姜飛飛，劉海濤，楊 磊

(中國(guó)科學(xué)院 電工研究所 太陽(yáng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)質(zhì)量檢測(cè)中心太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

1 引 言

光伏電池光電性能是評(píng)估電池性能優(yōu)劣的重要依據(jù)，而短路電流是光電性能的重要參數(shù)之一[1,2]。由于不受自然能環(huán)境因素影響，操作便捷，室內(nèi)太陽(yáng)模擬器法是實(shí)驗(yàn)室和工廠生產(chǎn)線(xiàn)常用的電池電流-電壓特性測(cè)試方法。太陽(yáng)模擬器是利用人工光源在實(shí)驗(yàn)室模擬真實(shí)太陽(yáng)光的光譜分布、輻照度等參數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，根據(jù)其功能特點(diǎn)分為瞬態(tài)型模擬器和穩(wěn)態(tài)型模擬器[3～6]。

由于太陽(yáng)模擬器光源的光譜分布與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜分布的差異，光源的輻照不均勻度和不穩(wěn)定度也和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(AM1.5，溫度 25 ℃，輻照度1 000 W/m2)不一致，因此會(huì)影響到光伏電池短路電流測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性[7～13]。對(duì)于第三方檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，為了提高短路電流測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須對(duì)太陽(yáng)模擬器的性能進(jìn)行定期校準(zhǔn)，確保模擬器的性能滿(mǎn)足測(cè)試要求。

本文研究了穩(wěn)態(tài)型太陽(yáng)模擬器光譜匹配度、輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)光伏電池短路電流測(cè)試結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)對(duì)模擬器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行修正和控制，能夠有效降低短路電流測(cè)試值與校準(zhǔn)值的偏差，提高測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性。

2 太陽(yáng)模擬器性能等級(jí)劃分

IEC 60904-3:2016給出了標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜輻照度分布數(shù)據(jù)[14]，表1和表2分別表示標(biāo)準(zhǔn)條件下波長(zhǎng)范圍為400～1 100 nm和300～1 200 nm內(nèi)，不同波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)的積分輻照度與總積分輻照度的百分比。光譜匹配度，是指太陽(yáng)模擬器光源有效波段內(nèi)的積分輻照度百分比與標(biāo)準(zhǔn)條件下的積分輻照度百分比的比值。

表1 400～1100 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的積分輻照度的百分比Tab.1 Percentage of total irradiance in the wavelength range 400 nm to 1 100 nm

表2 300～1 200 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的積分輻照度的百分比Tab.2 Percentage of total irradiance in the wavelength range 300 nm to 1 200 nm

輻照不均勻度，是指在指定測(cè)試區(qū)域內(nèi)，輻照強(qiáng)度隨位置變化的最大相對(duì)偏差，輻照不均勻度UUNI的計(jì)算公式為：

(1)

式中：Irr-max和Irr-min分別是測(cè)試區(qū)域內(nèi)的輻照度最大值和最小值。

輻照不穩(wěn)定度，是指在指定測(cè)試區(qū)域內(nèi)任意位置上，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，輻照強(qiáng)度隨時(shí)間變化的最大相對(duì)偏差。輻照不穩(wěn)定度UINS的計(jì)算公式為：

(2)

式中：Irrs-max和Irrs-min分別是測(cè)試時(shí)間內(nèi)的輻照度最大值和最小值。

輻照不穩(wěn)定度又分為短時(shí)不穩(wěn)定度(STI)和長(zhǎng)時(shí)不穩(wěn)定度(LTI)，差別在于輻照度的采集時(shí)長(zhǎng)。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)電流-電壓特性采集方式和太陽(yáng)模擬器類(lèi)型，選擇STI或LTI進(jìn)行輻照不穩(wěn)定度評(píng)估，具體可參考IEC 60904-9:2020的要求。本文的試驗(yàn)對(duì)象是穩(wěn)態(tài)型太陽(yáng)模擬器，因此采用LTI對(duì)輻照不穩(wěn)定度的影響進(jìn)行分析。

根據(jù)太陽(yáng)模擬器3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)(光譜匹配度、輻照不均勻度、輻照不穩(wěn)定度)的數(shù)值大小，IEC 60904-9：2020將太陽(yáng)模擬器的性能等級(jí)劃分為4類(lèi)：A+、A、B、C[15]，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 太陽(yáng)模擬器等級(jí)劃分Tab.3 Definition of solar simulator classifications

