航天用太陽電池地面標定測試裝置研究

溫天成，張書鋒，劉 民，盧佳林，王 凱，鄧星亮，唐友東

（北京東方計量測試研究所，北京 100086）

1 引 言

太陽電池是一種將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的光學器件，目前廣泛應(yīng)用在各類航天器中［1］，對于以太陽電池（陣）作為主要能源的航天器來說，最重要的就是準確地測試太陽電池的電性能參數(shù)，太陽電池電性能參數(shù)將直接影響到航天器的尺寸、動力學特性、電源系統(tǒng)設(shè)計等方面，對于航天器設(shè)計研制有著重要意義。 太陽電池電性能測試的準確性取決于航天用標準太陽電池標定數(shù)據(jù)以及量值傳遞的準確性，其應(yīng)用示意圖如圖1 所示。

圖1 標準太陽電池應(yīng)用示意圖Fig.1 Schematic diagram of standard solar cell application

航天用標準太陽電池的空間標定，即在大氣質(zhì)量為零（Air Mass Zero，AM0）光譜、光照強度為1 367 W／m2、溫度為（25 ±1） ℃的條件準確測量太陽電池的短路電流也稱為標定值，從而得到在真實的空間環(huán)境中標定的一級標準太陽電池。 得到的一級標準太陽電池，可依據(jù)QJ 1018—86《標準太陽電池》、GB／T 64950. 2—1996《光伏器件 第2 部分：標準太陽電池的要求》和JJG 5—2011《標準太陽電池檢定規(guī)程》在地面通過太陽模擬器，將標定值傳遞給二級標準太陽電池，從而建立整個航天用太陽電池的計量標準體系。 但是當一級太陽電池由于老化、損壞等不可抗力原因損壞，無法用太陽電池調(diào)節(jié)太陽模擬器產(chǎn)生標準光譜時，太陽模擬器法就不再可行。 地面標定法可以在室外環(huán)境進行高精度太陽電池標定，得到地面標定下的一級太陽電池，建立可靠的地面標定量值溯源體系。

傳統(tǒng)的標準太陽電池標定方法分為高空（空間）標定和地面標定方法，主要方法如圖2 所示。

圖2 AM0 標準電池的標定方法框圖Fig.2 Block diagram of AM0 standard solar cell calibration method

高空（空間）標定方法，是溯源到真實AM0 陽光條件，空間站標定、高空氣球標定、高空飛行器標定都是為了將太陽電池送入高空或太空中，減小地球大氣層對太陽光的散射吸收作用，讓太陽電池在最真實的AM0 陽光條件下進行標定，這樣標定的結(jié)果最接近太陽電池本身的電性能。 在2004 年至2014 年期間，國際空間站開展了三次太陽電池電性能測試，2019 年，中國首次開展衛(wèi)星平臺上的太陽電池標定研究。 高空氣球標定法是利用高空氣球?qū)⒋龢硕ㄌ栯姵厮屯付ǖ母呖窄h(huán)境中［2］，在36 km的平流層測量其輸出短路電流，測量完成后回收太陽電池并用于參考標準。 由于36 km 左右的高空非常接近AM0 的陽光條件，因此廣泛作為各種實驗室任務(wù)。 但高空氣球標定的缺點也很明顯，實驗操作難度大，成本高昂，需要高空氣球或飛機等昂貴的運載工具。 相比之下，地面標定方法是在地面直接陽光下測試太陽電池短路電流、溫度等參數(shù)，最后溯源到標準AM0 陽光條件，從而得到航天用一級標準太陽電池和一級標準子太陽電池。 相比于高空（空間）標定來說，地面標定方法操作簡便，成本低廉，在室外陽光直射下或室內(nèi)太陽模擬器下都可以進行實驗，目前已納入國際標準ISO 15387：2005 《Space systems—Single?junction solar cells—Measurement and calibration procedures》［3］。

為了滿足航天標準太陽電池準確可靠的地面標定量值溯源需求，研究了新型的太陽電池地面標定測試設(shè)備，并進行了地面標定試驗，初步實現(xiàn)了標定數(shù)據(jù)的復現(xiàn)，為建立航天標準太陽電池地面標定量傳體系奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2 地面標定法原理與步驟

2.1 測量原理

地面標定法的基本原理主要為：

地面標定法原理框圖如圖3 所示。 由于標準太陽電池標定是在AM0，25 ℃的情況下進行，但是受到室外環(huán)境的影響，很難達到這個條件，因此要進行溫度、輻照度和光譜輻照度。 根據(jù)當前標定時太陽電池測試溫度進行溫度修正至25 ℃，再通過地面標定裝置獲取太陽電池的短路電流測量值ISC（AMx），通過量子效率儀獲取太陽電池的相對光譜響應(yīng)測量值SR（λ），在通過查詢標準AM0 陽光光譜輻照度獲取ERef（λ），地面直接陽光輻照度E通過太陽總輻射傳感器得到，而地面直接陽光光譜輻照度測量值E（λ）是通過光譜分析儀得到。

