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)

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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(jí)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(jí)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(píng)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(tái)，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(tái)的正面。電池安裝平臺(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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