太陽(yáng)模擬器輻照不穩(wěn)定性測(cè)試方法*

/上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

太陽(yáng)模擬器是利用人工光源在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬實(shí)現(xiàn)真實(shí)太陽(yáng)光的光譜分布、輻照度等特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在光伏領(lǐng)域里，再配以電子負(fù)載,數(shù)據(jù)采集和計(jì)算等設(shè)備，可以用來(lái)在室內(nèi)測(cè)試光伏器件(包括太陽(yáng)電池片，太陽(yáng)電池組件等)的性能，如Pmax，Imax，Vmax，Isc，Voc，F(xiàn)F，Eff，Rs，Rsh以 及I-V曲 線等[1]。工業(yè)化的太陽(yáng)模擬器通常分為兩大類：穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)模擬器和瞬態(tài)（脈沖）太陽(yáng)模擬器。根據(jù)IEC 60904-9-2007《光伏器件－第9部分太陽(yáng)模擬器性能要求》的要求[2]，太陽(yáng)模擬器測(cè)試的項(xiàng)目主要有三項(xiàng)，分別是光譜分布匹配、輻照不均勻性和輻照不穩(wěn)定性。其中光譜分布匹配特性可以通過(guò)相對(duì)成熟的設(shè)備對(duì)太陽(yáng)模擬器進(jìn)行測(cè)試和評(píng)級(jí)。對(duì)于輻照不均勻性，目前也已經(jīng)形成了比較成熟的測(cè)量方法。而對(duì)于太陽(yáng)模擬器輻照不穩(wěn)定性的測(cè)試方法，還有進(jìn)一步討論的空間。

1 太陽(yáng)模擬器的結(jié)構(gòu)和原理

常規(guī)的太陽(yáng)模擬器，主要由以下幾個(gè)部分組成[3]。

1.1 光學(xué)系統(tǒng)

太陽(yáng)模擬器的光學(xué)系統(tǒng)主要由光源、聚光系統(tǒng)、光學(xué)積分器、準(zhǔn)直系統(tǒng)、太陽(yáng)光譜輻照度分布匹配濾光片等組成。穩(wěn)態(tài)模擬器通常采用濾光氙燈、雙色濾光鎢燈-ELH燈或改進(jìn)的汞燈等作為光源，這類模擬器適用于單體電池和小尺寸組件的測(cè)試。而瞬態(tài)（脈沖）模擬器，由一個(gè)或者兩個(gè)長(zhǎng)弧氙燈組成，這類模擬器在大面積范圍內(nèi)的輻照均勻度好，適合大尺寸組件的測(cè)試。

1.2 電源和控制系統(tǒng)

太陽(yáng)模擬器對(duì)電源，特別是為光源部分供電的電源有著嚴(yán)格的要求，只有符合條件的電源，才能夠保證太陽(yáng)模擬器光源的工作狀態(tài)。通常在光室中還會(huì)配備封閉傳感器、風(fēng)扇、探測(cè)器等器件用于監(jiān)控和維持光室的溫度，以保證光源部分正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)太陽(yáng)模擬器內(nèi)部各種傳感和控制模塊，用來(lái)對(duì)模擬器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)通常都可以采用接觸控制、邏輯輸入控制，也可以通過(guò)按鈕開(kāi)關(guān)進(jìn)行直接控制。

穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)模擬器價(jià)格比較昂貴，需要消耗較大的功率，并且容易產(chǎn)生熱量造成溫升。對(duì)于太陽(yáng)電池標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（1 000 W/m2，25 ℃，AM1.5光譜分布）來(lái)說(shuō)，雖然需要增加制冷裝置進(jìn)行溫控，但其光源更接近于真實(shí)太陽(yáng)，數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)采集。瞬態(tài)太陽(yáng)模擬器可以按脈沖數(shù)量分為單次脈沖和多次頻閃，也可以按脈沖波形分為衰減式（decaying）和穩(wěn)定式（plateau）[4]。無(wú)論是穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)模擬器還是瞬態(tài)太陽(yáng)模擬器，其不穩(wěn)定性都是一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，因而對(duì)該項(xiàng)特性的計(jì)量測(cè)試手段及其自身的不穩(wěn)定性驗(yàn)證具有非常重要的意義。