圖3 地面標定法原理框圖Fig.3 Block diagram of ground calibration method

有了以上參數(shù)，就可以進行光譜修正和輻照度修正，將當前大氣AMx 條件下的短路電流值修正到AM0 標定短路電流值，至此，完成了AM0 標準陽光條件下的太陽電池標定。

2.2 測量步驟

地面標定法標定主要步驟包括［4］：

1）將帶底座的標定太陽電池安裝在準直孔后端；

2）將裝有標準太陽電池的準直孔、太陽輻照計、光譜儀安裝在太陽跟蹤器上；

3）啟動太陽跟蹤器，持續(xù)跟蹤對準太陽，保證裝有標準太陽電池的準直孔與陽光光線平行，偏差小于0.5 °立體角；

4）開啟溫控裝置，將標準太陽電池的溫度控制在25 ℃±1 ℃；

5）確認直接陽光輻照度不低于750 W／m2；

6）在60 s 內(nèi)完成一次直接陽光的輻照度、光譜輻照度、標準太陽電池的短路電流及溫度的測試；

7）重復測試至少5 次。

地面標定裝置如圖4 所示，其中還包含光譜儀與數(shù)字萬用表。 在標定過程中，要注意被標定的太陽電池完全處于太陽光中，準直孔的作用是保證入射到太陽電池片的太陽光趨于平行，內(nèi)壁是吸光材料，目的是減小內(nèi)壁太陽光散射對太陽電池標定結(jié)果的影響。 由于地球自轉(zhuǎn)的影響，需要調(diào)節(jié)太陽跟蹤器來抵消誤差。 在標定地點和時間的選擇上，選擇靠近赤道、陽光充足、視野開闊、沒有高空遮擋物的地理環(huán)境；在時間上來說，南北回歸線之間每年都會有太陽直射的時機，這時進行太陽電池地面標定可以保證太陽光的完全垂直入射。 為了確保標定結(jié)果的準確性，應(yīng)保證待標定的太陽電池和太陽輻照計等標定設(shè)備在同一平面內(nèi)，以此保證太陽跟蹤的同步性［5，6］。

圖4 太陽電池地面標定裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of ground calibration equipment for solar cells

3 地面標定裝置設(shè)計

3.1 標準太陽電池

標準太陽電池選用北京東方計量測試研究所建立國防最高標準計量的單晶硅太陽電池，該太陽電池標定數(shù)據(jù)依據(jù)國際標準中高空氣球搭載標定法獲得，測量范圍為（10～400） mA，不確定度為0.8 %（k＝2），穩(wěn)定性0.05 % ／年，由于外形封裝不同，分為兩種。 雖然兩種太陽電池封裝規(guī)格不同，大尺寸有（70 ×90） mm，小尺寸有（56 ×76） mm，但中心都是（2 ×2） cm 的單晶硅太陽電池片。 外部接口為電流電壓正負四線制連接。 背面裝有溫度傳感器，用數(shù)字萬用表測量電阻查表計算溫度。

3.2 太陽跟蹤器與太陽電池托盤

地面標定的主要問題是如何讓太陽光在標定過程中始終垂直照射在太陽電池上。 根據(jù)控制方式的不同，主要分為兩種跟蹤方法：一是傳感器跟蹤法［7，8］，通過傳感器在太陽光與接收板之間的光角度偏差產(chǎn)生反饋信號，經(jīng)過信號放大調(diào)理后，控制電機轉(zhuǎn)動，使接收板對準太陽，通過實時反饋來調(diào)整接收板位置。 這種方法是閉環(huán)跟蹤，具有較好的實時性，但對室外環(huán)境要求較高，受天氣環(huán)境影響強烈，同時跟蹤精度取決于傳感器精度。 二是視日運動軌跡跟蹤法［9－11］。 視日運動軌跡跟蹤法，就是通過計算地球上某一點某個時刻太陽的相對位置，從而對太陽進行跟蹤。 在地面標定過程中，對太陽電池標定時間相對較短。 為了方便室外攜帶使用，本試驗中采用赤道儀HEQ5 作為太陽跟蹤器，中心抱箍位置放置筒形支架，將太陽電池托盤與筒形支架配合。 HEQ5 赤道儀則是視日運動軌跡跟蹤法進行太陽跟蹤，在不同地理環(huán)境時，可根據(jù)當?shù)亟?jīng)緯度，時間等參數(shù)設(shè)置，整體精度良好，可滿足太陽電池標定時間內(nèi)光入射角度0.5 °立體角要求。

