從參考太陽電池到太陽電池組件的量值傳遞技術研究

周軍紅　吳健鷗　梅書剛　羅旭東

摘要：為實現(xiàn)太陽電池光電參數(shù)測量條件的一致性，進而保證測量數(shù)據的準確性、實驗室間測量數(shù)據比對及互認的公正性，該文通過對太陽電池的開路電壓溫度修正、短路電流溫度修正、太陽輻照強度修正等量值傳遞技術的研究，完成參考太陽電池在標準狀態(tài)（STC）下的量值傳遞到室外自然環(huán)境下的太陽電池組件，實現(xiàn)對非標準條件下太陽電池組件光電參數(shù)的STC修正。太陽電池組件修正后的開路電壓值、短路電流值與STC條件下的開路電壓值、短路電流值相對偏差分別為–0.95%、0.58%。該量值傳遞技術及其方法為非STC條件下太陽電池組件光電參數(shù)實驗室間比對及互認提供可能。

關鍵詞：太陽電池;量值傳遞;量值比對;溫度修正;輻照度修正

中圖分類號：TQ317.3

文獻標志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）02–0007–04

0 引言

近年來，光伏能源因其清潔、可再生等方面的巨大優(yōu)勢而受到越來越多的重視，世界各主要經濟體不斷加大對光伏發(fā)展的推進力度[1-3]。但是，由于各主要光伏計量機構間沒有建立統(tǒng)一的溯源體系，從而導致太陽光伏電池及其組件光電參數(shù)測量條件的一致性以及測量量值的準確性無法保證，進而影響到實驗室間測量數(shù)據的比對及互認，對太陽電池的技術創(chuàng)新、質量提升、產品貿易等方面的發(fā)展形成極大限制。所以，建立太陽電池統(tǒng)一的量傳溯源體系，實現(xiàn)從參考太陽電池到太陽電池組件的量值傳遞，最終必然會提升光伏產業(yè)的發(fā)展。

該文通過對太陽電池的開路電壓溫度修正、短路電流溫度修正、太陽輻照強度修正等量值傳遞技術的研究，實現(xiàn)對非標準條件下太陽電池組件光電參數(shù)的STC修正。太陽電池組件修正后的開路電壓值、短路電流值與STC條件下的開路電壓值、短路電流值相對偏差分別為–0.95%、0.58%，達到較好水平。該量值傳遞技術為非STC條件下太陽電池組件光電參數(shù)實驗室間比對及互認提供了可能。

1 基本原理

太陽電池光電參數(shù)通過I-U曲線掃描獲取[4-5]，而I-U曲線測量條件的一致性，是采集到的光電特征參數(shù)準確與否的前提，是太陽電池光電性能強弱對比的前提，更是不同實驗室間測量數(shù)據比對及互認的基礎。為此，通常在標準條件（STC）[6]下（光譜分布AM1.5G[7]，輻照度1000W/m2，環(huán)境溫度25°C）標定太陽電池I-U曲線。但在實際測試中太陽電池的溫度和測試的輻照度并不能完全達到STC條件，這時需要對太陽電池I-U曲線的測試結果進行溫度差異、輻照度差異以及I-U特性曲線修正。

太陽電池I-U曲線的溫度和輻照度修正公式[8]為

式中：I1、U1——實測電流、電壓值;

I2、U2——修正后的電流、電壓值;

T1——樣品的實測溫度;

T2——標準條件下的溫度;

α、β——試驗樣品在標準輻照度下的電流和電壓溫度系數(shù)（β為負值）;

Rs——試驗樣品的內部串聯(lián)電阻;

G1——實際工況條件下的太陽輻照強度;

G2——STC條件下的太陽輻照強度。

I-U特性修正可通過下式[9]計算：

式中：ISC——樣品的實測短路電流;

IMR——標準太陽電池的實測短路電流，在測量IMR時，如有必要應對標準電池的溫度作修正;ISR——標準太陽電池在標準輻照度下的短路電流;

