太陽模擬器輻照度不均勻度分析及其檢測方法研究

陳建功

（1 福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

（2 國家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測試中心，福建 福州 350003）

太陽光模擬器在光伏產(chǎn)業(yè)中主要用于模擬自然陽光照射太陽能電池或組件，作為標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)太陽能電池或組件的短路電流、開路電壓、最大功率等光伏特性（以下簡稱“I-V特性”）進(jìn)行測量。為確保光伏特性的測量，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)太陽能電池或組件質(zhì)量和產(chǎn)量，維護(hù)太陽能電池和組件產(chǎn)品生產(chǎn)者、經(jīng)營者和用戶的利益，福建省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局在全國率先制定了福建省地方標(biāo)準(zhǔn)《DB35/T 1362-2013 太陽模擬器技術(shù)要求》。該標(biāo)準(zhǔn)于2013年8月1日發(fā)布，2013年11月1日起實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)參考《IEC 60904-9：2007 光伏器件：第9部分 太陽光模擬器的性能要求》，規(guī)定了太陽模擬器分級(jí)和技術(shù)要求、檢測方法以及使用過程中質(zhì)量控制等。

福建省計(jì)量科學(xué)研究院提出該標(biāo)準(zhǔn)，為該標(biāo)準(zhǔn)的主要起草單位，與臺(tái)灣計(jì)量工程學(xué)會(huì)合作研制太陽模擬器輻照度不均勻度校準(zhǔn)裝置，為驗(yàn)證該標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性、適用性已開展了大量的研究工作，為該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 太陽模擬器的分級(jí)規(guī)定

太陽光模擬器的光學(xué)特性主要有光譜匹配度、輻照度不均勻度和輻照度不穩(wěn)定度等，《DB35/T 1362-2013》中引用了IEC標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)三個(gè)光學(xué)特性分別作了A、B、C三個(gè)等級(jí)的分級(jí)規(guī)定，各等級(jí)對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 太陽模擬器分級(jí)規(guī)定

IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定依據(jù)三個(gè)光學(xué)特性技術(shù)指標(biāo)達(dá)到的各個(gè)級(jí)別，其順序表示太陽模擬器的級(jí)別，規(guī)定要求用于光伏性能測試的太陽模擬器至少應(yīng)達(dá)到CBA級(jí)別（即：光譜匹配度C級(jí)、輻照度不均勻度B級(jí)、輻照度時(shí)間不穩(wěn)定度A級(jí)），并要求用于輻照曝曬的太陽模擬器至少應(yīng)達(dá)到CCC級(jí)別。

2 太陽模擬器輻照度不均勻度分析

太陽模擬器通常由三個(gè)部分構(gòu)成：（1）光源和相關(guān)電源：（2）調(diào)節(jié)輸出光束的各種光學(xué)器件；（3）操作控制裝置。光源光束輸出有連續(xù)穩(wěn)態(tài)和間斷脈沖兩種方式，因而太陽模擬器有穩(wěn)態(tài)太陽模擬器和脈沖太陽模擬器之分。

圖1（a）、（b）分別是小型太陽模擬器的外觀圖和光學(xué)結(jié)構(gòu)圖，通常用于測量太陽能電池片的I-V特性。小型太陽模擬器的光源（通常是單個(gè)氙燈）、反射鏡、光學(xué)積分器和準(zhǔn)直鏡等光學(xué)器件的加工和調(diào)校是影響輻照度不均勻度的主要因素。這類單燈式光源太陽模擬器的典型輻照度分布圖見圖1（c），輻照度等高圖見圖1（d）。[1]

圖1（a） 小型太陽模擬器外觀圖

圖1（b） 小型太陽模擬器光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

圖1（c） 單燈模擬器輻照度分布圖

圖1（d） 單燈模擬器輻照度等高圖

圖2、圖3為常見的兩種測量組件用的太陽模擬器光源示意圖。輻照面積的單邊長度可達(dá)1m～3m。光源的氙燈數(shù)量、結(jié)構(gòu)和排列，以及輻照度均勻化結(jié)構(gòu)等是影響輻照度不均勻度的主要因素。

圖2 組件用太陽模擬器光源示意圖

特點(diǎn)：4個(gè)短氙燈橫豎對(duì)稱排列

XY 方向輻照度均勻化結(jié)構(gòu)

圖3 組件用太陽模擬器堆疊式光源示意圖特點(diǎn)：單燈調(diào)校輻照度不均勻度多燈輻照度堆疊增強(qiáng)

