自然陽光輻照度測量技術(shù)和裝置的研究

李 杰，董 旭 ，王玉鵬，陳建功，魏 鵬 ，廖小華

（1福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

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

（3中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

自然陽光輻照度測量技術(shù)和裝置的研究

李 杰1,2，董 旭1，王玉鵬3，陳建功1,2，魏 鵬1，廖小華1

（1福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

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

（3中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

采用自然陽光作為校準太陽能電池/組件的光源，與采用太陽模擬器作為光源相比有一系列優(yōu)點，符合國際標準規(guī)定/推薦的對高級別光輻射標準和參考太陽能電池/組件校準的要求。福建省計量科學研究院與中國科學院長春光學精密機械與物理研究所合作研究，采用了錐型光接收腔與參考腔的腔型絕對輻射計和雙軸雙模式的太陽跟蹤儀，太陽直接輻照度測量結(jié)果不確定度 =1.0%（ =2），在光伏領(lǐng)域達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，為校準參考太陽能電池/組件奠定了基礎(chǔ)。

自然陽光輻照度；測量技術(shù)；測量裝置；測量結(jié)果不確定度

董 旭，女，福建省計量科學研究院，技術(shù)管理部部長，教授級高級工程師

王玉鵬，男，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，研究員，博士

陳建功，男，福建省計量科學研究院，國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心（籌）籌建辦公室技術(shù)負責人，教授級高級工程師

魏 鵬，男，福建省計量科學研究院，工程師，碩士

廖小華，男，福建省計量科學研究院，工程師，碩士

1 測量自然陽光輻照度的意義

太陽能電池/組件的實際應用是在自然陽光照射下將光能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電能。然而，在制造過程往往是采用太陽模擬器照射來測量太陽能電池/組件所產(chǎn)生的電能。在測量電能的特征量值（如短路電流、開路電壓、最大功率、光電轉(zhuǎn)換效率等）時，測量條件應符合國際標準規(guī)定的標準測試條件，如：① 太陽模擬器的光輻照度1000W/m2；② 太陽模擬器光譜在（400～1100）nm范圍內(nèi)與AM1.5光譜匹配；③ 光伏電池/組件的溫度為25℃；等。這樣的測量結(jié)果被認為接近于在自然陽光條件下的測量結(jié)果，但是這種模擬條件下的測量結(jié)果總是與自然陽光測量條件下的測量結(jié)果有一定差異。尤其是太陽能薄膜電池、染料敏化電池等新材料電池的出現(xiàn)，需要寬光譜/全光譜、低輻照度、光輻照時間長等測量條件。目前國際標準規(guī)定的標準測試條件已不適應部分新材料電池研發(fā)、工藝過程和終端產(chǎn)品檢驗和實際應用的需要[1]。

因此，根據(jù)太陽能電池/組件在自然陽光照射下實際應用的特點，研究采用自然陽光作為光源，用于測量晶體硅和各種各樣新材料太陽能電池/組件的電能特征量值，具有很現(xiàn)實的意義。采用自然陽光作為光源與采用太陽模擬器作為光源相比，其輻照度1000W/m2的測量精度更高，其輻射是全光譜的輻射，在（400～1100）nm的光譜帶區(qū)與AM1.5光譜匹配得更好，且光照射的面積大，輻照度均勻性好，可以作為校準參考級/工作級太陽能電池/組件的理想光源[2]。迄今為止，IEC等國際標準公認的世界光輻射基準（WRR）是在自然陽光下測量定值，作為光輻射一級標準（即腔型輻射計世界標準組，WSG），并且用自然陽光測量、校準二級標準（即腔型輻射計）；對往下層次的一級參考（太陽能電池）、二級參考（太陽能電池和太陽能組件）的校準方法中，自然陽光輻照都是被認定為推薦的方法。

2 福建省計量科學研究院完成日射法一級參考太陽能裝置研究

根據(jù)太陽能電池/組件在自然陽光照射下實際應用的特點，以及國際上采用自然陽光作為光源來校準一級/二級參考太陽能電池/組件的情況，福建省計量科學研究院于2012年向國家質(zhì)檢總局申報立項開展“日射法一級參考太陽能裝置”科研項目（項目編號：2012QK022）。該項目在全國計量系統(tǒng)率先開展自然陽光輻照度測量技術(shù)和測量裝置的研究。

