林劍春

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院, 福建 福州 350003)

1 前言

光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件，其功率大小直接影響到光伏電站的發(fā)電量，而光伏組件的功率通常是用太陽(yáng)模擬器進(jìn)行測(cè)量的[1]。太陽(yáng)模擬器主要由太陽(yáng)模擬器I-V測(cè)試儀、紅外測(cè)溫探頭以及光源等3個(gè)部分組成[2]。要保證光伏組件功率的準(zhǔn)確測(cè)量和I-V特性曲線的準(zhǔn)確性，必須對(duì)太陽(yáng)模擬器各組成部分進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試[3，4]。

對(duì)于光伏組件用太陽(yáng)模擬器，其外形尺寸通常較大，且I-V測(cè)試儀系統(tǒng)多數(shù)整合在機(jī)柜中，不便于進(jìn)行拆卸測(cè)試，因此光伏企業(yè)迫切要求能夠在線開展I-V測(cè)試儀的校準(zhǔn)測(cè)試。此外，對(duì)于光伏組件生產(chǎn)企業(yè)而言，生產(chǎn)線上配備的光伏組件用太陽(yáng)模擬器的使用率非常高，如果能夠快速對(duì)I-V測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)將有利于企業(yè)提高生產(chǎn)效率，增大效益。根據(jù)這些實(shí)際情況，文中提出一種基于比較測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)光伏組件開路電壓和短路電流電性參數(shù)的方法對(duì)太陽(yáng)模擬器I-V測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)，該方法具有操作簡(jiǎn)單、校準(zhǔn)速度快、校準(zhǔn)結(jié)果直觀的特點(diǎn)，可以較好地滿足產(chǎn)線對(duì)設(shè)備進(jìn)行快速校準(zhǔn)的需要。

2 校準(zhǔn)方法基本原理與裝置

文中基于比較測(cè)量法，采用光伏組件生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)線上標(biāo)定太陽(yáng)模擬器光源輻照度常用的標(biāo)準(zhǔn)光伏組件作為被測(cè)對(duì)象。測(cè)量時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)光伏組件依次與太陽(yáng)模擬器I-V測(cè)試儀以及校準(zhǔn)裝置相連接，保證標(biāo)準(zhǔn)光伏組件放置在太陽(yáng)模擬器有效輻照面的同一位置，并盡量保持恒定的測(cè)試時(shí)的溫度、濕度等環(huán)境條件不變，來(lái)監(jiān)控太陽(yáng)模擬器的輻照度值變化情況，分別記錄下測(cè)試系統(tǒng)以及校準(zhǔn)裝置對(duì)同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光伏組件的測(cè)試結(jié)果，再將太陽(yáng)模擬器I-V測(cè)試儀與校準(zhǔn)裝置分別測(cè)量得到的開路電壓值和短路電流值進(jìn)行比較，從而得到被校準(zhǔn)的太陽(yáng)模擬器I-V測(cè)試儀修正系數(shù)。主要的校準(zhǔn)裝置為數(shù)字信號(hào)采集裝置、精密采樣電阻、監(jiān)控太陽(yáng)電池和標(biāo)準(zhǔn)光伏組件。校準(zhǔn)裝置的主要計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具的技術(shù)要求、量值溯源和校準(zhǔn)規(guī)范均參考《JJF 1033-2008 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》進(jìn)行了考核[6]。

對(duì)于開路電壓的測(cè)量，需要將光伏組件放置在太陽(yáng)模擬器的工作面上，再將數(shù)字信號(hào)采集裝置的兩個(gè)測(cè)頭分別與光伏組件兩個(gè)電纜線接頭連接，組成回路，之后進(jìn)行光伏組件的I-V測(cè)試，并通過(guò)數(shù)字信號(hào)采集裝置直接采集光伏組件兩端的電壓變化信號(hào)值，從而得到該光伏組件的開路電壓值。測(cè)量過(guò)程中，利用監(jiān)控太陽(yáng)電池對(duì)太陽(yáng)模擬器光源穩(wěn)定性進(jìn)行記錄，保證測(cè)試時(shí)的光源重復(fù)性較好。之后，保持光伏組件和監(jiān)控太陽(yáng)電池位置不變，將太陽(yáng)模擬器I-V測(cè)試儀與光伏組件兩個(gè)電纜線接頭連接，測(cè)量得到開路電壓值。開路電壓的校準(zhǔn)方法示意圖如圖1所示。