圖4 雙燈模擬器輻照度分布圖

圖5 雙燈模擬器輻照度等高圖

根據(jù)《IEC 60904-9：2007》的太陽光模擬器的分級(jí)規(guī)定，即使最高等級(jí)的AAA級(jí)太陽模擬器，其輻照度不均勻度可允許達(dá)到2%，這對(duì)I-V特性測量結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明[2]，用同一臺(tái)AAA級(jí)太陽模擬器測量3個(gè)太陽能電池組件的最大功率，在輻照度不均勻度最好和最差的區(qū)域測量結(jié)果之差分別為1.6%、3.5%和4.3%。顯然，太陽模擬器輻照度不均勻度對(duì)I-V特性測量結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。在對(duì)太陽模擬器質(zhì)量要求和技術(shù)特性進(jìn)行調(diào)研和檢測實(shí)驗(yàn)中也得知輻照度不均勻度是最難達(dá)到的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)，也是光伏產(chǎn)業(yè)需要解決的技術(shù)難題。

3 太陽模擬器輻照度不均勻度的檢測[3]

3.1 太陽模擬器輻照度不均勻度的定義

根據(jù)《IEC 60904-9：2007》，太陽模擬器輻照度不均勻度的定義是：在太陽模擬器的指定測試平面內(nèi)，最大輻照度Emax與最小輻照度Emin之差除以最大輻照度Emax與最小輻照度Emin之和的商，即公式（1）：

3.2 太陽模擬器輻照度不均勻度的檢測

3.2.1 測量位置的劃分

為了全面、客觀地檢測太陽模擬器輻照度不均勻度，至少應(yīng)將指定測試平面等分成64個(gè)測量位置。當(dāng)測試平面較大，64等分后的測量位置面積若大于400cm2的還應(yīng)當(dāng)將測試平面等分成更多個(gè)測量位置，保證測量位置的面積小于400cm2。

3.2.2 監(jiān)測和修正光源輻照度隨時(shí)間變化對(duì)輻照度不均勻度的影響

逐一測量每個(gè)測量位置的輻照度需要一個(gè)長時(shí)間的測量過程，穩(wěn)態(tài)模擬器不會(huì)保持輻照度始終不變，而脈沖模擬器的數(shù)十個(gè)、甚至100個(gè)～200個(gè)脈沖的輻照度都是不同的。為此，每個(gè)測量位置的輻照度都受到光源輻照度隨時(shí)間變化的影響，這就使得輻照度非常均勻的測試平面也會(huì)被誤檢測為有比較大的輻照度不均勻度。因此，必須在測試平面外設(shè)置1個(gè)輻照度監(jiān)測電池，用以監(jiān)測、記錄在測量各個(gè)測量位置輻照度時(shí)、該測量位置的輻照度隨時(shí)間的變化，進(jìn)而修正光源輻照度隨時(shí)間的變化對(duì)輻照度不均勻度的影響。

3.2.3 輻照度檢測器（組）的技術(shù)要求

用于測量每個(gè)測量位置的輻照度使用的輻照度檢測器的面積一般不大于測量位置面積的80%，光譜響應(yīng)和響應(yīng)時(shí)間應(yīng)適應(yīng)太陽模擬器的光譜范圍和脈沖寬度，在測量過程的穩(wěn)定性優(yōu)于0.2%。為了能夠快速、準(zhǔn)確地檢測太陽模擬器的輻照度不均勻度，制作由多個(gè)輻照度檢測器組成的輻照度均勻性校準(zhǔn)裝置是較好的辦法。為此我們與臺(tái)灣計(jì)量工程學(xué)會(huì)合作研制了用20個(gè)12.5cm×12.5cm太陽能電池組成的4行5列的組裝檢測器（組），見圖6，以及用4個(gè)2cm×2cm太陽能電池組成的2行2列的組裝檢測器（組），見圖7。在太陽模擬器1次照射的時(shí)刻里可同時(shí)測量20個(gè)測量位置或4個(gè)位置的輻照度，從而達(dá)到快速、準(zhǔn)確測量的目的。

圖6 4行5列的檢測器（組）

圖7 2行2列的檢測器（組）

3.2.4 輻照度測量的I-V轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集處理

公式（1）表達(dá)了輻照度不均勻度的定義，實(shí)際測量中是將太陽模擬器照射輻照度檢測器或檢測器組、輻照度監(jiān)測器產(chǎn)生的短路電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換用的負(fù)載電阻的電阻值小于開路電壓值與短路電流比值的3%，精度為0.1級(jí)。測量轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)的儀器精度應(yīng)優(yōu)于0.1%。用數(shù)據(jù)采集器采集I-V轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的信號(hào)，采集器的精度應(yīng)優(yōu)于0.1%。

在數(shù)據(jù)處理過程還對(duì)光源輻照度隨時(shí)間的變化對(duì)輻照度不均勻度影響的歸一化進(jìn)行了處理修正，解決了檢測器（組）中各個(gè)檢測器輻照度響應(yīng)不一致引起短路電流輸出不一致的歸一化處理修正的問題。

4 本校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)驗(yàn)證和校準(zhǔn)結(jié)果擴(kuò)展不確定度分析

