李 杰

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院/國家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測試中心，福州 350003)

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照射光與中心線平行和與平面垂直的檢測定位技術(shù)*

李 杰

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院/國家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測試中心，福州 350003)

在光伏行業(yè)計(jì)量領(lǐng)域采用直射陽光校準(zhǔn)的光伏參考電池的過程中，需要解決直射陽光與用于測量直射陽光輻照度的腔體絕對輻射計(jì)入射光軸中心線平行、直射陽光與光伏參考電池受光平面垂直的檢測定位問題。研究、應(yīng)用以二小孔中心連線通過的直射陽光作為基準(zhǔn)要素的檢測定位原理，研制相應(yīng)的檢測定位裝置，為校準(zhǔn)參考太陽電池解決了關(guān)鍵的檢測定位問題。應(yīng)用該檢測定位原理研制的照射光與幾何要素平行和垂直檢具，獲得實(shí)用新型專利權(quán)。

計(jì)量學(xué)；光伏計(jì)量；照射光；平行；垂直；定位

0 引言

用直射陽光照射光伏參考電池、測量其輸出的短路電流，是光伏參考電池量值校準(zhǔn)的重要方法之一。在校準(zhǔn)過程中，必須保證用于測量直射陽光輻照度(W·m-2)的腔體絕對輻射計(jì)的入射光軸中心線準(zhǔn)確地平行于直射陽光，必須保證接受直射陽光照射、輸出短路電流(A)的光伏參考電池受光平面準(zhǔn)確垂直于直射陽光，方可準(zhǔn)確測量光伏參考電池校準(zhǔn)值(A·W·m-2)[1]。

福建省計(jì)量科學(xué)研究院承擔(dān)國家質(zhì)檢總局科研項(xiàng)目《日射法一級參考太陽能測量裝置》，研制準(zhǔn)確測量直射陽光輻照度等太陽能輻照度參數(shù)的裝置[2]，為測量參考太陽電池校準(zhǔn)值提供直射陽光輻照度(W·m-2)這一關(guān)鍵量值。該科研項(xiàng)目將幾何量位置誤差測量中的照射光與中心線平行、與平面垂直的檢測定位技術(shù)[3-4]應(yīng)用于研制日射法一級參考太陽能測量裝置(以下稱“測量裝置”)，實(shí)現(xiàn)了直射陽光與測量裝置的腔體絕對輻射計(jì)入射光軸中心線平行、與光伏參考電池受光平面垂直。采用準(zhǔn)確定位的腔體絕對輻射計(jì)和雙軸雙模式太陽跟蹤儀配合測量直射陽光輻照度，經(jīng)科研項(xiàng)目驗(yàn)收意見評價(jià)測量結(jié)果不確定度U=1.0%(k=2)，在光伏領(lǐng)域達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。該檢測定位裝置的技術(shù)原理還用于研制照射光與幾何要素平行和垂直的檢具，在光伏計(jì)量和其它領(lǐng)域中都有很好的作用，使用方便、準(zhǔn)確可靠，已獲得實(shí)用新型專利權(quán)。

1 直射陽光與腔體絕對輻射計(jì)中心線平行的檢測定位技術(shù)

測量裝置的直射陽光輻照度測量儀器為腔體絕對輻射計(jì)，見圖1(a)。腔體絕對輻射計(jì)安裝于二維微調(diào)安裝架，經(jīng)二維方向調(diào)整使得腔體絕對輻射計(jì)的中心線瞄準(zhǔn)太陽，腔體絕對輻射計(jì)前端快門打開時(shí)，直射陽光能準(zhǔn)確、平行地照射在位于腔體內(nèi)中心線位置的輻照度測量傳感器上，以準(zhǔn)確測量直射陽光輻照度。

圖1 腔體輻照度計(jì)安裝及其中心線平行于直射陽光定位圖

但是，腔體絕對輻射計(jì)中心線是否與直射陽光準(zhǔn)確平行是無法直接用目測的方式判斷的[5]。本測量裝置腔體絕對輻射計(jì)的前、后端的凸緣上分別加工了一個(gè)直徑約1mm的小孔，加工工藝保證這二個(gè)小孔中心線的連線與腔體絕對輻射計(jì)中心線嚴(yán)格平行，見圖1(b)。

在校準(zhǔn)光伏參考電池過程，調(diào)整二維微調(diào)安裝架上的腔體絕對輻射計(jì)的二個(gè)小孔中心線的連線瞄準(zhǔn)太陽，使得直射陽光從前端小孔透過、照射在后端面形成一個(gè)明亮的光斑，見圖1(b)。該光斑照準(zhǔn)了后端小孔，則表明這二個(gè)小孔中心線的連線與直射陽光平行，也就使得腔體絕對輻射計(jì)中心線與直射陽光平行。

2 直射陽光與光伏參考電池垂直的檢測和定位技術(shù)

本裝置采用垂直瞄準(zhǔn)器檢測、定位光伏參考電池垂直于直射陽光。垂直瞄準(zhǔn)器、光伏參考電池均安裝于電池安裝臺，見圖2(a)。垂直瞄準(zhǔn)器的底面與其中心線經(jīng)精密加工[6]，二者之間垂直度誤差控制在0.01mm；底面安裝于電池安裝臺的正面。電池安裝平臺的正面與其背面采用互為磨削定位基準(zhǔn)的方式磨削加工，平行度誤差控制在0.02mm以內(nèi)。這些加工精度和安裝方式可保證垂直瞄準(zhǔn)器的中心線與電池安裝臺的正面、背面垂直。

