自然阳光辐照度测量技术和装置的研究

李 杰，董 旭 ，王玉鹏，陈建功，魏 鹏 ，廖小华

（1福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

（2国家光伏产业计量测试中心，福建 福州 350003）

（3中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

自然阳光辐照度测量技术和装置的研究

李 杰1,2，董 旭1，王玉鹏3，陈建功1,2，魏 鹏1，廖小华1

（1福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

（2国家光伏产业计量测试中心，福建 福州 350003）

（3中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

采用自然阳光作为校准太阳能电池/组件的光源，与采用太阳模拟器作为光源相比有一系列优点，符合国际标准规定/推荐的对高级别光辐射标准和参考太阳能电池/组件校准的要求。福建省计量科学研究院与中国科学院长春光学精密机械与物理研究所合作研究，采用了锥型光接收腔与参考腔的腔型绝对辐射计和双轴双模式的太阳跟踪仪，太阳直接辐照度测量结果不确定度 =1.0%（ =2），在光伏领域达到国内领先水平，为校准参考太阳能电池/组件奠定了基础。

自然阳光辐照度；测量技术；测量装置；测量结果不确定度

董 旭，女，福建省计量科学研究院，技术管理部部长，教授级高级工程师

王玉鹏，男，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，研究员，博士

陈建功，男，福建省计量科学研究院，国家光伏产业计量测试中心（筹）筹建办公室技术负责人，教授级高级工程师

魏 鹏，男，福建省计量科学研究院，工程师，硕士

廖小华，男，福建省计量科学研究院，工程师，硕士

1 测量自然阳光辐照度的意义

太阳能电池/组件的实际应用是在自然阳光照射下将光能转换产生电能。然而，在制造过程往往是采用太阳模拟器照射来测量太阳能电池/组件所产生的电能。在测量电能的特征量值（如短路电流、开路电压、最大功率、光电转换效率等）时，测量条件应符合国际标准规定的标准测试条件，如：① 太阳模拟器的光辐照度1000W/m2；② 太阳模拟器光谱在（400～1100）nm范围内与AM1.5光谱匹配；③ 光伏电池/组件的温度为25℃；等。这样的测量结果被认为接近于在自然阳光条件下的测量结果，但是这种模拟条件下的测量结果总是与自然阳光测量条件下的测量结果有一定差异。尤其是太阳能薄膜电池、染料敏化电池等新材料电池的出现，需要宽光谱/全光谱、低辐照度、光辐照时间长等测量条件。目前国际标准规定的标准测试条件已不适应部分新材料电池研发、工艺过程和终端产品检验和实际应用的需要[1]。

因此，根据太阳能电池/组件在自然阳光照射下实际应用的特点，研究采用自然阳光作为光源，用于测量晶体硅和各种各样新材料太阳能电池/组件的电能特征量值，具有很现实的意义。采用自然阳光作为光源与采用太阳模拟器作为光源相比，其辐照度1000W/m2的测量精度更高，其辐射是全光谱的辐射，在（400～1100）nm的光谱带区与AM1.5光谱匹配得更好，且光照射的面积大，辐照度均匀性好，可以作为校准参考级/工作级太阳能电池/组件的理想光源[2]。迄今为止，IEC等国际标准公认的世界光辐射基准（WRR）是在自然阳光下测量定值，作为光辐射一级标准（即腔型辐射计世界标准组，WSG），并且用自然阳光测量、校准二级标准（即腔型辐射计）；对往下层次的一级参考（太阳能电池）、二级参考（太阳能电池和太阳能组件）的校准方法中，自然阳光辐照都是被认定为推荐的方法。

2 福建省计量科学研究院完成日射法一级参考太阳能装置研究

根据太阳能电池/组件在自然阳光照射下实际应用的特点，以及国际上采用自然阳光作为光源来校准一级/二级参考太阳能电池/组件的情况，福建省计量科学研究院于2012年向国家质检总局申报立项开展“日射法一级参考太阳能装置”科研项目（项目编号：2012QK022）。该项目在全国计量系统率先开展自然阳光辐照度测量技术和测量装置的研究。

“日射法一级参考太阳能装置”科研项目组针对自然阳光作为光源所存在的缺陷，如在辐照过程不能像采用太阳模拟器那样更容易控制温度和其它环境条件，天空的薄云（甚至是丝状云）飘动、气流扰动，以及空中云团的反射等不良气象条件都可能使得辐照度产生短暂时间内的变化，因而需要选择晴好的天气和大气条件、使用优良的户外实验场地等，采取必要措施避免或纠正这些缺陷的影响。

福建省质量技术监督局受国家质检总局委托，于2013年12月对“日射法一级参考太阳能装置”科研项目进行了评审验收。评审验收结论是“项目组研制的日射法一级参考太阳能装置测量太阳直接辐照度测量结果不确定度 =1.0%（ =2）”，“在光伏领域应用于测量太阳直接辐照度的测量结果不确定度达到国内领先水平”。该科研项目完成预定指标，为校准一级/二级参考太阳能电池/组件奠定了理论与技术基础。