K——曲線修正系數(shù)。

2 實驗與方法

實驗中參考太陽電池由中國計量科學研究院研發(fā)并完成STC條件下的定標，型號為81#;太陽模擬器及I-U測試系統(tǒng)是美國ABET公司生產的SUN3000;實驗中使用的太陽電池及太陽電池組件從廣州光之龍光伏科技有限公司定制，太陽電池及太陽電池組件是同一批次相同材質產品，其中太陽電池規(guī)格為156mm×156mm，太陽電池組件規(guī)格為1.6m×1.0m。太陽電池組件光電參數(shù)在STC條件下的標定由國家太陽能光伏產品質量監(jiān)督檢驗中心（廣東）完成，該量值可溯源到中國計量科學研究院。太陽電池組件戶外自然環(huán)境下的光電參數(shù)由臺灣ALLReal公司生產的太陽能電池模組I-U曲線同步測量系統(tǒng)（SIVT504）采集得到;自然環(huán)境下太陽輻照強度由自主開發(fā)的太陽模擬器絕對輻照強度測量系統(tǒng)采集得到，該系統(tǒng)可溯源到中國計量科學研究院。整個實驗過程的溫度測量由Fluke2625A數(shù)據采集器外加熱電偶組成的采集系統(tǒng)在線采集完成，該系統(tǒng)可溯源到中國計量科學研究院。

整個實驗過程是：首先，由中國計量科學研究院81#參考電池實現(xiàn)對ABETSUN3000標準光源絕對輻照強度的校準;然后，由SUN3000實現(xiàn)對156mm×156mm規(guī)格的太陽電池電壓溫度系數(shù)、電流溫度系數(shù)的計算;最后將電壓溫度系數(shù)、電流溫度系數(shù)傳遞到規(guī)格為1.6m×1.0m的太陽電池組件，并修正I-U特性曲線，從而實現(xiàn)由參考電池到太陽能電池組件的量值傳遞。太陽電池及太陽電池組件I-U特性的測量方法在以前的文獻中都有說明[10-11]。

3 結果與討論

3.1 溫度修正系數(shù)計算

分別在不同的溫度條件下，對太陽電池I-U特性進行測量，隨溫度的變化太陽電池的光電參數(shù)數(shù)據如表1所示。根據表中數(shù)據分別建立太陽電池開路電壓隨溫度的變化曲線、短路電流隨溫度的變化曲線，如圖1所示。由圖可以看出，兩條曲線都近似于直線的變化趨勢，通過擬合，分別建立了兩條線的一次函數(shù)關系，其中開路電壓-溫度（U-T）的一次函數(shù)為：y=–0.0019x+0.6782;短路電流-溫度（I-T）的一次函數(shù)為：y=0.0048x+8.85。

根據IEC61215第10.4條[7]，太陽電池的開路電壓（UOC）絕對溫度修正系數(shù)β為–0.0019V/K，短路電流（ISC）絕對溫度修正系數(shù)α為0.0048A/K。

3.2 I-U特性曲線修正

1）自然環(huán)境下太陽電池組件的I-U特性參數(shù)采集

戶外實驗場采集的自然環(huán)境下太陽能電池組件I-U特性，現(xiàn)場的輻照強度為738W/m2。主要技術參數(shù)見表2。

2）太陽電池組件自然環(huán)境下的I-U特性參數(shù)修正

將式（1）～式（4）簡化并整合后得到如下修正公式：

式中：I、U——太陽電池組件修正前的實測電流、電壓值;

Uoc（stc）、Isc（stc）——太陽電池組件STC條件下的開路電壓、短路電流值;

Ustc、Istc——太陽電池組件修正后的電壓、電流值;

k——經驗常數(shù);

