摘 要：为解决光伏电池和光伏组件在测量中的量值溯源问题，在拉萨地区采用室外直接辐照度标定方法建立了标 准光伏电池一级标定试验平台，能够同时测量入射光直接辐照度、大气光谱辐照度分布、电池短路电流及温度，并提出了一级标定试验所需的实验条件及实验方法。实验表明：光伏电池一级标定试验平台性能准确可靠，可获得较为理想的标定不确定度结果。 键词：标准光伏电池；辐照度；光谱辐照度分布；辐照度响应度（标定值）；光谱响应度 0引言 标准光伏电池用来测量自然阳光或人工模拟光源的辐照度，是光伏电池或光伏组件I-V特性测量时所用的标准光伏器件。标准光伏电池的一级标定值是指在标准光谱辐照度分布条件下，电池的短路电流与入射光辐照度之比，即辐照度响应度。由于自然阳光光谱与标准光谱辐照度分布存在差异，从而使入射光辐照度的实测值较标准（规定）值存在一定的偏 差。因此， 入射光辐照度和光谱辐照度分布的测量及光谱失配是光伏电池一级标定中要解决的主要问题。 1一级标定的数学模型 在设计标准光伏电池的标定方法时，应尽可能减小标定试验中的测量不确定度。根据标准电池的标 定过程，测量不确定度主要有2个来源分量：（1）光 伏电池的短路电流测量；（2 ）入射光的总辐照度测量。一般情况下，光伏电池短路电流的测量不确定度能 够控制在0.1%以内， 影响标定结果不确定度的主要来源是辐照度测量。室外自然阳光的辐照度测量，目前通常采用的是直接辐射表和总辐射表，但这2类 测量设备具有较大的测量不确定度（约为2%和5% ），因而不适合标准光伏电池的一级标定。而绝对辐射计由于有较小的测量不确定度（一般优于0.5%），并 参与到世界辐射基准的国际比对中[1]， 因此成为标准光伏电池一级标定试验中辐射测量的最佳选择。根据光伏电池一级标定的原理及定义，在不同辐射条件下分别建立数学模型。 1.1在标准光谱辐照度下对标准光伏电池进行标定 这里的标准光谱辐照度条件即IEC60904-3中规定的标准阳光[2]。
式中： CR———标准光伏电池的标定值，A·W-1·m2； R（λ）———标准光伏电池的绝对光谱响应度，A·W-1·m-2； ER（λ）———IEC60904-3规定的标准光谱辐照度数据，W·m-2·nm-1； iR———标准光伏电池的短路电流，A； Ee，R—— —IEC60904-3中规定的标准光谱辐照度数据在波长300~4000nm区间内的积分量，W·m-2。 式（1）是在理想（规定）条件下标定光伏器件的函数表达式。在实际使用测量中，由于被测光源的光谱辐照度分布与标准光谱辐照度分布不同，因而导致了光谱失配修正因子的存在。 1.2在自然阳光光谱辐照度下对同一标准光伏电池进行标定 此时假定光伏电池的温度保持不变，自然阳光辐照度采用绝对辐射计测量。 设自然阳光的光谱辐照度分布为EM（λ），标准光伏电池的短路电流实测值为iM，测得的辐照度示 值为Ee，M，则有
式中：
而一级标定的辐照度标准值规定为Ee，R， 光谱分布不同引入的光谱失配修正因子kc（无量纲 ）为
推导求得：
