(chǎn)品檢驗(yàn)將產(chǎn)生重大影響。

計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)研究光伏計(jì)量的量值傳遞，應(yīng)當(dāng)根據(jù)光伏產(chǎn)品在自然陽(yáng)光下實(shí)際使用的特點(diǎn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)研究光伏計(jì)量校準(zhǔn)/檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)能準(zhǔn)確計(jì)量自然陽(yáng)光的量值，包括輻射能譜分布、光譜輻照度、直接輻射、全輻射、漫輻射、輻射角度，以及輻射環(huán)境的溫度、濕度等等，為準(zhǔn)確計(jì)量太陽(yáng)能電池/組件和參考太陽(yáng)能裝置的各種量值奠定基礎(chǔ)。

2.2 研究校準(zhǔn)太陽(yáng)模擬器主要量值的方法和裝置

太陽(yáng)模擬器是光伏產(chǎn)業(yè)科研、產(chǎn)品試制和生產(chǎn)中必不可少的復(fù)現(xiàn)光輻射量值的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)其校準(zhǔn)/檢測(cè)的主要量值有輻照度、光譜匹配度、輻照不均勻性和輻照不穩(wěn)定性[2]。用于校準(zhǔn)/檢測(cè)的方法和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)能保證所復(fù)現(xiàn)的量值接近于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義的自然陽(yáng)光的量值，校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度應(yīng)當(dāng)適用于判定太陽(yáng)模擬器是否符合IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A級(jí)水平。

2.3 研究光譜響應(yīng)、光譜匹配的校準(zhǔn)/檢測(cè)技術(shù)

無(wú)論是晶體硅電池還是薄膜電池、染料敏化電池，或是其它材料制作的太陽(yáng)能電池，它們?cè)诠夥D(zhuǎn)換中利用的光譜段不同，光譜響應(yīng)不同。然而，輻照光源的光譜匹配對(duì)光譜響應(yīng)有非常直接的重要聯(lián)系[3]。不但是太陽(yáng)模擬器，即使是自然陽(yáng)光，還由于我國(guó)幅員遼闊、各地自然條件和環(huán)境條件的不同，各地自然陽(yáng)光的光譜分布有較大差別。因此，我們應(yīng)當(dāng)研究光譜匹配、光譜響應(yīng)的測(cè)量方法和使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置，應(yīng)當(dāng)具備測(cè)量絕對(duì)光譜輻照度和相對(duì)光譜輻照度的測(cè)量設(shè)備，應(yīng)當(dāng)具備對(duì)單色儀、對(duì)不同材料制作的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池/組件進(jìn)行校準(zhǔn)/檢測(cè)的能力。

2.4 研究光伏計(jì)量校準(zhǔn)/檢測(cè)過(guò)程的測(cè)量條件監(jiān)控、修正技術(shù)和光伏電站運(yùn)行設(shè)備的校準(zhǔn)/檢測(cè)技術(shù)等等

光伏計(jì)量校準(zhǔn)/檢測(cè)過(guò)程的環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)裝置的溫度、被校準(zhǔn)光伏器件的溫度、光譜輻照度等等都可能偏離標(biāo)準(zhǔn)條件的要求，對(duì)測(cè)量結(jié)果將產(chǎn)生不可忽視的影響[4-5]，應(yīng)當(dāng)具備相應(yīng)的監(jiān)控裝置，并且研究對(duì)測(cè)量結(jié)果修正的技術(shù)。

光伏電站包括獨(dú)立電站和并網(wǎng)電站，它們的運(yùn)行安全和電能質(zhì)量、電能計(jì)量使用的大量檢測(cè)設(shè)備，有待于我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，探討計(jì)量校準(zhǔn)/檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)裝置。

3 展望光伏計(jì)量研究的前景

盡管目前光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到種種困難，但我們應(yīng)當(dāng)相信光伏發(fā)電是綠色環(huán)保、可永續(xù)利用的新能源發(fā)展方向。全世界能源短缺、日本核電站危機(jī)等提升了各國(guó)對(duì)光伏應(yīng)用的認(rèn)識(shí)和需求。我國(guó)將在國(guó)內(nèi)大力推廣、應(yīng)用光伏獨(dú)立電站和并網(wǎng)電站，尤其是國(guó)家發(fā)改委近期制定全國(guó)統(tǒng)一的太陽(yáng)能光伏發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)，使國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)品制造方與電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)方之間的光伏產(chǎn)業(yè)鏈有了共贏互利的基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)利益紐帶，光伏產(chǎn)業(yè)鏈必將進(jìn)一步發(fā)展、延伸,必然需要計(jì)量基礎(chǔ)保障[6]。盡管我們尚不熟悉光伏計(jì)量校準(zhǔn)/檢測(cè)技術(shù)，而且面臨的是技術(shù)上領(lǐng)先多年的國(guó)際強(qiáng)手，但只要各級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)同心協(xié)力，與光伏廠商、科研機(jī)構(gòu)緊密配合，與已經(jīng)在國(guó)際光伏產(chǎn)業(yè)中取得一定經(jīng)驗(yàn)的臺(tái)灣同行合作研究，我們就一定能攻艱克難，建立完善光伏計(jì)量的量值傳遞體系，提高光伏計(jì)量的校準(zhǔn)/檢測(cè)技術(shù)水平，對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展、共贏互利提供計(jì)量技術(shù)保障，相信一定會(huì)收獲到豐碩的成果。

4 致謝

本文撰寫過(guò)程中得到福建省計(jì)量科學(xué)研究院太陽(yáng)模擬器校準(zhǔn)方法研究和校準(zhǔn)裝置研制科研項(xiàng)目組和臺(tái)灣計(jì)量工程學(xué)會(huì)同仁的幫助，得到福建省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局教授級(jí)高級(jí)工程師和博士光伏計(jì)量調(diào)研組的幫助，在此致以感謝。

[1] （澳）偉納姆（S.R. Wenham）等編 狄大衛(wèi)等譯，應(yīng)用光伏學(xué)[M].上海交通大學(xué)出版社，2008.

[2]IEC 60904.9-2007 Photovoltaic devices-Part 9:Solar simulator performance Requirements[S].

[3]孫皓，熊利民.光譜失配對(duì)標(biāo)定太陽(yáng)電池產(chǎn)生的影響分析[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2010（5）.

[4]IEC 60904.4-2009 Photovoltaic devices-Part 4:Reference solar devices-Procedures for establishing calibration Traceability[S].

[5]IEC 60904.2-2007 Photovoltaic devices-Part 2:Requirements for reference solar devices[S].

[6] 熊利民. 計(jì)量在太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用[J]. 上海計(jì)量測(cè)試, 2010（2）.