光伏组件最大功率的测量不确定度评定

中国电子科技集团公司第十八研究所 ■ 王金玉胡涛 袁明翰 徐正元

光伏组件最大功率的测量不确定度评定

中国电子科技集团公司第十八研究所 ■ 王金玉*胡涛 袁明翰 徐正元

讨论分析了影响光伏组件在标准测试条件下最大功率的测量不确定度因素，并计算出被测光伏组件的最大功率的相对扩展不确定度。根据评定结果可知，太阳模拟器的辐照不均匀度、标准太阳电池校准值的不确定度及被测光伏组件温度测量的精度是测量不确定度的主要来源，可以通过降低这3个方面的测量不确定度来提高光伏组件最大功率测试的准确度。

测量不确定度；光伏组件；太阳模拟器

0　引言

如何准确测量光伏组件在标准测试条件[1]下的最大功率，是光伏检测单位和组件生产厂家一直以来最为关注的问题之一，最大功率测试的准确度直接关系到生产厂家和客户的经济利益，对于工艺改进同样也起着至关重要的作用。光伏组件在标准测试条件下的最大功率测试的准确度可采用测量不确定度来表述。测量不确定度是目前国际上普遍接受的定量描述测量结果质量的一个参数[2]，测量不确定度越小，测量结果的质量越高；测量不确定度越大，测量结果的质量越差。从严格意义上讲，在测量结果的报告中，均应给出相应的测量不确定度。

测量不确定度用于表征合理赋予被测量之值的分散性，是与测量结果相联系的参数。通常有两类：用对一列测量数据进行统计分析的方法获得的不确定度分量，称为A类不确定度分量；用不同于对测量数据进行统计分析的方法获得的不确定度分量，称为B类不确定度分量，是基于以往的实验结果、经验或其他信息来评估的。

在实际测量过程中，多数情况下，被测量Y不能直接测得，是由n个其他量X1，X2，…，Xn通过函数f来确定的[3]：

式(1)表示的函数关系称为测量过程数学模型。设式(1)中被测量Y的估计值为y，Xi的估计值为xi，则：

由式(2)可得到，被测量Y的估计值y的不确定度为：

首先建立测量过程的数学模型，再计算每个输入量的测量不确定度，然后通过式(3)确定被测量Y的测量结果的不确定度。本文根据《测量不确定度评定与表示指南》和JJF 1059-1999《测量不确定度评定与表示》的要求，在分析光伏组件最大功率测量不确定度来源的基础上，对其不确定度进行评定。

1　测试方法

采用脉冲太阳模拟器，按照GB/T 9535-1998《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》中10.2 标准试验条件下的性能[4]的要求，确定被测光伏组件在标准测试条件下电性能参数。具体步骤为：1)将标准太阳电池和被测光伏组件温度恒定在25±1 ℃；2)在有效测试面内安装标准太阳电池，使其有效面的法线与太阳模拟器光束中心线平行，误差＆lt;5°；3)调整太阳模拟器辐照度，使标准太阳电池的短路电流达到其校准值；4)在有效测试面内安装被测光伏组件，使其有效面的法线与太阳模拟器光束中心线平行，误差＆lt;5°，并使被测光伏组件和标准太阳电池处于同一平面内，测量被测光伏组件温度，测试其在标准试验条件下的I-V曲线，并保存曲线；5)重复测试3次，并保存测试结果。

2　测量不确定度的评定

2.1A类不确定度的计算

被测光伏组件的单体尺寸为156 mm×156 mm；单体电池材料为单晶硅，串联数60串。在同一测试条件下对该组件重复测量3次，测量结果见表1，表中Pmax满足公式(4)。

式中，Vmp为最大功率点的电压；Imp为最大功率点的电流。

重复性测量条件或复现性测量条件下，用统计分析的方法获得的不确定度分量属于A类不确定度分量。由于本次实验的测量次数为3次，测量次数较少，所以采用极差法计算实验标准差较为适宜。

表1　重复性的测量结果

Pmax的实验标准差s的计算式为：

由式(5)可得，s=0.059 W。

由测量重复性引入的A类标准不确定度分量uA(Pmax)的计算式为：

由式(6)可得，uA(Pmax)=0.034 W。

本文中置信概率区间取U95，包含因子k=2，那么相应的扩展不确定度和相对扩展不确定度分别为0.068 W、0.026％。

同理可求得Vmp和Imp的相对扩展不确定度分别为0.044％、0.048％。

2.2B类不确定度的计算

由式(3)和式(4)可知，被测光伏组件Pmax的B类测量不确定度分量与Vmp、Imp测量不确定度有关。Vmp、Imp测量不确定度的主要来源有：太阳模拟器辐照不均匀度；太阳模拟器辐照不稳定度；电子负载电压、电流测量；标准太阳电池校准值；光谱失配；温度测量。