“日射法一級參考太陽能裝置”科研項目組針對自然陽光作為光源所存在的缺陷，如在輻照過程不能像采用太陽模擬器那樣更容易控制溫度和其它環(huán)境條件，天空的薄云（甚至是絲狀云）飄動、氣流擾動，以及空中云團的反射等不良氣象條件都可能使得輻照度產(chǎn)生短暫時間內(nèi)的變化，因而需要選擇晴好的天氣和大氣條件、使用優(yōu)良的戶外實驗場地等，采取必要措施避免或糾正這些缺陷的影響。

福建省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局受國家質(zhì)檢總局委托，于2013年12月對“日射法一級參考太陽能裝置”科研項目進行了評審驗收。評審驗收結(jié)論是“項目組研制的日射法一級參考太陽能裝置測量太陽直接輻照度測量結(jié)果不確定度 =1.0%（ =2）”，“在光伏領(lǐng)域應用于測量太陽直接輻照度的測量結(jié)果不確定度達到國內(nèi)領(lǐng)先水平”。該科研項目完成預定指標，為校準一級/二級參考太陽能電池/組件奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

3 自然陽光輻照度測量技術(shù)和裝置研究的技術(shù)要點

研究自然陽光輻照度測量技術(shù)和裝置的目的是為了準確測量自然陽光的輻照度，進而將經(jīng)過準確測量的自然陽光用作校準太陽能電池/組件的光源。研究過程的技術(shù)要點包括采用腔型絕對輻射計測量自然陽光直接輻照度，采用雙軸雙模式的太陽跟蹤儀跟蹤瞄準太陽，文章對這兩個技術(shù)要點做簡要敘述。

3.1 采用錐型光接收腔和參考腔的腔型絕對輻射計測量自然陽光直接輻照度

該項目采用中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研制的SIAR-3型絕對輻射計測量陽光直接輻照度。SIAR系列絕對輻射計曾于2000年和2005年參加世界輻射中心的第九、十屆國際日射強度計比對，其偏差在0.08%以內(nèi)；自2002年起在世界輻射中心同世界標準組(WSG)一起進行了長期太陽輻照度例行觀測實驗, 與世界標準組的輻照度測量偏差處于0.09%以內(nèi)；同時還被用于神州飛船和風云衛(wèi)星上測量大氣層外太陽輻照度[3]。SIAR系列絕對輻射計具有對陽光輻照度測量的光譜響應范圍寬、輻照度測量范圍大、溫度適應范圍廣、輻照度測量結(jié)果穩(wěn)定性好和準確度高等一系列顯著的優(yōu)點。

SIAR系列絕對輻射計的主要技術(shù)特征是采用錐型光接收腔和參考腔，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 腔型絕對輻射計結(jié)構(gòu)圖

自然陽光通過快門和一系列光欄進入輻射計內(nèi)的空腔，以視場角很小的直射光束入射到錐型光接收腔，進行接近全光譜（0.2～50）m的光熱轉(zhuǎn)換，并且采用電功率加熱交替定標的方式，測得入射光的輻照度。參考腔與接收腔在結(jié)構(gòu)、材料及加工工藝等方面上精確相似，但是參考腔上繞制的康銅加熱絲與接收腔的反向連接，即使在測量輻照度過程外界環(huán)境溫度有很大變化，接收腔的熱電轉(zhuǎn)化輸出與參考腔的熱電轉(zhuǎn)化輸出相互抵消,從而極大地減小外界環(huán)境溫度漂移對輻照度測量準確性的影響，保證絕對輻射計在戶外長時間測量過程中保持很高的準確性。

本裝置使用的SIAR-3型腔型絕對輻射計經(jīng)國家氣象計量站的太陽輻射國家最高計量標準裝置校準，校準因子的擴展不確定度 =0.41%（ =2）。

3.2 采用雙軸雙模式的太陽跟蹤儀連續(xù)跟蹤、準確瞄準太陽

腔型絕對輻射計安放在太陽自動跟蹤儀上，在每次輻照度測量時都要準確瞄準太陽方可測量。因此，太陽跟蹤儀應能夠連續(xù)跟蹤瞄準太陽，跟蹤瞄準太陽的精度將影響測量自然陽光輻照度的測量結(jié)果不確定度。