由式（4）知， 光伏电池一级标定的辐照度响应度CR应等于实测短路电流与辐照度的比值乘以修正因子kc。当被测光源的光谱分布与标准光谱分布 相同时，由式（5）可知，其修正因子kc为1，即等同为不修正。式（3）~式（5）中积分的上下限波长等同式（1）。 2室外一级标定试验方法 为了获得更好的辐射条件，一级标定试验平台的建设地点选择在西藏拉萨。该平台由室外跟踪仪和室内测量设备组成。室外跟踪仪包括安装标准电池和光谱辐照度分布衍射板的双轴跟踪仪、Kipp&Zonen公司SOLYS-2型气象参数测试系统、测量自然阳光直射辐照度的绝对辐射计（EppleyLabHFcavityradiometer）及跟踪仪（图1）。室内测量设备包括被测标准电池短路电流和温度测量设备、LabVIEW程序编写的测试软件、直接辐照度数据采集装置、总辐照度、散射辐照度等气象参数采集和显示设备。
图1 标准光伏电池室外一级标定平台
图2 一级标定平台的系统示意图 图2是一级标定平台的系统结构示意图。标定平台同时测量太阳电池的短路电流、入射光辐照度和绝对光谱辐照度分布。直射辐照度采用绝对辐射计测量，该辐射计通过国际比对溯源至世界辐射基准。标准电池安装在准直筒的下方，准直筒将电池的受光角度限制在5.0°[3-4]。被标定电池的短路电流测量设备采用安捷伦公司的34401A型数字多用表。采用带5.0°开口角准直筒的SOMA的S-2440型光谱辐射计测量波长范围300~1100nm的光谱辐照度，再根据拉萨当地的大气透过率状况，当地大气的气 溶胶、 H2O、CO2等物质的成分分布，采用美国国家可再生能源实验室建立的地球不同经纬度、不同地理环境下的标准大气数学模型，将光谱辐射计实测的光谱辐照度数据扩展计算至300~4000nm[5-6]。 待标定的标准光伏电池材料采用单晶硅，电池片尺寸20mm×20mm，采用电压电流的4线连接方式，电池背面粘贴铂电阻温度传感器（RTD）测量温度。标准电池的稳定性、线性度及封装设计符合国际 电工委员会（IEC ）相关标准及世界光伏基准（WPVS）对标准光伏电池的要求[7-8]，并进行了相对光谱响应度和温度系数测量。 考虑到标准光伏电池在室外标定试验中温度会发生变化，采用循环水控温方式将电池温度控制在（25±2）℃范围内。电池温度采用RTD型Pt100温度传感器进行测量，通过安捷伦公司的34970A型数据采集器进行数据采集。 当直射辐照度在800~1100W·m-2范围内，同时测量阳光的光谱辐照度分布、绝对辐射计的输出量Ee，M、标准电池的短路电流iR（t ）和温度t。根据式（6）所示的光伏电池短路电流与温度的修正关系，可将 实测值CR（t）修正到25.0℃标准实验条件下的标定值CR（25），见式（7）
式中：t———标准电池实测温度，℃； Acoeff———电池的短路电流温度系数，A·℃-1。 还应注意：绝对辐射计的响应时间比光伏电池的响应时间长，并且在短路电流采集的时间内，直射辐照度随时会发生波动。因此，在标准电池短路电流的测量时间内，入射光辐照度的稳定性显得尤为重要，其波动范围通过绝对辐射计的输出电压值来判 断。 测量时，应等待标准电池温度达到平衡时再测量其短路电流，如果假定短路电流的变化范围的限定条件是小于其平均值的1.5%，则采集数据超过这个范围时表示在该时间段内直射辐照度波动较大。当 短路电流实测值iR（t ）的变化趋于稳定时，还需同时监测绝对辐射计的输出值是否稳定，才可判定此时的直射辐照度是否达到稳定状态。 由于太阳光谱分布与空气中的水蒸气、臭氧含量、二氧化碳等物质密切相关，光谱辐照度分布在一天当中时刻都在发生变化。通过实际的光谱分布测试，将拉萨当地一天中某一时刻的光谱辐照度分布曲线与IEC60904-3中规定的标准光谱辐照度分 布曲线叠加拟合后得到图3。从图3中可看出， 在晶体硅标准光伏电池的响应波长区间（300~1100nm）内，拉萨当地的阳光光谱分布与标准光谱分布存在着差异，由此造成了不同光谱之间的失配。根据式（4），将实测并扩展计算后的阳光光谱辐照度、标准光谱辐照度、电池的相对光谱响应积分计算后得出光谱失配修正因子kc。