T——修正前太陽電池組件表面實測溫度。

通過一系列的實驗，最后取k=0.1時修正結果在本次實驗中最為理想。

將計算得到的電壓溫度修正系數(shù)、電流溫度修正系數(shù)、太陽電池組件自然環(huán)境下的I-U特性原始數(shù)據（輻照強度為738W/m2、太陽電池組件表面溫度為39.7°C等）帶入式（5）、式（6）并修正到1000W/m2、25°C條件，得到修正后的I-U特性數(shù)據，如表3所示。

圖2是實驗場自然環(huán)境下采集到的太陽電池組件I-U特性曲線在修正前后的對比情況，很明顯經過修正后I-U特征值得到了有效的提高，但是曲線波形沒有發(fā)生明顯變化。

3）太陽電池組件I-U特性修正后數(shù)據與STC條件下標定數(shù)據對比分析

經過戶外實驗后，對太陽電池組件進行了STC條件下的定標實驗，得到了STC條件下太陽電池組件的I-U特性曲線及其特征參數(shù)。圖3是關于太陽電池組件經過溫度、輻照等修正后的I-U特性曲線與STC條件下標定的I-U特性曲線對比，很明顯兩條曲線幾乎重合在一起。

表4中對太陽電池組件I-U特性的特征參數(shù)進行了比較，自然條件下的I-U特性經過修正后其開路電壓由修正前的35.09V提高到修正后的37.27V;短路電流由修正前的5.99A提高到修正后的8.72A。與此同時，修正后的開路電壓值與STC條件下的標定值37.63V偏差為–0.95%;修正后的短路電流值與STC條件下的標定值8.67A偏差為0.58%，修正效果比較明顯。

4 結束語

通過實驗找到了從太陽電池到太陽電池組件的溫度修正系數(shù)，基于太陽電池I-U特性溫度、輻照度以及曲線修正公式的理論指導，結合實驗中的經驗總結，形成了自己的I-U特性曲線的修正方法，通過該修正方法實現(xiàn)了對太陽電池組件I-U特性的修正。修正后其開路電壓、短路電流距離STC條件下標定值的偏差分別為–0.95%、0.58%。通過以上工作，找到了從參考太陽電池到太陽電池組件的量值傳遞的技術、方法、路線，這種技術、方法、路線可以為各類型太陽電池量值傳遞工作提供參考和借鑒，為非STC條件下太陽電池組件光電參數(shù)實驗室間比對及互認提供了可能。

參考文獻

[1]BP世界能源統(tǒng)計年鑒[R].北京：BP集團，2011.

[2]馮垛生，王飛.光伏發(fā)電技術圖解指南[M].北京：人民郵電出版社，2011：1-18.

[3] TATSUO S. Advances in crystalline silicon solar cell technology for industrial mass production[J]. NPG Asia Material， 2010（2）： 96-101.

[4] Photovoltage devices-Part 1： Measurement of PV current- voltage characteristics： IEC 60904-1-1[S]. Geneva： IEC， 2017.

[5] EMERY K A . Solar simulators and I-V measurement methods solar cells[J]. Solar Cells， 1986（18）： 251-260.

[6] Crystalline silicon terrestrial photovoltaic （PV） modules- Design qualification and type approval： IEC 61215[S].Geneva： IEC， 2005.

[7] Photovoltaic devices-Part 3： Measurement principles for terrestrial photovoltaic （PV） solar devices with reference spectral irradiance data： IEC 60904-3[S]. Geneva： IEC， 2008.

[8] Photovoltaic devices-Procedures for temperature and irradiance corrections to measured I-V characteristics： IEC60891[S]. Geneva： IEC， 2009.

[9] KIRK A P. Assessing the viability of solar cells[J]. Nature Photonics， 2009（3）： 306-306.

[10] CHIN J， BYRD E， EMBREE N. Accelerated UV weathering device based on integrating sphere technology[J]. Review of Scientific Instrument， 2004， 75（11）： 4951-4959.

[11] MULLEJANS H， ZAAIMAN W ， GALLEANO R. Analysis and mitigation of measurement uncertainties in the traceability chain for the calibration of photovoltaic devices[J].Measurement Science & Technology， 2009， 20（7）： 075101.