2 太陽(yáng)模擬器不穩(wěn)定性測(cè)試方法

輻照穩(wěn)定度是3A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的第三項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)，它要求模擬器的輸出光束長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的照度以確保太陽(yáng)能電池效率測(cè)定的準(zhǔn)確性。IEC 60904-9-2007對(duì)于輻照不穩(wěn)定度，還細(xì)分為長(zhǎng)期不穩(wěn)定度（LTI）和短期不穩(wěn)定度（STI），分別對(duì)應(yīng)整個(gè)IV測(cè)試過(guò)程中輻照度的變化和取點(diǎn)過(guò)程中輻照度的變化。

根據(jù)太陽(yáng)光模擬器等級(jí)規(guī)范：GB/T6495.9-2007、IEC60904-9：2007的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，太陽(yáng)模擬器按照不穩(wěn)定性分為三個(gè)等級(jí)，如表1所示。

表1 太陽(yáng)光模擬器的不穩(wěn)定性等級(jí)要求

輻照不穩(wěn)定度的計(jì)算

式中：Emax— 為整個(gè)測(cè)量過(guò)程中輻照度的最大值;

Emin— 為整個(gè)測(cè)量過(guò)程中輻照度的最小值。

在太陽(yáng)模擬器不穩(wěn)定性測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)采樣獲得模擬器在相同條件下的輻照數(shù)據(jù)變化，代入該公式計(jì)算，即得到其不穩(wěn)定性數(shù)據(jù)指標(biāo)。

對(duì)于穩(wěn)態(tài)模擬器和瞬態(tài)模擬器，在建立測(cè)量裝置時(shí)也需要考慮兩者的區(qū)別。對(duì)于瞬態(tài)模擬器來(lái)說(shuō)，還要考慮單次和多次閃光瞬態(tài)模擬器的不同。如圖1所示，在測(cè)試不均勻性和不穩(wěn)定性時(shí)由于長(zhǎng)時(shí)間受到光源照射，電池片的溫度會(huì)升高而導(dǎo)致短路電流的變化，因此需要外接一套冷卻裝置用來(lái)控制電池片內(nèi)的溫度，使其內(nèi)部溫度恒定在25℃。相反，在測(cè)試瞬態(tài)太陽(yáng)模擬器時(shí)，需要光觸發(fā)器捕捉瞬時(shí)光信號(hào)，在測(cè)試不均勻性時(shí)也必須有參考電池片A和標(biāo)準(zhǔn)電池片B兩片同時(shí)記錄每一點(diǎn)的電流值，最后以兩個(gè)值的商作為最后計(jì)算的判定依據(jù)。

太陽(yáng)模擬器的不穩(wěn)定性測(cè)試，其原理是需用標(biāo)準(zhǔn)電池片測(cè)試組件在整個(gè)I-V曲線形成的時(shí)間內(nèi)光照輻照度的變化。對(duì)于穩(wěn)態(tài)模擬器來(lái)說(shuō)，由于光源穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，不用考慮如何捕捉信號(hào)，只需記錄規(guī)定時(shí)間內(nèi)每一點(diǎn)輻照值的變化即可。而對(duì)于單次和多次閃光的瞬態(tài)模擬器來(lái)說(shuō)，前者需要捕捉數(shù)十毫秒的光信號(hào)并對(duì)單次脈沖信號(hào)進(jìn)行分析（圖2）；后者由于是由多次閃光累積形成的I-V測(cè)試曲線，每次脈沖的時(shí)間甚至低于100 μs以下（圖3）。因此都要求足夠快的采樣頻率才能實(shí)現(xiàn)，需要采用快速采集卡采集信號(hào)。

圖1 測(cè)試方法示意圖

圖2 單次閃光太陽(yáng)模擬器采樣示意圖

圖3 多次閃光太陽(yáng)模擬器采樣示意圖

分別對(duì)國(guó)內(nèi)外不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的單次閃光太陽(yáng)模擬器進(jìn)行了測(cè)試，其中圖4、5、6是對(duì)三個(gè)不同廠商生產(chǎn)的單次閃光模擬器長(zhǎng)期不穩(wěn)定度（LTI）進(jìn)行測(cè)試的波形，可見(jiàn)不同品牌的太陽(yáng)模擬器的閃光脈沖波形會(huì)有很大的差異。測(cè)試中關(guān)鍵是要準(zhǔn)確捕捉整個(gè)波形在起落時(shí)間內(nèi)的變化，然后取出平坦區(qū)域，在該區(qū)域中再分析光信號(hào)的變化。