图3拉萨地区阳光光谱与标准光谱对比 3标定结果的不确定度评定 为简化评定程序，测量不确定度的分析以一级 标定的定义参数CR（t）为主，对温度系数和光谱失配引起的不确定度做简要说明。根据测量不确定度的 评定准则[9]，辐照度响应度（一级标定值）的不确定度评定如下： 3.1对电池温度为t时的标定值CR（t）的不确定度评定 在任意温度t条件下，式（1）可写成：
式中左边为间接测定的量，右边为2个直接测定的量。设标定值、短路电流、直射辐照度的标准不确定度分别用u（CR），u（iR），u（Ee）表示，且后两者可认为相互独立。根据误差传递公式有
用它们的相对标准不确定度ur（CR），ur（iR），ur（Ee ）表示，式（8）变为
标定值CR（t）的相对合成标准不确定度ur（CR）为
标定值CR（t）的相对扩展不确定度ur（CR）为
测量直射辐照度的绝对辐射计在美国EPPLEY实验室和参与世界辐射基准的绝对辐射计进行校准比对[10]，根据校准报告提供的不确定度，辐照度测量的不确定度为0.45%， 其置信概率遵循均匀分布。 将实际标定的数据结果汇总后，分别计算A类和B类不确定度及合成标准不确定度，各个分量的计算结果汇总见表1。 表1 一级标定实验不确定度汇总表
3.2标准电池温度系数的不确定度评定 光伏标准电池的温度采用水循环方式进行控 制，通过粘贴在电池背面的RTD传感器测量得出。温度引起的不确定度分量来自于电池的温度系数。在标定试验前，已将待标定电池在自然阳光照射下，在不同工作温度条件测量其短路电流。经计算后得出其温度系数在0.0427～0.0753%/℃范围内，考虑到电池温度在标定过程中的变化范围是（25±2 ）℃，因此温度系数的变化范围是4℃的区间，即0.17%～0.30%。 温度系数的概率分布函数为均匀分布，其扩展不确定度UAcoeff =0.30%-0.17%=0.13%。 3.3光谱失配修正因子kc的不确定度评定 光谱失配修正因子kc的不确定度评定主要包含光源光谱辐照度分布和电池光谱响应度2个参量。近几年的实验研究表明，光伏电池的光谱失配修正因子不确定度的保守估计为kc值的20%。晶体硅光伏标准电池一级标定试验由于受天气条件的影响，其光谱失配修正因子的典型值一般在1%~2%范围内，修正因子的扩展不确定度约在0.2%~0.8%之间。考虑到任意波长区间内的光谱辐照度测量数据点都具有唯一的光谱失配修正因子kc值，因此其置信概率为正态分布。 4结束语 光伏电池室外一级标定试验，是以室外阳光直 射标定方法为基础，以绝对辐射计作为量值溯源的主要设备。由于绝对辐射计存在时间常数特性，试验中应注意其温度的稳定性。为保证标定数据的不确定度在合理的范围内，待标定的标准电池、光谱辐照度分布测试仪和绝对辐射计应尽可能安装在同一台跟踪器上，保证跟踪的同步性。从表1可看出，在忽略光谱修正因子kc的条件下，任意测量温度下的标定值CR（t ）的扩展不确定度为0.58%，能够达到光伏电池一级标定国际比对的不确定度要求。考虑到不同地区的光谱特性和阳光辐射测量方式不同，为建立我国光伏标准电池的室外一级标定量程溯源体系，需要将标准光伏电池在保持世界光伏基准（WPVS）的几个国家的光伏实验室分别进行标定试验比对 |