該項目的太陽跟蹤儀示意圖見圖2。

圖2 太陽跟蹤儀示意圖

太陽跟蹤儀根據(jù)GPS定位系統(tǒng)確定其安裝地點的經(jīng)度、緯度和時間，利用天文公式計算太陽相對安裝地點的高度角和方位角，跟蹤儀驅(qū)動器按照計算結(jié)果和跟蹤程序驅(qū)動跟蹤儀繞高度角轉(zhuǎn)軸（水平軸）轉(zhuǎn)動和繞方位角轉(zhuǎn)軸（垂直軸）轉(zhuǎn)動，進行太陽運行軌跡跟蹤模式的連續(xù)跟蹤，這一跟蹤模式的重要作用在于不論太陽是否被云遮擋都能較準確地連續(xù)跟蹤瞄準太陽。

然而，進行高精度輻照度測量時需要更準確地瞄準太陽并定位，因此該裝置在太陽運行軌跡跟蹤模式跟蹤定位的基礎(chǔ)上，采用了四象限光電池瞄準器定位模式微調(diào)跟蹤儀繞高度角轉(zhuǎn)軸做微小轉(zhuǎn)動并精確定位、繞方位角轉(zhuǎn)軸做微小轉(zhuǎn)動并精確定位。四象限光電池瞄準器定位模式的瞄準太陽定位精度可達到±0.4o[5]。

4 自然陽光輻照度測量結(jié)果不確定度分析

4.1 測量太陽輻照度的過程和輻照度值、輻照度測量結(jié)果的計算

該項目采用雙軸雙模式跟蹤瞄準太陽，在瞄準太陽的時刻用腔型絕對輻射計測量得到該時刻的自然陽光輻照度測量值F，并且按照下列計算式（1）得到輻照度測量結(jié)果：

根據(jù)式（1）可知，輻照度測量結(jié)果的擴展不確定度是輻照度測量值標準偏差分量和輻照度測量值校準因子平均值的標準偏差分量合成、再乘以置信因子。

4.2 輻照度測量值引入的輻照度測量結(jié)果標準偏差分量u 1

4.2.1 輻照度測量值重復性引入的標準偏差分量u11

由于自然陽光輻照度是變化的，因此每個輻照度測量值F'也都是變化的。為此，該裝置采用一個接受自然陽光輻照度與產(chǎn)生的短路電流有很好線性度的太陽能電池作為參照物，將每個輻照度測量值 '對應的標準太陽能電池短路電流測量值 Ii→歸一化折算到1000W/m2對應短路電流值Ii’，對同一天測量過程的I i’計算其標準偏差uI，并且以此作為評定 u11的依據(jù)。

以2013年11月29日在烏山國家基準氣候站對中國計量院1個標準太陽能電池的92個短路電流測量數(shù)據(jù)，按照上述“每個輻照度測量值F '→測量得到標準電池短路電流測量值 Ii→歸一化折算到1000W/m2對應短路電流值Ii’→計算i’的標準偏差uI”的過程進行計算，該標準太陽能電池的短路電流測量結(jié)果相對標準偏差 u11為0.38%。

4.2.2 輻照度測量值其它因素引入的標準偏差分量u12

根據(jù)絕對輻射計測量原理、結(jié)構(gòu)特點和測量過程，分析其它因素引入的標準偏差分量12如下：

（1）輻照度測量靈敏度非線性對輻照度測量值的影響；

（2）時間常數(shù)的穩(wěn)定性使得輻照度測量值不穩(wěn)定；

（3）數(shù)據(jù)采集器精度使得輻照度測量值不穩(wěn)定、不準確；

上述（1）、（2）、（3）的影響結(jié)果包括在腔型絕對輻射計的輻照度測量值校準因子平均值的標準偏差中。

（4）絕對輻射計在戶外使用的環(huán)境溫度變化范圍大。在常溫測得的主光欄通光面積與在實際使用環(huán)境溫度下的通光面積有差異，使得入射光量產(chǎn)生變化而致輻照度測量值變化。由于采用了溫度膨脹系數(shù)非常小的材料制作主光欄等其它措施，該項標準偏差非常小，可忽略不計。