太陽(yáng)模擬器的性能等級(jí)直接影響光伏電池短路電流測(cè)量的準(zhǔn)確性。對(duì)于光伏電池短路電流測(cè)量不確定度為2%左右的第三方檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，太陽(yáng)模擬器的等級(jí)一般要求為AAA級(jí)及以上。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 光譜匹配度的影響

采用太陽(yáng)模擬器對(duì)光伏電池的短路電流進(jìn)行測(cè)試，太陽(yáng)模擬光源與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)之間的光譜分布差異、標(biāo)準(zhǔn)電池與被測(cè)電池的光譜響應(yīng)度差異能夠直接影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中需要對(duì)光譜失配進(jìn)行修正。

IEC 60904-7:2019規(guī)定了光譜失配因子SMM(spectral mismatch factor)計(jì)算方法[16]，如式(3)所示。

(3)

式中：Eref(λ)是IEC 60904-3規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻照度分布；Esource(λ)是被測(cè)太陽(yáng)模擬器光源的光譜輻照度分布；Sref(λ)是標(biāo)準(zhǔn)電池的光譜響應(yīng)度；SDUT(λ)是被測(cè)電池的光譜響應(yīng)度。

使用光譜儀對(duì)太陽(yáng)模擬器的光譜進(jìn)行測(cè)試，并與AM1.5標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行比較，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)模擬光源和標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜輻照度分布Fig.1 Spectral irradiance distribution of solar simulator and reference solar

實(shí)驗(yàn)采用兩塊光伏電池：標(biāo)準(zhǔn)電池J-CH03，標(biāo)定值為114.1 mA；一塊經(jīng)過(guò)計(jì)量機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)的被測(cè)光伏電池J-CH02,校準(zhǔn)值為151.0 mA。使用光譜響應(yīng)測(cè)試裝置對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電池和被測(cè)電池分別進(jìn)行光譜響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)電池和被測(cè)電池的光譜響應(yīng)度Fig.2 Spectral responsivity of the reference PV cell and the cell under test

采用穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)模擬器，J-CH03作為標(biāo)準(zhǔn)電池，對(duì)被測(cè)電池J-CH02的短路電流進(jìn)行測(cè)試，按照式(3)計(jì)算光譜失配修正因子，分別得到修正前和修正后的短路電流值，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4所示。

表4 光譜失配修正前后J-CH02的短路電流數(shù)據(jù)Tab.4 Short-circuit current data of J-CH02 before and after spectral mismatch correction

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)短路電流進(jìn)行光譜失配修正后，測(cè)試值與校準(zhǔn)值的一致性更好，偏差降為0.06%。在實(shí)際測(cè)測(cè)試中，太陽(yáng)模擬器和被測(cè)電池的引起的光譜失配誤差，會(huì)嚴(yán)重影響短路電流測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此進(jìn)行光譜失配修正對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估光伏電池短路電流是至關(guān)重要的。

3.2 輻照不均勻度的影響

對(duì)于不同類(lèi)型的光伏電池，其有效測(cè)試面積相差很大。最小的鈣鈦礦電池面積只有幾個(gè)平方毫米，最大的晶硅電池尺寸達(dá)到210 mm×210 mm。光伏電池的尺寸不同，其在太陽(yáng)模擬器下放置的位置也不同，太陽(yáng)模擬器的輻照不均勻性對(duì)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。本文中的太陽(yáng)模擬器有效光源面積是200 mm×200 mm，為了研究輻照不均勻度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，選用一塊尺寸為156 mm×156 mm的光伏電池進(jìn)行遮擋輻照實(shí)驗(yàn)。分別對(duì)電池的不同位置進(jìn)行遮擋，如圖3所示，同時(shí)測(cè)試遮擋后的電流-電壓特性數(shù)據(jù)，如表5所示。

圖3 光伏電池遮擋輻照實(shí)驗(yàn)Fig.3 Irradiance shading experiment

表5 光伏電池遮擋后的電流-電壓特性數(shù)據(jù)Tab.5 Current-voltage characteristics of shaded PV cell

圖4 遮擋后的電流-電壓特性曲線(xiàn)Fig.4 Current-voltage characteristics curve of shaded PV cell

