周軍紅　吳健鷗　梅書(shū)剛　羅旭東

摘要：為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池光電參數(shù)測(cè)量條件的一致性，進(jìn)而保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)驗(yàn)室間測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)及互認(rèn)的公正性，該文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓溫度修正、短路電流溫度修正、太陽(yáng)輻照強(qiáng)度修正等量值傳遞技術(shù)的研究，完成參考太陽(yáng)電池在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（STC）下的量值傳遞到室外自然環(huán)境下的太陽(yáng)電池組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)條件下太陽(yáng)電池組件光電參數(shù)的STC修正。太陽(yáng)電池組件修正后的開(kāi)路電壓值、短路電流值與STC條件下的開(kāi)路電壓值、短路電流值相對(duì)偏差分別為–0.95%、0.58%。該量值傳遞技術(shù)及其方法為非STC條件下太陽(yáng)電池組件光電參數(shù)實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)及互認(rèn)提供可能。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)電池;量值傳遞;量值比對(duì);溫度修正;輻照度修正

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ317.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674–5124（2019）02–0007–04

0 引言

近年來(lái)，光伏能源因其清潔、可再生等方面的巨大優(yōu)勢(shì)而受到越來(lái)越多的重視，世界各主要經(jīng)濟(jì)體不斷加大對(duì)光伏發(fā)展的推進(jìn)力度[1-3]。但是，由于各主要光伏計(jì)量機(jī)構(gòu)間沒(méi)有建立統(tǒng)一的溯源體系，從而導(dǎo)致太陽(yáng)光伏電池及其組件光電參數(shù)測(cè)量條件的一致性以及測(cè)量量值的準(zhǔn)確性無(wú)法保證，進(jìn)而影響到實(shí)驗(yàn)室間測(cè)量數(shù)據(jù)的比對(duì)及互認(rèn)，對(duì)太陽(yáng)電池的技術(shù)創(chuàng)新、質(zhì)量提升、產(chǎn)品貿(mào)易等方面的發(fā)展形成極大限制。所以，建立太陽(yáng)電池統(tǒng)一的量傳溯源體系，實(shí)現(xiàn)從參考太陽(yáng)電池到太陽(yáng)電池組件的量值傳遞，最終必然會(huì)提升光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

該文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓溫度修正、短路電流溫度修正、太陽(yáng)輻照強(qiáng)度修正等量值傳遞技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)條件下太陽(yáng)電池組件光電參數(shù)的STC修正。太陽(yáng)電池組件修正后的開(kāi)路電壓值、短路電流值與STC條件下的開(kāi)路電壓值、短路電流值相對(duì)偏差分別為–0.95%、0.58%，達(dá)到較好水平。該量值傳遞技術(shù)為非STC條件下太陽(yáng)電池組件光電參數(shù)實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)及互認(rèn)提供了可能。

1 基本原理

太陽(yáng)電池光電參數(shù)通過(guò)I-U曲線(xiàn)掃描獲取[4-5]，而I-U曲線(xiàn)測(cè)量條件的一致性，是采集到的光電特征參數(shù)準(zhǔn)確與否的前提，是太陽(yáng)電池光電性能強(qiáng)弱對(duì)比的前提，更是不同實(shí)驗(yàn)室間測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)及互認(rèn)的基礎(chǔ)。為此，通常在標(biāo)準(zhǔn)條件（STC）[6]下（光譜分布AM1.5G[7]，輻照度1000W/m2，環(huán)境溫度25°C）標(biāo)定太陽(yáng)電池I-U曲線(xiàn)。但在實(shí)際測(cè)試中太陽(yáng)電池的溫度和測(cè)試的輻照度并不能完全達(dá)到STC條件，這時(shí)需要對(duì)太陽(yáng)電池I-U曲線(xiàn)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行溫度差異、輻照度差異以及I-U特性曲線(xiàn)修正。

太陽(yáng)電池I-U曲線(xiàn)的溫度和輻照度修正公式[8]為

式中：I1、U1——實(shí)測(cè)電流、電壓值;

I2、U2——修正后的電流、電壓值;

T1——樣品的實(shí)測(cè)溫度;

