照射光与中心线平行和与平面垂直的检测定位技术*

李 杰

(福建省计量科学研究院/国家光伏产业计量测试中心，福州 350003)



照射光与中心线平行和与平面垂直的检测定位技术*

李 杰

(福建省计量科学研究院/国家光伏产业计量测试中心，福州 350003)

在光伏行业计量领域采用直射阳光校准的光伏参考电池的过程中，需要解决直射阳光与用于测量直射阳光辐照度的腔体绝对辐射计入射光轴中心线平行、直射阳光与光伏参考电池受光平面垂直的检测定位问题。研究、应用以二小孔中心连线通过的直射阳光作为基准要素的检测定位原理，研制相应的检测定位装置，为校准参考太阳电池解决了关键的检测定位问题。应用该检测定位原理研制的照射光与几何要素平行和垂直检具，获得实用新型专利权。

计量学；光伏计量；照射光；平行；垂直；定位

0 引言

用直射阳光照射光伏参考电池、测量其输出的短路电流，是光伏参考电池量值校准的重要方法之一。在校准过程中，必须保证用于测量直射阳光辐照度(W·m-2)的腔体绝对辐射计的入射光轴中心线准确地平行于直射阳光，必须保证接受直射阳光照射、输出短路电流(A)的光伏参考电池受光平面准确垂直于直射阳光，方可准确测量光伏参考电池校准值(A·W·m-2)[1]。

福建省计量科学研究院承担国家质检总局科研项目《日射法一级参考太阳能测量装置》，研制准确测量直射阳光辐照度等太阳能辐照度参数的装置[2]，为测量参考太阳电池校准值提供直射阳光辐照度(W·m-2)这一关键量值。该科研项目将几何量位置误差测量中的照射光与中心线平行、与平面垂直的检测定位技术[3-4]应用于研制日射法一级参考太阳能测量装置(以下称“测量装置”)，实现了直射阳光与测量装置的腔体绝对辐射计入射光轴中心线平行、与光伏参考电池受光平面垂直。采用准确定位的腔体绝对辐射计和双轴双模式太阳跟踪仪配合测量直射阳光辐照度，经科研项目验收意见评价测量结果不确定度U=1.0%(k=2)，在光伏领域达到国内领先水平。该检测定位装置的技术原理还用于研制照射光与几何要素平行和垂直的检具，在光伏计量和其它领域中都有很好的作用，使用方便、准确可靠，已获得实用新型专利权。

1 直射阳光与腔体绝对辐射计中心线平行的检测定位技术

测量装置的直射阳光辐照度测量仪器为腔体绝对辐射计，见图1(a)。腔体绝对辐射计安装于二维微调安装架，经二维方向调整使得腔体绝对辐射计的中心线瞄准太阳，腔体绝对辐射计前端快门打开时，直射阳光能准确、平行地照射在位于腔体内中心线位置的辐照度测量传感器上，以准确测量直射阳光辐照度。

图1 腔体辐照度计安装及其中心线平行于直射阳光定位图

但是，腔体绝对辐射计中心线是否与直射阳光准确平行是无法直接用目测的方式判断的[5]。本测量装置腔体绝对辐射计的前、后端的凸缘上分别加工了一个直径约1mm的小孔，加工工艺保证这二个小孔中心线的连线与腔体绝对辐射计中心线严格平行，见图1(b)。

在校准光伏参考电池过程，调整二维微调安装架上的腔体绝对辐射计的二个小孔中心线的连线瞄准太阳，使得直射阳光从前端小孔透过、照射在后端面形成一个明亮的光斑，见图1(b)。该光斑照准了后端小孔，则表明这二个小孔中心线的连线与直射阳光平行，也就使得腔体绝对辐射计中心线与直射阳光平行。

2 直射阳光与光伏参考电池垂直的检测和定位技术

本装置采用垂直瞄准器检测、定位光伏参考电池垂直于直射阳光。垂直瞄准器、光伏参考电池均安装于电池安装台，见图2(a)。垂直瞄准器的底面与其中心线经精密加工[6]，二者之间垂直度误差控制在0.01mm；底面安装于电池安装台的正面。电池安装平台的正面与其背面采用互为磨削定位基准的方式磨削加工，平行度误差控制在0.02mm以内。这些加工精度和安装方式可保证垂直瞄准器的中心线与电池安装台的正面、背面垂直。