圖4 太陽(yáng)模擬器測(cè)試曲線（廠商一）

圖7、8是一臺(tái)單次閃光模擬器的短期不穩(wěn)定度（STI）進(jìn)行測(cè)試的波形，兩幅圖所示的波形為多次頻閃式脈沖太陽(yáng)模擬器產(chǎn)生的。由圖中也可以看出，每個(gè)閃光脈沖高低不平，即閃光的輻照度不穩(wěn)定度較差。與單次閃光模擬器不同，多次閃光模擬器的不穩(wěn)定性需考慮多個(gè)脈沖之間的信號(hào)變化。

圖5 太陽(yáng)模擬器測(cè)試曲線（廠商二）

圖6 太陽(yáng)模擬器測(cè)試曲線（廠商三）

圖7 多次頻閃式太陽(yáng)模擬器測(cè)試曲線

圖8 多次頻閃式太陽(yáng)模擬器的單個(gè)脈沖曲線

3 太陽(yáng)模擬器不穩(wěn)定性測(cè)試裝置的驗(yàn)證

太陽(yáng)模擬器不穩(wěn)定性測(cè)試裝置建立后，可以用不同方法對(duì)裝置進(jìn)行驗(yàn)證。首先，可以通過(guò)采用高穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)光源（如溴鎢燈等）對(duì)裝置中標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按照設(shè)定的時(shí)間間隔，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池輸出光電流經(jīng)采樣電阻I-V轉(zhuǎn)換后用數(shù)字電壓表進(jìn)行測(cè)量。由不穩(wěn)定度(%)= (Max-Min)/(Max+Min)×100%，計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的不穩(wěn)定度[5]。

此外，還可以采用時(shí)間和光強(qiáng)已知的脈沖LED光源來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)將測(cè)試結(jié)果與LED已知曲線進(jìn)行對(duì)比，校準(zhǔn)該裝置對(duì)瞬態(tài)（脈沖）太陽(yáng)模擬器的測(cè)試結(jié)果。同時(shí)，還可以利用穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)模擬器（或者發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈）和斬波器來(lái)考察儀器的時(shí)間分辨力。在光度測(cè)量裝置上，采用穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)模擬器（或發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈）和斬波器，根據(jù)需要調(diào)節(jié)斬波器的輸出頻率，通過(guò)斬波器頻率和測(cè)試裝置的測(cè)量結(jié)果來(lái)校準(zhǔn)時(shí)間分辨力[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

上述介紹了太陽(yáng)模擬器不穩(wěn)定性的測(cè)試方法和測(cè)試裝置的驗(yàn)證方法，由于測(cè)試結(jié)果的優(yōu)劣不僅取決于模擬器的質(zhì)量，也與測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)器和環(huán)境因素有著很大的關(guān)系，因此在測(cè)試前必須保證光譜儀、標(biāo)準(zhǔn)電池片和電測(cè)儀表等設(shè)備經(jīng)過(guò)上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)檢定或校準(zhǔn)，從而保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可溯源性。另一方面，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的室內(nèi)溫度和環(huán)境光也會(huì)對(duì)數(shù)值結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)盡量使環(huán)境溫度維持在25℃并減小模擬器以外其他光源體產(chǎn)生的光線對(duì)測(cè)試的影響。一般情況下，穩(wěn)態(tài)模擬器的輻照度不穩(wěn)定性優(yōu)于瞬態(tài)模擬器，長(zhǎng)脈沖模擬器的輻照度不穩(wěn)定性優(yōu)于多閃或短脈沖類型的模擬器。在實(shí)際測(cè)試中，可以根據(jù)測(cè)試的需要以及資金投入，選擇合適類型的太陽(yáng)模擬器。

[1]羅小平，蔣建輝，劉唐書，等.淺談太陽(yáng)模擬器選擇的技術(shù)要點(diǎn)[J].中小企業(yè)管理與科技(上旬刊)，2011（07）：329-330.

[2]International Electrotechnical Commission.IEC 60904-9-2007 Edition 2.0[S].Geneva，2007.

[3]杜景龍.碟式斯特林太陽(yáng)熱發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2011.

[4]熊利民.計(jì)量在太陽(yáng)光伏產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用[J].上海計(jì)量測(cè)試，2010（02）：2-5.

[5]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].北京：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，2010.

[6]全國(guó)光學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJF 1330-2011[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2010.