圖1 開路電壓的校準(zhǔn)方法示意圖

對(duì)于短路電流的測(cè)量，同樣需要將光伏組件放置在太陽(yáng)模擬器的工作面上，再將采樣電阻與光伏組件的正負(fù)極兩個(gè)電纜線接頭通過(guò)常用的MC4型連接器分別連接，組成串聯(lián)閉合回路，之后進(jìn)行光伏組件的I-V測(cè)試，并通過(guò)數(shù)字信號(hào)采集裝置采集該采樣電阻兩端的信號(hào)值，從而得到該光伏組件的短路電流值。之后，保持光伏組件和監(jiān)控太陽(yáng)電池位置不變，將太陽(yáng)模擬器I-V測(cè)試儀與光伏組件兩個(gè)電纜線接頭連接，測(cè)量得到短路電流值。短路電流的校準(zhǔn)方法示意圖如圖2所示。

圖2 短路電流的校準(zhǔn)方法示意圖

根據(jù)校準(zhǔn)方法，主要的影響因素有太陽(yáng)模擬器光源的重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)光伏組件的穩(wěn)定性和溫度系數(shù)、數(shù)字信號(hào)采集裝置的準(zhǔn)確度和采樣速率、采樣電阻的穩(wěn)定性和溫度系數(shù)、光伏組件連接器與校準(zhǔn)裝置之間的接觸電阻和接線電阻、以及測(cè)試過(guò)程中的溫度變化和光伏組件位置變化等。

以某瞬態(tài)太陽(yáng)模擬器為例，用晶硅標(biāo)準(zhǔn)光伏組件作為被測(cè)對(duì)象，可分別得到開路電壓的采集曲線和短路電流采集曲線，如下圖所示：

圖3 開路電壓與短路電流采集曲線示意圖

根據(jù)IEC 60904-1對(duì)I-V曲線測(cè)量的要求以及太陽(yáng)模擬器I-V測(cè)試儀制造廠商的采樣時(shí)間、采樣方式和數(shù)據(jù)處理方式[7]，可以將數(shù)字信號(hào)采集裝置采集中得到的電壓曲線和電流曲線所對(duì)應(yīng)的開路電壓值和短路電流值，進(jìn)而可通過(guò)比較求得被校準(zhǔn)I-V測(cè)試儀的修正系數(shù)。

觀察與比較兩組心絞痛臨床癥狀療效及心電圖療效。（1）心絞痛療效評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[3] 。治療后心絞痛癥狀降低2級(jí)，Ⅰ～Ⅱ級(jí)者心絞痛消失，不用硝酸甘油，即顯效；若心絞痛癥狀降低Ⅰ級(jí)，硝酸甘油減少幅度＞50%，Ⅰ級(jí)者心絞痛消失，不用硝酸甘油，即改善；若硝酸甘油用量沒(méi)有改變，癥狀沒(méi)有改變，即無(wú)效。（2）心電圖療效評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。如果靜息心電圖已正常，在次級(jí)量運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)方面，已經(jīng)從陽(yáng)性轉(zhuǎn)變?yōu)殛幮?，或在具體的運(yùn)動(dòng)乃量上升高至Ⅱ級(jí)，即顯效；若經(jīng)次級(jí)量運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，得知心電圖缺血性ST段有明顯壓低，治療后升高＞0.5 mv，但沒(méi)有恢復(fù)正常，即有效；若相比治療前，次級(jí)量運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)心電圖與之相同，即無(wú)效。