3 自然阳光辐照度测量技术和装置研究的技术要点

研究自然阳光辐照度测量技术和装置的目的是为了准确测量自然阳光的辐照度，进而将经过准确测量的自然阳光用作校准太阳能电池/组件的光源。研究过程的技术要点包括采用腔型绝对辐射计测量自然阳光直接辐照度，采用双轴双模式的太阳跟踪仪跟踪瞄准太阳，文章对这两个技术要点做简要叙述。

3.1 采用锥型光接收腔和参考腔的腔型绝对辐射计测量自然阳光直接辐照度

该项目采用中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制的SIAR-3型绝对辐射计测量阳光直接辐照度。SIAR系列绝对辐射计曾于2000年和2005年参加世界辐射中心的第九、十届国际日射强度计比对，其偏差在0.08%以内；自2002年起在世界辐射中心同世界标准组(WSG)一起进行了长期太阳辐照度例行观测实验, 与世界标准组的辐照度测量偏差处于0.09%以内；同时还被用于神州飞船和风云卫星上测量大气层外太阳辐照度[3]。SIAR系列绝对辐射计具有对阳光辐照度测量的光谱响应范围宽、辐照度测量范围大、温度适应范围广、辐照度测量结果稳定性好和准确度高等一系列显著的优点。

SIAR系列绝对辐射计的主要技术特征是采用锥型光接收腔和参考腔，其结构如图1所示[4]。

图1 腔型绝对辐射计结构图

自然阳光通过快门和一系列光栏进入辐射计内的空腔，以视场角很小的直射光束入射到锥型光接收腔，进行接近全光谱（0.2～50）m的光热转换，并且采用电功率加热交替定标的方式，测得入射光的辐照度。参考腔与接收腔在结构、材料及加工工艺等方面上精确相似，但是参考腔上绕制的康铜加热丝与接收腔的反向连接，即使在测量辐照度过程外界环境温度有很大变化，接收腔的热电转化输出与参考腔的热电转化输出相互抵消,从而极大地减小外界环境温度漂移对辐照度测量准确性的影响，保证绝对辐射计在户外长时间测量过程中保持很高的准确性。

本装置使用的SIAR-3型腔型绝对辐射计经国家气象计量站的太阳辐射国家最高计量标准装置校准，校准因子的扩展不确定度 =0.41%（ =2）。

3.2 采用双轴双模式的太阳跟踪仪连续跟踪、准确瞄准太阳

腔型绝对辐射计安放在太阳自动跟踪仪上，在每次辐照度测量时都要准确瞄准太阳方可测量。因此，太阳跟踪仪应能够连续跟踪瞄准太阳，跟踪瞄准太阳的精度将影响测量自然阳光辐照度的测量结果不确定度。

该项目的太阳跟踪仪示意图见图2。

图2 太阳跟踪仪示意图

太阳跟踪仪根据GPS定位系统确定其安装地点的经度、纬度和时间，利用天文公式计算太阳相对安装地点的高度角和方位角，跟踪仪驱动器按照计算结果和跟踪程序驱动跟踪仪绕高度角转轴（水平轴）转动和绕方位角转轴（垂直轴）转动，进行太阳运行轨迹跟踪模式的连续跟踪，这一跟踪模式的重要作用在于不论太阳是否被云遮挡都能较准确地连续跟踪瞄准太阳。

然而，进行高精度辐照度测量时需要更准确地瞄准太阳并定位，因此该装置在太阳运行轨迹跟踪模式跟踪定位的基础上，采用了四象限光电池瞄准器定位模式微调跟踪仪绕高度角转轴做微小转动并精确定位、绕方位角转轴做微小转动并精确定位。四象限光电池瞄准器定位模式的瞄准太阳定位精度可达到±0.4º[5]。

4 自然阳光辐照度测量结果不确定度分析

4.1 测量太阳辐照度的过程和辐照度值、辐照度测量结果的计算

该项目采用双轴双模式跟踪瞄准太阳，在瞄准太阳的时刻用腔型绝对辐射计测量得到该时刻的自然阳光辐照度测量值F，并且按照下列计算式（1）得到辐照度测量结果：

根据式（1）可知，辐照度测量结果的扩展不确定度是辐照度测量值标准偏差分量和辐照度测量值校准因子平均值的标准偏差分量合成、再乘以置信因子。

4.2 辐照度测量值引入的辐照度测量结果标准偏差分量u 1

4.2.1 辐照度测量值重复性引入的标准偏差分量u11

由于自然阳光辐照度是变化的，因此每个辐照度测量值F'也都是变化的。为此，该装置采用一个接受自然阳光辐照度与产生的短路电流有很好线性度的太阳能电池作为参照物，将每个辐照度测量值 '对应的标准太阳能电池短路电流测量值 Ii→归一化折算到1000W/m2对应短路电流值Ii’，对同一天测量过程的I i’计算其标准偏差uI，并且以此作为评定 u11的依据。