T2——標(biāo)準(zhǔn)條件下的溫度;

α、β——試驗(yàn)樣品在標(biāo)準(zhǔn)輻照度下的電流和電壓溫度系數(shù)（β為負(fù)值）;

Rs——試驗(yàn)樣品的內(nèi)部串聯(lián)電阻;

G1——實(shí)際工況條件下的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度;

G2——STC條件下的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度。

I-U特性修正可通過(guò)下式[9]計(jì)算：

式中：ISC——樣品的實(shí)測(cè)短路電流;

IMR——標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的實(shí)測(cè)短路電流，在測(cè)量IMR時(shí)，如有必要應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電池的溫度作修正;ISR——標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池在標(biāo)準(zhǔn)輻照度下的短路電流;

K——曲線(xiàn)修正系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)與方法

實(shí)驗(yàn)中參考太陽(yáng)電池由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研發(fā)并完成STC條件下的定標(biāo)，型號(hào)為81#;太陽(yáng)模擬器及I-U測(cè)試系統(tǒng)是美國(guó)ABET公司生產(chǎn)的SUN3000;實(shí)驗(yàn)中使用的太陽(yáng)電池及太陽(yáng)電池組件從廣州光之龍光伏科技有限公司定制，太陽(yáng)電池及太陽(yáng)電池組件是同一批次相同材質(zhì)產(chǎn)品，其中太陽(yáng)電池規(guī)格為156mm×156mm，太陽(yáng)電池組件規(guī)格為1.6m×1.0m。太陽(yáng)電池組件光電參數(shù)在STC條件下的標(biāo)定由國(guó)家太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（廣東）完成，該量值可溯源到中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。太陽(yáng)電池組件戶(hù)外自然環(huán)境下的光電參數(shù)由臺(tái)灣ALLReal公司生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池模組I-U曲線(xiàn)同步測(cè)量系統(tǒng)（SIVT504）采集得到;自然環(huán)境下太陽(yáng)輻照強(qiáng)度由自主開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)模擬器絕對(duì)輻照強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)采集得到，該系統(tǒng)可溯源到中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的溫度測(cè)量由Fluke2625A數(shù)據(jù)采集器外加熱電偶組成的采集系統(tǒng)在線(xiàn)采集完成，該系統(tǒng)可溯源到中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程是：首先，由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院81#參考電池實(shí)現(xiàn)對(duì)ABETSUN3000標(biāo)準(zhǔn)光源絕對(duì)輻照強(qiáng)度的校準(zhǔn);然后，由SUN3000實(shí)現(xiàn)對(duì)156mm×156mm規(guī)格的太陽(yáng)電池電壓溫度系數(shù)、電流溫度系數(shù)的計(jì)算;最后將電壓溫度系數(shù)、電流溫度系數(shù)傳遞到規(guī)格為1.6m×1.0m的太陽(yáng)電池組件，并修正I-U特性曲線(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)由參考電池到太陽(yáng)能電池組件的量值傳遞。太陽(yáng)電池及太陽(yáng)電池組件I-U特性的測(cè)量方法在以前的文獻(xiàn)中都有說(shuō)明[10-11]。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度修正系數(shù)計(jì)算

分別在不同的溫度條件下，對(duì)太陽(yáng)電池I-U特性進(jìn)行測(cè)量，隨溫度的變化太陽(yáng)電池的光電參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)分別建立太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓隨溫度的變化曲線(xiàn)、短路電流隨溫度的變化曲線(xiàn)，如圖1所示。由圖可以看出，兩條曲線(xiàn)都近似于直線(xiàn)的變化趨勢(shì)，通過(guò)擬合，分別建立了兩條線(xiàn)的一次函數(shù)關(guān)系，其中開(kāi)路電壓-溫度（U-T）的一次函數(shù)為：y=–0.0019x+0.6782;短路電流-溫度（I-T）的一次函數(shù)為：y=0.0048x+8.85。

根據(jù)IEC61215第10.4條[7]，太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓（UOC）絕對(duì)溫度修正系數(shù)β為–0.0019V/K，短路電流（ISC）絕對(duì)溫度修正系數(shù)α為0.0048A/K。