光伏参考电池的受光平面贴附安装在电池安装台的背面，见图2(a)，调整垂直瞄准器中心线相对直射阳光平行，则可保证光伏参考电池的受光面相对于直射阳光垂直。

图2 光伏参考电池平面与垂直定位器中心线和直射阳光垂直定位图

调整垂直瞄准器中心线相对直射阳光平行的检测和定位技术与调整腔体绝对辐射计中心线相对直射阳光平行的方法相同。前、后端的凸缘上分别加工了一个直径约1mm的小孔，二个小孔中心线的连线与垂直瞄准器中心线严格平行。

直射阳光从垂直瞄准器前端小孔透过、照射在后端面形成一个明亮的光斑，见图2(b)及局部放大图，图中垂直瞄准器后端凸缘上的明亮光斑相对小孔中心偏离，表明二个小孔中心线的连线与直射阳光不平行，也就是电池安装台正面与直射阳光不垂直。在实际检测定位时，应使得该光斑照准后端凸缘上的小孔，则表明这二个小孔中心线的连线与直射阳光平行，也就使得垂直瞄准器中心线与直射阳光平行，进而电池安装台正面和在其背面贴附安装的参考电池受光平面与直射阳光垂直。

3 照射光与几何要素平行和垂直检具

3.1 照射光与几何要素平行和垂直检具的技术特征

本照射光与几何要素平行和垂直检具获得实用新型专利权，其结构如图3所示，技术特征如下所述。

1)A面、B面和C面严格平行；

2)小孔a孔和b孔的中心线连线a-b与A面、B面和C面严格垂直；

3)连线a-b与D、E、F和G面严格平行；

4)连线a-b与V型槽中心线严格平行。

这些结构和技术特征仅仅是本专利的说明性的描述，而不是对专利的范围的限定。

图3 照射光与几何要素平行和垂直检具

3.2 用于照射光与表面平行的检测

照射光从A面入射并照准B面的b孔时，由于D、E、F和G面与a-b(照射光)平行，则D、E、F和G面以及与这些面紧靠连接、平行的表面与照射光平行。

3.3 用于照射光与圆柱中心线平行的检测

在V型槽中放置圆柱，可知这圆柱中心线必然与V型槽中心线平行。由于连线a-b与V型槽中心线严格平行，则圆柱中心线必然与连线a-b平行。那么，若照射光从A面入射并照准B面的b孔，则可检测、判断圆柱中心线与照射光平行。

3.4 用于照射光与表面垂直的检测

照射光从A面入射并照准B面的b孔时，由于a孔和b孔中心线的a-b连线与A、B和C面垂直，则A、B和C面以及与A、B和C面紧靠连接、平行的表面都与照射光垂直。该检具的A面或C面安装与太阳能电池组件的受光面平行，用于调校太阳能电池组件的受光面垂直于直射阳光，具有方便、准确的作用。

3.5 照射光与几何要素平行和垂直检具获得实用新型专利权

照射光与几何要素平行和垂直检具在光伏计量中得到很好的应用，在几何量计量和许多产业、领域也有很大的应用价值。这项检具和测量技术已经获得实用新型专利权。

4 结论

本文应用几何量位置误差测量的基本原理，研制的检测定位装置以通过二小孔中心连线的直射阳光作为基准要素，解决了腔体绝对辐射计入射光轴中心线与直射阳光平行、光伏参考电池受光平面与照射光垂直的检测定位问题，采用腔体绝对辐射计和双轴双模式太阳跟踪仪测量直射阳光辐照度的测量结果不确定度U=1.0%(k=2)，在光伏领域达到国内领先水平。

进一步应用这个检测定位装置基本原理，研制了照射光与几何要素平行和垂直检具，获得实用新型专利。该检具适用于光伏计量的太阳能电池组件与直射阳光垂直的检测定位，以及其他领域需要的照射光与几何要素平行、垂直的检测定位，具有很好的便捷、准确的实用价值。

[1] IEC 60904-4-2009，Photovoltaic devices -Part 4: Reference solar devices - Procedures for establishing calibration traceability[S]

[2] 李杰，董旭，王玉鹏，陈建功，魏鹏，廖小华.自然阳光辐照度测量技术和装置的研究[J].质量技术监督研究, 2014(2)

[3] GB/T 1182—1996，形状和位置公差[S]

[4] GB/T 1958—2004，产品几何量技术规范(GPS)形状和位置公差 检测规定[S]

[5] 毕宇庆.DI5S测距仪三轴平行性的调校[J].计量技术,2004(2)

[6] 李义文.轴套垂直度的检测[J].计量技术,2004(11)

国家质量监督检验检疫总局科技计划项目(2012QK022)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.3.13