圖4所示的是每次遮擋電池后測(cè)得的電流-電壓特性曲線(xiàn)。將短路電流與遮擋率進(jìn)行線(xiàn)性擬合，如圖5所示，可以看出，短路電流與遮擋率之間呈線(xiàn)性關(guān)系。

從上述分析可以看出，對(duì)于光伏電池進(jìn)行短路電流測(cè)試，其短路電流測(cè)試結(jié)果與測(cè)試平面內(nèi)的光源輻照度分布沒(méi)有關(guān)系，而與測(cè)試平面內(nèi)的平均輻照強(qiáng)度有關(guān)。因此對(duì)于不同尺寸的光伏電池進(jìn)行測(cè)試，為了減小輻照不均勻度的影響，需要保證被測(cè)電池有效輻照平面內(nèi)的平均輻照強(qiáng)度等于標(biāo)準(zhǔn)輻照強(qiáng)度1 000 W/m2或需要的其他輻照強(qiáng)度。

3.3 輻照不穩(wěn)定度的影響

太陽(yáng)模擬器的光源不穩(wěn)定度能夠直接影響光伏電池短路電流測(cè)試結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性。選用標(biāo)準(zhǔn)光伏電池J-CH03對(duì)太陽(yáng)模擬器的長(zhǎng)時(shí)不穩(wěn)定度LTI進(jìn)行測(cè)試，分別測(cè)試輻照不穩(wěn)定度為0.79%和2.28%時(shí)的短路電流。測(cè)試時(shí)間分別為10 s,記錄每秒鐘短路電流的變化情況。短路電流重復(fù)性測(cè)試誤差(按照式(4)進(jìn)行計(jì)算。

圖5 短路電流與遮擋率的關(guān)系Fig.5 Relationship between short-circuit current and shading rate

(4)

式中：I為每秒鐘測(cè)得的短路電流值；n是短路電流數(shù)據(jù)總數(shù)。

表6所示的是不同輻照不穩(wěn)定度條件下的短路電流測(cè)試值的變化情況，短路電流已經(jīng)按照IEC 60891的要求修正到了標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下。從表6中數(shù)據(jù)可以看出，輻照不穩(wěn)定度為0.79%的光照條件下，短路電流重復(fù)性測(cè)試誤差為0.12%，遠(yuǎn)低于輻照不穩(wěn)定度為2.28%下的誤差。對(duì)于第三方實(shí)驗(yàn)室，穩(wěn)態(tài)型模擬光源的長(zhǎng)時(shí)不穩(wěn)定度最好控制在2%之內(nèi)，才能保證測(cè)試結(jié)果的可復(fù)現(xiàn)性。

表6 不同輻照不穩(wěn)定度條件下的短路電流變化情況Tab.6 Short-circuit current data under different temporal instability of irradiance

4 結(jié) 論

研究了穩(wěn)態(tài)型太陽(yáng)模擬器光譜失配度、輻照不均勻度、輻照不穩(wěn)定度對(duì)光伏電池短路電流測(cè)試結(jié)果的影響。通過(guò)對(duì)模擬光源與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光、標(biāo)準(zhǔn)電池與被測(cè)電池進(jìn)行光譜失配修正，能夠?qū)?shí)驗(yàn)偏差降低0.26%；對(duì)光伏電池進(jìn)行遮擋輻照實(shí)驗(yàn)，分析輻照不均勻度與被測(cè)電池在測(cè)試平面內(nèi)的位置關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)被測(cè)電池有效測(cè)試平面內(nèi)的平均輻照強(qiáng)度滿(mǎn)足要求時(shí)，能夠最大程度降低輻照不穩(wěn)定度的影響；對(duì)不同輻照不穩(wěn)定度條件下的短路電流進(jìn)行測(cè)試，分析輻照不穩(wěn)定度對(duì)測(cè)試結(jié)果重復(fù)性的影響，實(shí)驗(yàn)表明輻照不穩(wěn)定度為0.79%的條件下，短路電流測(cè)試結(jié)果重復(fù)性誤差能夠降低0.86%。對(duì)于第三方檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，太陽(yáng)模擬器的性能等級(jí)，對(duì)光伏電池短路電流的測(cè)試結(jié)果有巨大的影響。為了提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須確保太陽(yáng)模擬器的性能滿(mǎn)足要求。