光伏參考電池的受光平面貼附安裝在電池安裝臺的背面，見圖2(a)，調(diào)整垂直瞄準(zhǔn)器中心線相對直射陽光平行，則可保證光伏參考電池的受光面相對于直射陽光垂直。

圖2 光伏參考電池平面與垂直定位器中心線和直射陽光垂直定位圖

調(diào)整垂直瞄準(zhǔn)器中心線相對直射陽光平行的檢測和定位技術(shù)與調(diào)整腔體絕對輻射計(jì)中心線相對直射陽光平行的方法相同。前、后端的凸緣上分別加工了一個(gè)直徑約1mm的小孔，二個(gè)小孔中心線的連線與垂直瞄準(zhǔn)器中心線嚴(yán)格平行。

直射陽光從垂直瞄準(zhǔn)器前端小孔透過、照射在后端面形成一個(gè)明亮的光斑，見圖2(b)及局部放大圖，圖中垂直瞄準(zhǔn)器后端凸緣上的明亮光斑相對小孔中心偏離，表明二個(gè)小孔中心線的連線與直射陽光不平行，也就是電池安裝臺正面與直射陽光不垂直。在實(shí)際檢測定位時(shí)，應(yīng)使得該光斑照準(zhǔn)后端凸緣上的小孔，則表明這二個(gè)小孔中心線的連線與直射陽光平行，也就使得垂直瞄準(zhǔn)器中心線與直射陽光平行，進(jìn)而電池安裝臺正面和在其背面貼附安裝的參考電池受光平面與直射陽光垂直。

3 照射光與幾何要素平行和垂直檢具

3.1 照射光與幾何要素平行和垂直檢具的技術(shù)特征

本照射光與幾何要素平行和垂直檢具獲得實(shí)用新型專利權(quán)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，技術(shù)特征如下所述。

1)A面、B面和C面嚴(yán)格平行；

2)小孔a孔和b孔的中心線連線a-b與A面、B面和C面嚴(yán)格垂直；

3)連線a-b與D、E、F和G面嚴(yán)格平行；

4)連線a-b與V型槽中心線嚴(yán)格平行。

這些結(jié)構(gòu)和技術(shù)特征僅僅是本專利的說明性的描述，而不是對專利的范圍的限定。

圖3 照射光與幾何要素平行和垂直檢具

3.2 用于照射光與表面平行的檢測

照射光從A面入射并照準(zhǔn)B面的b孔時(shí)，由于D、E、F和G面與a-b(照射光)平行，則D、E、F和G面以及與這些面緊靠連接、平行的表面與照射光平行。

3.3 用于照射光與圓柱中心線平行的檢測

在V型槽中放置圓柱，可知這圓柱中心線必然與V型槽中心線平行。由于連線a-b與V型槽中心線嚴(yán)格平行，則圓柱中心線必然與連線a-b平行。那么，若照射光從A面入射并照準(zhǔn)B面的b孔，則可檢測、判斷圓柱中心線與照射光平行。

3.4 用于照射光與表面垂直的檢測

照射光從A面入射并照準(zhǔn)B面的b孔時(shí)，由于a孔和b孔中心線的a-b連線與A、B和C面垂直，則A、B和C面以及與A、B和C面緊靠連接、平行的表面都與照射光垂直。該檢具的A面或C面安裝與太陽能電池組件的受光面平行，用于調(diào)校太陽能電池組件的受光面垂直于直射陽光，具有方便、準(zhǔn)確的作用。

3.5 照射光與幾何要素平行和垂直檢具獲得實(shí)用新型專利權(quán)

照射光與幾何要素平行和垂直檢具在光伏計(jì)量中得到很好的應(yīng)用，在幾何量計(jì)量和許多產(chǎn)業(yè)、領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用價(jià)值。這項(xiàng)檢具和測量技術(shù)已經(jīng)獲得實(shí)用新型專利權(quán)。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用幾何量位置誤差測量的基本原理，研制的檢測定位裝置以通過二小孔中心連線的直射陽光作為基準(zhǔn)要素，解決了腔體絕對輻射計(jì)入射光軸中心線與直射陽光平行、光伏參考電池受光平面與照射光垂直的檢測定位問題，采用腔體絕對輻射計(jì)和雙軸雙模式太陽跟蹤儀測量直射陽光輻照度的測量結(jié)果不確定度U=1.0%(k=2)，在光伏領(lǐng)域達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

進(jìn)一步應(yīng)用這個(gè)檢測定位裝置基本原理，研制了照射光與幾何要素平行和垂直檢具，獲得實(shí)用新型專利。該檢具適用于光伏計(jì)量的太陽能電池組件與直射陽光垂直的檢測定位，以及其他領(lǐng)域需要的照射光與幾何要素平行、垂直的檢測定位，具有很好的便捷、準(zhǔn)確的實(shí)用價(jià)值。

[1] IEC 60904-4-2009，Photovoltaic devices -Part 4: Reference solar devices - Procedures for establishing calibration traceability[S]

[2] 李杰，董旭，王玉鵬，陳建功，魏鵬，廖小華.自然陽光輻照度測量技術(shù)和裝置的研究[J].質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究, 2014(2)

[3] GB/T 1182—1996，形狀和位置公差[S]

[4] GB/T 1958—2004，產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范(GPS)形狀和位置公差 檢測規(guī)定[S]

[5] 畢宇慶.DI5S測距儀三軸平行性的調(diào)校[J].計(jì)量技術(shù),2004(2)

[6] 李義文.軸套垂直度的檢測[J].計(jì)量技術(shù),2004(11)

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012QK022)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.3.13