陳建功

（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）

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，作為標準光源對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”）進行測量。為確保光伏特性的測量，準確評價太陽能電池或組件質量和產(chǎn)量，維護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，福建省質量技術監(jiān)督局在全國率先制定了福建省地方標準《DB35/T 1362-2013 太陽模擬器技術要求》。該標準于2013年8月1日發(fā)布，2013年11月1日起實施。該標準參考《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和技術要求、檢測方法以及使用過程中質量控制等。

福建省計量科學研究院提出該標準，為該標準的主要起草單位，與臺灣計量工程學會合作研制太陽模擬器輻照度不均勻度校準裝置，為驗證該標準的科學性、適用性已開展了大量的研究工作，為該標準的實施奠定了堅實的基礎。

1 太陽模擬器的分級規(guī)定

太陽光模擬器的光學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標準，對三個光學特性分別作了A、B、C三個等級的分級規(guī)定，各等級對應的技術指標見表1。

表1 太陽模擬器分級規(guī)定

IEC標準規(guī)定依據(jù)三個光學特性技術指標達到的各個級別，其順序表示太陽模擬器的級別，規(guī)定要求用于光伏性能測試的太陽模擬器至少應達到CBA級別（即：光譜匹配度C級、輻照度不均勻度B級、輻照度時間不穩(wěn)定度A級），并要求用于輻照曝曬的太陽模擬器至少應達到CCC級別。

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部分構成：（1）光源和相關電源：（2）調節(jié)輸出光束的各種光學器件；（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結構圖，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（通常是單個氙燈）、反射鏡、光學積分器和準直鏡等光學器件的加工和調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結構圖

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1m～3m。光源的氙燈數(shù)量、結構和排列，以及輻照度均勻化結構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：4個短氙燈橫豎對稱排列

XY 方向輻照度均勻化結構

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

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規(guī)定，即使最高等級的AAA級太陽模擬器，其輻照度不均勻度可允許達到2%，這對I-V特性測量結果的準確性有很大的影響。實驗數(shù)據(jù)表明[2]，用同一臺AAA級太陽模擬器測量3個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I-V特性測量結果的準確性影響很大。在對太陽模擬器質量要求和技術特性進行調研和檢測實驗中也得知輻照度不均勻度是最難達到的一個技術指標，也是光伏產(chǎn)業(yè)需要解決的技術難題。

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，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，至少應將指定測試平面等分成64個測量位置。當測試平面較大，64等分后的測量位置面積若大于400cm2的還應當將測試平面等分成更多個測量位置，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間變化對輻照度不均勻度的影響

逐一測量每個測量位置的輻照度需要一個長時間的測量過程，穩(wěn)態(tài)模擬器不會保持輻照度始終不變，而脈沖模擬器的數(shù)十個、甚至100個～200個脈沖的輻照度都是不同的。為此，每個測量位置的輻照度都受到光源輻照度隨時間變化的影響，這就使得輻照度非常均勻的測試平面也會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置1個輻照度監(jiān)測電池，用以監(jiān)測、記錄在測量各個測量位置輻照度時、該測量位置的輻照度隨時間的變化，進而修正光源輻照度隨時間的變化對輻照度不均勻度的影響。

3.2.3 輻照度檢測器（組）的技術要求

用于測量每個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%，光譜響應和響應時間應適應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、準確地檢測太陽模擬器的輻照度不均勻度，制作由多個輻照度檢測器組成的輻照度均勻性校準裝置是較好的辦法。為此我們與臺灣計量工程學會合作研制了用20個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次照射的時刻里可同時測量20個測量位置或4個位置的輻照度，從而達到快速、準確測量的目的。

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轉換和數(shù)據(jù)采集處理

公式（1）表達了輻照度不均勻度的定義，實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)生的短路電流轉換為電壓信號，轉換用的負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。測量轉換電壓信號的儀器精度應優(yōu)于0.1%。用數(shù)據(jù)采集器采集I-V轉換后產(chǎn)生的信號，采集器的精度應優(yōu)于0.1%。

在數(shù)據(jù)處理過程還對光源輻照度隨時間的變化對輻照度不均勻度影響的歸一化進行了處理修正，解決了檢測器（組）中各個檢測器輻照度響應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 本校準裝置的校準驗證和校準結果擴展不確定度分析

4.1 校準裝置的校準驗證

為了保證研制的太陽模擬器輻照度均勻性校準裝置準確可靠，由中國計量科學研究院對本校準裝置進行校準，校準結果擴展不確定度為1.0%（ =2）。經(jīng)校準，本校準裝置分別配置2個檢測器（組）校準太陽模擬器輻照度不均勻度的校準結果偏差分別為0.4%和0.6%。經(jīng)校準驗證，本裝置符合用于校準太陽模擬器A級輻照度不均勻度的要求。

4.2 校準裝置的校準結果擴展不確定度分析

4.2.1 概述

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

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

4.2.1.3 校準參數(shù)和技術要求

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

4.2.1.4 校準方法：

將太陽模擬器測量面劃分成不少于64個測量位置，測量每個測量位置的輻照度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是表征各個測量位置輻照度的等效電壓信號，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：

該校準裝置是將多個太陽能電池分立安裝成4行5列的檢測器組，每個太陽能電池都串聯(lián)采樣電阻。在太陽模擬器光照射下同時測量各個采樣電壓，得到各個測量區(qū)域輻照度的等效電壓信號i。對一臺太陽模擬器只要進行數(shù)次照射測量就可以測得測量面的各個測量區(qū)域的輻照度，較大程度地縮短了測量時間，減少了太陽模擬器輻照度隨時間變化對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，進行歸一化處理，進一步減少了太陽模擬器輻照度隨時間變化對輻照度不均勻性的影響。

4.2.2 校準結果擴展不確定度分析

4.2.2.1 檢測器組經(jīng)校準，校準結果擴展不確定度引入的標準不確定度分量1

檢測器組經(jīng)中國計量科學研究院校準，根據(jù)校準證書可知，校準結果的相對擴展不確定度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、重復接受太陽模擬器光照射24次，各個檢測器測得等效電壓信號i的標準偏差見表2。

表2 各個電池測得等效電壓信號 i的標準偏差表

根據(jù)表2計算結果，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，3=0.06%。

4.2.2.4 測量等效電壓信號用的數(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

4.2.2.5 檢測器（組）測量太陽模擬器輻照度不均勻度的標準不確定度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展不確定度

[1]孫皓，熊利民.太陽模擬器等級評定測試[J].中國計量測試學會光輻射委員會學術論文集（桂林），2009.10.

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

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