太陽電池托盤的材質(zhì)為亞克力板，整體重量較輕，可搭載六塊太陽電池，用定制法蘭與筒形支架進行配合，赤道儀轉(zhuǎn)動時，太陽電池托盤也隨之移動，保證太陽光直射到太陽電池上。

3.3 準直孔

為了保證太陽光垂直入射太陽電池片，減小周圍散射光的影響，設(shè)計輕量化可拆卸式分層的黑色準直孔，共5 層，每層10 cm，實物圖如圖5 所示。整體準直孔與太陽電池托盤通過木棒進行連接，達到可拆卸式目的，第一層準直孔可籠罩兩種不同規(guī)格封裝的標準太陽電池，孔徑為10 cm，其余四層準直孔設(shè)計孔徑為4.5 cm，太陽電池片（2 ×2）中心位置處都能接受到太陽光的直射。

圖5 準直孔圖實物圖Fig.5 Figure of collimation holes

3.4 溫度控制裝置

標準太陽電池標定需要在25 ℃±1 ℃的環(huán)境下進行標定，為了控制所需溫度，太陽電池整體放置在小型冷水板（2 ×2） cm 上，冷水板放置太陽電池托盤上，兩端通過水管與冷水機進行連接，在冷水機進水位置增加溫度受控電磁閥。 在標準太陽電池中心位置采用粘貼式PT100 鉑熱電阻，當室外環(huán)境溫度大于所設(shè)定25 ℃時，電磁閥開啟，維持溫度，可保證太陽電池片在標定過程中溫度在25 ℃。所標定的太陽電池采用水管串聯(lián)的方式，達到整體控溫的效果。 在標定時用數(shù)字多用表測量PT100查表阻值記錄實際溫度T，溫度控制模塊原理如圖6 所示。

圖6 溫度控制模塊原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of temperature control model

3.5 太陽輻照計

太陽輻照計放置在太陽電池托盤與赤道儀連接管道里的位置，由亞克力板定制的輻照計支架承接，上下位置可由拉桿進行調(diào)節(jié)，筒形支架內(nèi)壁涂抹消光黑漆，使太陽輻照計接收到的光與太陽電池接收到的大致一致，太陽輻照計應(yīng)送檢到有資質(zhì)的機構(gòu)，溯源到低溫輻照計基準上。

3.6 太陽電池片固定裝置

標準太陽電池在太陽電池托盤上跟隨太陽跟蹤器運動時，為了保證其穩(wěn)定性，設(shè)計膠木零件進行固定，在太陽電池和冷水板下方，也有定制零件對其進行固定，保證在標定過程中不會因為太陽電池片的移動而對標定結(jié)果產(chǎn)生影響，如圖7 所示。設(shè)計的零件可以通過手擰螺栓固定太陽電池片在承重板上，第一層準直孔也可覆蓋，材料輕質(zhì)，不會對太陽電池片有所損壞。

圖7 固定太陽電池零件圖Fig.7 3D schematic diagram and picture of the part for fixing solar cells

3.7 光譜儀與量子效率測量裝置

光譜儀采用AVANTES 的AvaSolar－3 型號，可覆蓋（300～2 500） nm 的波段光譜，探測器可保證響應(yīng)一致性接近100 %，它的測量速度快，采樣時間最短可達2 μs。 可通過光譜儀進行對地面光譜輻照度E（λ）的測量。

太陽能電池量子效率測試儀可以測試太陽電池片的光電轉(zhuǎn)換效率，由光源、單色儀、標準探測器、鎖相放大器等組成。 在工作時，光源通過單色儀等可產(chǎn)生的單色光，單色光的波長的變化范圍可達（300～1 800） nm。 在測試時，單色光照射到太陽電池片上，同時測試太陽電池片兩端的發(fā)電電壓，可以得出太陽電池片在不同波長光下的電壓響應(yīng)數(shù)據(jù)。 該數(shù)據(jù)與標準探測器的電壓響應(yīng)數(shù)據(jù)進行對比，可以計算得出被測太陽電池片的量子效率SR（λ），標準探測器應(yīng)送檢到有資質(zhì)的機構(gòu)，溯源到低溫輻照計基準上。

4 結(jié)束語

標準太陽電池標定對于航天器電源系統(tǒng)有著重要意義，對于以太陽電池板（陣）為主要供電電源的航天器來說，只有獲得準確的太陽電池電性能參數(shù)才能更好設(shè)計電源系統(tǒng)，而太陽電池標定就是為了獲取它的電性能參數(shù)。 地面標定方法則是傳統(tǒng)標定方法中最為簡便的一種，它易操作，成本相對低廉，可復現(xiàn)性強。 研制一種以可拆卸式分層結(jié)構(gòu)的準直孔、簡便的溫控系統(tǒng)、簡易可獲得材料為主體的符合國際標準上的地面標定測試設(shè)備，對最高標準太陽電池計量標準復現(xiàn)有著重要意義。