（5）采用雙軸雙模式太陽跟蹤儀跟蹤瞄準太陽，入射光傾斜照射到接收腔的角度最大偏差為±0.4o，根據(jù)接收腔結(jié)構(gòu)及光—熱—輻照度轉(zhuǎn)換的設(shè)計算法原理和入射光傾斜射入產(chǎn)生輻照度測量值誤差的實驗分析，入射光傾斜0.4o時輻照度測量值相對誤差為±0.002%。

根據(jù)以上5個可能影響量的分析：

第（1）、（2）、（3）項的影響結(jié)果包括在腔型絕對輻射計的輻照度測量值校準因子平均值的標準偏差中，不重復計算；

第（4）項在戶外使用環(huán)境溫度變化對輻照度測量值的影響可忽略；

第（5）項跟蹤瞄準偏差使得入射光傾斜射0.4o，對輻照度測量值相對誤差影響為±0.002%，該值可忽略。

因此，輻照度測量值其它因素引入的標準偏差分量u12可視為0，輻照度測量值引入的輻照度測量結(jié)果標準偏差分量u1主要取決于輻照度測量值重復性引入的標準偏差分量u 11，即：u1=0.38%。

4.3 絕對輻射計的輻照度測量值校準因子平均值的標準偏差引入的輻照度測量結(jié)果標準偏差分量 2

根據(jù)腔型絕對輻射計校準證書（國家氣象計量站，GQJ(B)F2013213C號證書），該腔型絕對輻射計的輻照度測量值校準因子平均值為1.0005，該平均值的擴展不確定度2=0.41% ( =2)，則有：2=0.41%/2=0.20%。

4.4 輻照度測量結(jié)果的合成標準偏差 c

4.5 測量自然陽光輻照度的測量結(jié)果擴展不確定度u：

5 總結(jié)

本項目將高精度腔型絕對輻射計用作太陽輻照度測量標準儀器，結(jié)合雙軸雙模式太陽跟蹤儀準確瞄準太陽，測量太陽直接輻照度的測量結(jié)果不確定度u =1.0%（k =2)，其結(jié)果在光伏領(lǐng)域應用已達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，對于建立和完善太陽能電池/組件測量/校準的量值溯源體系具有重要作用。

[1]李杰.光伏計量的光輻照度測量方法分析[J].質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，2012，6(05)：15-17.

[2]董旭. 應用戶外測試系統(tǒng)開展光伏檢測的分析[J].計量與測試技術(shù)，2012，39(12)：9-11.

[3]方偉，禹秉熙，王玉鵬，等.太陽輻照絕對輻射計及其在航天器上的太陽輻照度測量[J].中國光學與應用光學，2009，2(01)：23-28.

[4]王玉鵬，方偉，弓成虎，等.雙錐腔互補償型絕對輻射計[J]. 光學精密工程，2007，15(11)：1662-1664.

[5]王紅睿，王玉鵬，方偉.智能雙模式太陽跟蹤器[J].光學精密工程，2011，19(07)：1605-1611.

Research on Techniques and Devices of Nature Sunlight Irradiance Measurements

LI Jie1, 2, DONG Xu1, WANG Yu-Peng3, CHEN Jian-Gong1, 2, WEI Peng1, LIAO Xiao-Hua1
(1. Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, Fujian,China)
(2. National PV Industry Measurement and Testing Center, Fuzhou 350003, Fujian, China)
(3. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, Jiling, China)

There are some advantages to use nature sunlight as the source of solar cell calibration compared with the usage of solar simulator.It accords with the request for calibration of solar cell that recommended by international criterion. There is a cooperate research to do it between Fujian Metroiogy Institute and Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,.It uses the solar irradiance absolute radiometer as the main baseline with the automatic solar tracker. The uncertainty of direct solar irradiance measurement is U=1.0%(k=2), keeps ahead in the PV field, it makes a foundation for calibration of reference solar cell.

Nature sunlight irradiance; Measurement technology;Measuring device; Uncertainty of measurement results

2014-02-10

李 杰，男，福建省計量科學研究院，副院長，國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心（籌）常務副主任，高級工程師