3.2 I-U特性曲線(xiàn)修正

1）自然環(huán)境下太陽(yáng)電池組件的I-U特性參數(shù)采集

戶(hù)外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)采集的自然環(huán)境下太陽(yáng)能電池組件I-U特性，現(xiàn)場(chǎng)的輻照強(qiáng)度為738W/m2。主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

2）太陽(yáng)電池組件自然環(huán)境下的I-U特性參數(shù)修正

將式（1）～式（4）簡(jiǎn)化并整合后得到如下修正公式：

式中：I、U——太陽(yáng)電池組件修正前的實(shí)測(cè)電流、電壓值;

Uoc（stc）、Isc（stc）——太陽(yáng)電池組件STC條件下的開(kāi)路電壓、短路電流值;

Ustc、Istc——太陽(yáng)電池組件修正后的電壓、電流值;

k——經(jīng)驗(yàn)常數(shù);

T——修正前太陽(yáng)電池組件表面實(shí)測(cè)溫度。

通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)，最后取k=0.1時(shí)修正結(jié)果在本次實(shí)驗(yàn)中最為理想。

將計(jì)算得到的電壓溫度修正系數(shù)、電流溫度修正系數(shù)、太陽(yáng)電池組件自然環(huán)境下的I-U特性原始數(shù)據(jù)（輻照強(qiáng)度為738W/m2、太陽(yáng)電池組件表面溫度為39.7°C等）帶入式（5）、式（6）并修正到1000W/m2、25°C條件，得到修正后的I-U特性數(shù)據(jù)，如表3所示。

圖2是實(shí)驗(yàn)場(chǎng)自然環(huán)境下采集到的太陽(yáng)電池組件I-U特性曲線(xiàn)在修正前后的對(duì)比情況，很明顯經(jīng)過(guò)修正后I-U特征值得到了有效的提高，但是曲線(xiàn)波形沒(méi)有發(fā)生明顯變化。

3）太陽(yáng)電池組件I-U特性修正后數(shù)據(jù)與STC條件下標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)戶(hù)外實(shí)驗(yàn)后，對(duì)太陽(yáng)電池組件進(jìn)行了STC條件下的定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，得到了STC條件下太陽(yáng)電池組件的I-U特性曲線(xiàn)及其特征參數(shù)。圖3是關(guān)于太陽(yáng)電池組件經(jīng)過(guò)溫度、輻照等修正后的I-U特性曲線(xiàn)與STC條件下標(biāo)定的I-U特性曲線(xiàn)對(duì)比，很明顯兩條曲線(xiàn)幾乎重合在一起。

表4中對(duì)太陽(yáng)電池組件I-U特性的特征參數(shù)進(jìn)行了比較，自然條件下的I-U特性經(jīng)過(guò)修正后其開(kāi)路電壓由修正前的35.09V提高到修正后的37.27V;短路電流由修正前的5.99A提高到修正后的8.72A。與此同時(shí)，修正后的開(kāi)路電壓值與STC條件下的標(biāo)定值37.63V偏差為–0.95%;修正后的短路電流值與STC條件下的標(biāo)定值8.67A偏差為0.58%，修正效果比較明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到了從太陽(yáng)電池到太陽(yáng)電池組件的溫度修正系數(shù)，基于太陽(yáng)電池I-U特性溫度、輻照度以及曲線(xiàn)修正公式的理論指導(dǎo)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，形成了自己的I-U特性曲線(xiàn)的修正方法，通過(guò)該修正方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)電池組件I-U特性的修正。修正后其開(kāi)路電壓、短路電流距離STC條件下標(biāo)定值的偏差分別為–0.95%、0.58%。通過(guò)以上工作，找到了從參考太陽(yáng)電池到太陽(yáng)電池組件的量值傳遞的技術(shù)、方法、路線(xiàn)，這種技術(shù)、方法、路線(xiàn)可以為各類(lèi)型太陽(yáng)電池量值傳遞工作提供參考和借鑒，為非STC條件下太陽(yáng)電池組件光電參數(shù)實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)及互認(rèn)提供了可能。

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