以2013年11月29日在乌山国家基准气候站对中国计量院1个标准太阳能电池的92个短路电流测量数据，按照上述“每个辐照度测量值F '→测量得到标准电池短路电流测量值 Ii→归一化折算到1000W/m2对应短路电流值Ii’→计算i’的标准偏差uI”的过程进行计算，该标准太阳能电池的短路电流测量结果相对标准偏差 u11为0.38%。

4.2.2 辐照度测量值其它因素引入的标准偏差分量u12

根据绝对辐射计测量原理、结构特点和测量过程，分析其它因素引入的标准偏差分量12如下：

（1）辐照度测量灵敏度非线性对辐照度测量值的影响；

（2）时间常数的稳定性使得辐照度测量值不稳定；

（3）数据采集器精度使得辐照度测量值不稳定、不准确；

上述（1）、（2）、（3）的影响结果包括在腔型绝对辐射计的辐照度测量值校准因子平均值的标准偏差中。

（4）绝对辐射计在户外使用的环境温度变化范围大。在常温测得的主光栏通光面积与在实际使用环境温度下的通光面积有差异，使得入射光量产生变化而致辐照度测量值变化。由于采用了温度膨胀系数非常小的材料制作主光栏等其它措施，该项标准偏差非常小，可忽略不计。

（5）采用双轴双模式太阳跟踪仪跟踪瞄准太阳，入射光倾斜照射到接收腔的角度最大偏差为±0.4º，根据接收腔结构及光—热—辐照度转换的设计算法原理和入射光倾斜射入产生辐照度测量值误差的实验分析，入射光倾斜0.4º时辐照度测量值相对误差为±0.002%。

根据以上5个可能影响量的分析：

第（1）、（2）、（3）项的影响结果包括在腔型绝对辐射计的辐照度测量值校准因子平均值的标准偏差中，不重复计算；

第（4）项在户外使用环境温度变化对辐照度测量值的影响可忽略；

第（5）项跟踪瞄准偏差使得入射光倾斜射0.4º，对辐照度测量值相对误差影响为±0.002%，该值可忽略。

因此，辐照度测量值其它因素引入的标准偏差分量u12可视为0，辐照度测量值引入的辐照度测量结果标准偏差分量u1主要取决于辐照度测量值重复性引入的标准偏差分量u 11，即：u1=0.38%。

4.3 绝对辐射计的辐照度测量值校准因子平均值的标准偏差引入的辐照度测量结果标准偏差分量 2

根据腔型绝对辐射计校准证书（国家气象计量站，GQJ(B)F2013213C号证书），该腔型绝对辐射计的辐照度测量值校准因子平均值为1.0005，该平均值的扩展不确定度2=0.41% ( =2)，则有：2=0.41%/2=0.20%。

4.4 辐照度测量结果的合成标准偏差 c

4.5 测量自然阳光辐照度的测量结果扩展不确定度u：

5 总结

本项目将高精度腔型绝对辐射计用作太阳辐照度测量标准仪器，结合双轴双模式太阳跟踪仪准确瞄准太阳，测量太阳直接辐照度的测量结果不确定度u =1.0%（k =2)，其结果在光伏领域应用已达到国内领先水平，对于建立和完善太阳能电池/组件测量/校准的量值溯源体系具有重要作用。

[1]李杰.光伏计量的光辐照度测量方法分析[J].质量技术监督研究，2012，6(05)：15-17.

[2]董旭. 应用户外测试系统开展光伏检测的分析[J].计量与测试技术，2012，39(12)：9-11.

[3]方伟，禹秉熙，王玉鹏，等.太阳辐照绝对辐射计及其在航天器上的太阳辐照度测量[J].中国光学与应用光学，2009，2(01)：23-28.

[4]王玉鹏，方伟，弓成虎，等.双锥腔互补偿型绝对辐射计[J]. 光学精密工程，2007，15(11)：1662-1664.

[5]王红睿，王玉鹏，方伟.智能双模式太阳跟踪器[J].光学精密工程，2011，19(07)：1605-1611.

Research on Techniques and Devices of Nature Sunlight Irradiance Measurements

LI Jie1, 2, DONG Xu1, WANG Yu-Peng3, CHEN Jian-Gong1, 2, WEI Peng1, LIAO Xiao-Hua1
(1. Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, Fujian,China)
(2. National PV Industry Measurement and Testing Center, Fuzhou 350003, Fujian, China)
(3. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, Jiling, China)

There are some advantages to use nature sunlight as the source of solar cell calibration compared with the usage of solar simulator.It accords with the request for calibration of solar cell that recommended by international criterion. There is a cooperate research to do it between Fujian Metroiogy Institute and Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,.It uses the solar irradiance absolute radiometer as the main baseline with the automatic solar tracker. The uncertainty of direct solar irradiance measurement is U=1.0%(k=2), keeps ahead in the PV field, it makes a foundation for calibration of reference solar cell.

Nature sunlight irradiance; Measurement technology;Measuring device; Uncertainty of measurement results

2014-02-10

李 杰，男，福建省计量科学研究院，副院长，国家光伏产业计量测试中心（筹）常务副主任，高级工程师