3 開路電壓校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析

3.1 測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度u1

用數(shù)字信號(hào)采集裝置對(duì)太陽(yáng)電池/組件在穩(wěn)定的光源和溫濕度環(huán)境下進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，以常見的晶硅類光伏組件為例，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 開路電壓測(cè)量結(jié)果實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差

則由測(cè)量重復(fù)性導(dǎo)致的測(cè)量結(jié)果V的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

則相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2 太陽(yáng)模擬器光源穩(wěn)定性引入的不確定度u2

太陽(yáng)電池/組件開路電壓的產(chǎn)生與太陽(yáng)模擬器光源相關(guān)，太陽(yáng)電池/組件在太陽(yáng)模擬器光源作用下就可產(chǎn)生電勢(shì)差。光伏組件由太陽(yáng)電池組成，而太陽(yáng)電池可以等效為一個(gè)硅半導(dǎo)體p-n結(jié)器件，在光強(qiáng)達(dá)到一定數(shù)值之后，其開路電壓受輻照度變化的影響較小，就可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況，由于太陽(yáng)模擬器光源的穩(wěn)定性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u2,rel= 0.5%。

3.3 溫度偏差引入的不確定度u3

溫度偏差引入的不確定度主要來(lái)自太陽(yáng)電池/組件以及數(shù)字信號(hào)采集裝置，且兩者的溫度相互獨(dú)立。

取太陽(yáng)電池/組件的電壓溫度系數(shù)為 - 4mV/℃。測(cè)量過(guò)程中組件的溫度變化5℃時(shí)，其對(duì)測(cè)量結(jié)果引入的不確定度u3為0.02V。

數(shù)字信號(hào)采集裝置在工作溫度范圍內(nèi)的溫度系數(shù)為100ppm，則在測(cè)量溫度變化5℃時(shí)，其對(duì)測(cè)量結(jié)果引入的不確定度u3為0.002V。

則由溫度偏差引入的不確定度為：

則由溫度偏差引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：u3,rel=0.0005%。

3.4 數(shù)字信號(hào)采集裝置校準(zhǔn)結(jié)果不確定度u4

對(duì)于開路電壓范圍100V檔位的校準(zhǔn)，數(shù)字信號(hào)采集裝置的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為rel=(0.01～ 0.1)%，=2。

則由數(shù)字信號(hào)采集裝置引入的校準(zhǔn)結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u4,rel=0.05%。

3.5 采樣區(qū)間準(zhǔn)確性引入的校準(zhǔn)結(jié)果不確定度u5

用數(shù)字信號(hào)采集裝置測(cè)量開路電壓時(shí)，采樣區(qū)間的起始點(diǎn)與太陽(yáng)模擬器I-V測(cè)試儀的I-V曲線掃描采樣起始點(diǎn)存在偏差，這樣由于采樣區(qū)間準(zhǔn)確性引入的校準(zhǔn)結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u5,rel=0.6%。

3.6 合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表如下：

表2 開路電壓校準(zhǔn)結(jié)果合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表

由各個(gè)不確定分量計(jì)算得到的開路電壓校準(zhǔn)結(jié)果合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.7 相對(duì)擴(kuò)展不確定度

對(duì)于常見的晶硅類光伏組件，在開路電壓值約38V時(shí)，I-V測(cè)試儀開路電壓校準(zhǔn)結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為rel=1.6%，=2。

4 短路電流校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析

短路電流校準(zhǔn)的測(cè)量過(guò)程與開路電壓的測(cè)量過(guò)程相似，主要也受到測(cè)量重復(fù)性、太陽(yáng)模擬器光源穩(wěn)定性、溫度偏差、數(shù)字信號(hào)采集裝置校準(zhǔn)結(jié)果不確定度、接觸電阻及連線電阻與采樣區(qū)間準(zhǔn)確性的影響。