4.1 校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)驗(yàn)證

為了保證研制的太陽模擬器輻照度均勻性校準(zhǔn)裝置準(zhǔn)確可靠，由中國計(jì)量科學(xué)研究院對(duì)本校準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果擴(kuò)展不確定度為1.0%（ =2）。經(jīng)校準(zhǔn)，本校準(zhǔn)裝置分別配置2個(gè)檢測器（組）校準(zhǔn)太陽模擬器輻照度不均勻度的校準(zhǔn)結(jié)果偏差分別為0.4%和0.6%。經(jīng)校準(zhǔn)驗(yàn)證，本裝置符合用于校準(zhǔn)太陽模擬器A級(jí)輻照度不均勻度的要求。

4.2 校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)結(jié)果擴(kuò)展不確定度分析

4.2.1 概述

4.2.1.1 校準(zhǔn)依據(jù)：DB35/T 1362-2013 太陽模擬器技術(shù)要求。

4.2.1.2 校準(zhǔn)環(huán)境條件：溫度（25±5）℃；相對(duì)濕度不大于85%。

4.2.1.3 校準(zhǔn)參數(shù)和技術(shù)要求

太陽模擬器輻照度不均勻度：A級(jí)，2.0%；B級(jí)，5.0%；C級(jí) ,10.0%。

4.2.1.4 校準(zhǔn)方法：

將太陽模擬器測量面劃分成不少于64個(gè)測量位置，測量每個(gè)測量位置的輻照度i，太陽模擬器測試面輻照度不均勻度的測量函數(shù)如公式（1）。

根據(jù)太陽能電池的短路電流與其接受的輻照度成正比的原理，測量太陽能電池輸出的短路電流大小可表征各個(gè)測量位置的輻照度大小。由于短路電流不容易測量，通常在短路電流回路中串聯(lián)采樣電阻，測量短路電流在采樣電阻兩端形成的采樣電壓i。由于i是表征各個(gè)測量位置輻照度的等效電壓信號(hào)，所以太陽模擬器測試面輻照度不均勻度的測量函數(shù)又表示為：

該校準(zhǔn)裝置是將多個(gè)太陽能電池分立安裝成4行5列的檢測器組，每個(gè)太陽能電池都串聯(lián)采樣電阻。在太陽模擬器光照射下同時(shí)測量各個(gè)采樣電壓，得到各個(gè)測量區(qū)域輻照度的等效電壓信號(hào)i。對(duì)一臺(tái)太陽模擬器只要進(jìn)行數(shù)次照射測量就可以測得測量面的各個(gè)測量區(qū)域的輻照度，較大程度地縮短了測量時(shí)間，減少了太陽模擬器輻照度隨時(shí)間變化對(duì)輻照度不均勻性的影響；并且采用監(jiān)測電池監(jiān)測太陽模擬器的輻照度變化，進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)一步減少了太陽模擬器輻照度隨時(shí)間變化對(duì)輻照度不均勻性的影響。

4.2.2 校準(zhǔn)結(jié)果擴(kuò)展不確定度分析

4.2.2.1 檢測器組經(jīng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果擴(kuò)展不確定度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量1

檢測器組經(jīng)中國計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)，根據(jù)校準(zhǔn)證書可知，校準(zhǔn)結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度rel=1.0%， =2。則，1=0.5%。

4.2.2.2 太陽模擬器輻照度重復(fù)性引入的不確定度u2

將檢測器（組）固定在瞬態(tài)太陽模擬器的同一位置，并且采用監(jiān)測電池，在30min內(nèi)、重復(fù)接受太陽模擬器光照射24次，各個(gè)檢測器測得等效電壓信號(hào)i的標(biāo)準(zhǔn)偏差見表2。

表2 各個(gè)電池測得等效電壓信號(hào) i的標(biāo)準(zhǔn)偏差表

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，u2=0.18%。

4.2.2.3 監(jiān)測電池不穩(wěn)定度引入的不確定度3

監(jiān)測電池放置于高穩(wěn)定度光源下，穩(wěn)定30分鐘后，測量其輸出信號(hào)，3=0.06%。

4.2.2.4 測量等效電壓信號(hào)用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最低檔位200mV，分辨率為16bit，由此引入的不確定度可忽略不計(jì)

4.2.2.5 檢測器（組）測量太陽模擬器輻照度不均勻度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度c

4.2.2.6 檢測器（組）測量太陽模擬器輻照度不均勻度的擴(kuò)展不確定度

[1]孫皓，熊利民.太陽模擬器等級(jí)評(píng)定測試[J].中國計(jì)量測試學(xué)會(huì)光輻射委員會(huì)學(xué)術(shù)論文集（桂林），2009.10.

[2]朱雪梅, 劉文祥，徐正元.模擬器輻照不均勻度對(duì)組件性能測試的影響[J].電源技術(shù)，2008.11 Vol.32 No.11.

[3]DB35/T 1362-2013 太陽模擬器技術(shù)要求[Z].福建省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2013.8.1.