4.1 數(shù)字信號(hào)采集裝置測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度u1

用數(shù)字信號(hào)采集裝置對(duì)太陽(yáng)電池/組件在穩(wěn)定的光源和溫濕度環(huán)境下進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，通過(guò)采樣電阻兩端的電壓值進(jìn)行換算可以得到短路電流值。以常見的晶硅類光伏組件為例，其短路電流值約為8A。校準(zhǔn)時(shí)使用的采樣電阻為低溫度系數(shù)的精密電阻，阻值為25mΩ，溫度系數(shù)為6ppm/℃。測(cè)量結(jié)果如下表所示。

表3 短路電流測(cè)量結(jié)果實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差

則由測(cè)量重復(fù)性導(dǎo)致的測(cè)量結(jié)果I的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

則相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：u2

4.2 接觸電阻及連線電阻等引入的校準(zhǔn)結(jié)果不確定度

校準(zhǔn)裝置通過(guò)連線將采樣電阻與太陽(yáng)電池/組件相連，常見的連接器為MC4型，其接觸電阻約為0.5mΩ～5mΩ。連接用銅導(dǎo)線的電阻約為10mΩ。根據(jù)太陽(yáng)電池I-V曲線特征和校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)，由接觸電阻及連線電阻等引入的短路電流校準(zhǔn)結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u2,rel=0.5%。

對(duì)于其他因素引起的測(cè)量結(jié)果不確定分析，短路電流與開路電壓基本一致。其中的太陽(yáng)電池/光伏組件的電流溫度系數(shù)為0.8mA/℃，由于電流溫度系數(shù)數(shù)值小，因此溫度變化對(duì)于短路電流校準(zhǔn)的影響可忽略。短路電流校準(zhǔn)結(jié)果合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表如下。

表4 短路電流校準(zhǔn)結(jié)果合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表

由各個(gè)不確定分量計(jì)算得到的短路電流校準(zhǔn)結(jié)果合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

對(duì)于常見的晶硅類光伏組件，在短路電流值約8A時(shí)，I-V測(cè)試儀短路電流校準(zhǔn)結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為rel=1.8%，=2。

5 總結(jié)

采用該校準(zhǔn)方法，在經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)組件校準(zhǔn)標(biāo)定的同一臺(tái)太陽(yáng)模擬器下，對(duì)多個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)光伏組件進(jìn)行開路電壓和短路電流測(cè)量，其重復(fù)性好，且數(shù)值都與標(biāo)準(zhǔn)光伏組件的標(biāo)稱數(shù)值相近。因此，該校準(zhǔn)裝置能夠較好地給出開路電壓值和短路電流值，滿足光伏組件用太陽(yáng)模擬器I-V測(cè)試儀在廠線上進(jìn)行快速校準(zhǔn)測(cè)試的需求，便于企業(yè)進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制，保證光伏組件功率的準(zhǔn)確測(cè)量。

[1]沈文忠.太陽(yáng)能光伏技術(shù)與應(yīng)用[M].上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2013.

[2]SJ/T 11061-1996, 太陽(yáng)電池電性能測(cè)試設(shè)備檢驗(yàn)方法[S].北京: 電子工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)化研究, 1996.

[3]孫皓.太陽(yáng)電池及相關(guān)測(cè)試設(shè)備的計(jì)量方法研究[D].中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院, 2010.

[4]孫皓, 熊利民.太陽(yáng)模擬器等級(jí)評(píng)定測(cè)試研究[C].中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)光輻射計(jì)量學(xué)術(shù)研討會(huì).2009.

[5]IEC 60904-9, Photovoltaic devices - Part 9:Solar simulator performance requirements[S].Geneva, Switzerland: IEC, 2007.

[6]JJF 1033-2008, 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)量出版社, 2008.

[7]IEC 60904-1, Photovoltaic devices - Part 1:Measurement of photovoltaic current-voltage characteristics[S].Geneva, Switzerland:IEC, 2007.