2.2.1太阳模拟器辐照不均匀度引入的不确定度分量

IEC 60904-9-2007定义的辐照不均匀度的计算方法[5]如式(7)所示：

式中，最大辐照度和最小辐照度分别指在测试面内测得的辐照度最大值和最小值。根据太阳模拟器不均匀度的测试结果和式(7)，计算出太阳模拟器的辐照不均匀度为1.6％，按均匀分布考虑，取其包含因子k=√3，则其标准不确定度为0.93％，那么扩展不确定度为1.86％。由于电压与辐照度[6]的对数呈线性，而电流与辐照度成线性，因此由太阳模拟器辐照不均匀度引入的相对扩展不确定度分量分别为：UB1(Vmp)=0.27％，UB1(Imp)=1.86％。

2.2.2太阳模拟器辐照不稳定度引入的不确定度分量

IEC 60904-9-2007定义的辐照不稳定度的计算方法[5]如式(8)所示：

式中，最大辐照度和最小辐照度分别指在测试时间内测得的辐照度最大值和最小值。根据太阳模拟器不稳定度的测试结果和式(8)，计算出太阳模拟器的辐照不稳定度为0.1％，按均匀分布考虑，取其包含因子k=√3，则其标准不确定度为0.058％，那么扩展不确定度为0.12％。由于电压与辐照度的对数呈线性，而电流与辐照度成线性，因此由太阳模拟器辐照不稳定度引入的相对扩展不确定度分量分别为：UB2(Vmp)=0，UB2(Imp)=0.12％ 。

2.2.3电子负载引入的不确定度分量

由电子负载的校准证书知，电子负载电压、电流引入的相对扩展不确定度分量分别为0.06％ 和0.07％。则UB3(Vmp)=0.06％，UB3(Imp)=0.07％ 。

2.2.4标准太阳电池校准值引入的不确定度分量

测量光伏组件最大功率时采用的标准电池的相对光谱响应宜尽量与被测光伏组件相同，那么标准太阳电池校准值的不确定度可直接引入到Imp的不确定分量。由标准太阳电池的校准证书可知，标准太阳电池的短路电流的相对扩展不确定度为1.8％，因此，引入的相对扩展不确定度分量分别为：UB4(Vmp)=0.26％，UB4(Imp)=1.8％。

2.2.5光谱失配引入的不确定度

被测光伏组件的电池的材料、工艺、封装材料等与所采用的标准太阳电池相同，认为二者的相对光谱响应基本相同。根据IEC 60904-2-2010[1]可知，测试样品的相对光谱响应与标准电池的相对光谱响应相同时，不必进行光谱失配修正，即光谱失配系数MM=1。由光谱失配引入的不确定度较小，认为可以忽略。

2.2.6最大功率Pmax的B类合成不确定度

最大功率Pmax的B类合成不确定度由两部分组成：由Vmp、Imp引入的不确定度分量、被测光伏组件温度测量引入的不确定度分量。

1)由式(3)和式(4)得到最大功率Pmax的B类合成不确定度表达式为：

由本文第2.2.1～2.2.5及Vmp和Imp的A类相对扩展不确定度，可求得Vmp、Imp的B类合成相对扩展不确定度分别为：UB(Vmp)=0.4％，UB(Imp)=2.6％。将所得参数代入式(9)可得，UB*(Pmax)=2.7％。

2)被测光伏组件在标准测试条件下进行最大功率测量时，要求其温度应保持在25±2 ℃，本测量不确定度评定采用的测温仪精度为±1 ℃。按均匀分布考虑，取其包含因子k=√3，则其标准不确定度为0.6 ℃，那么其扩展不确定度为1.2℃。根据IEC 61215-2005测得被测样品的最大功率温度系数[7]为0.4％/℃，那么由此引入的不确定度为UB5(Pmax)=0.48％。

上述二者的合成即可得到最大功率Pmax的B类合成相对扩展不确定度为：

2.3合成相对扩展不确定度

综上所述，最大功率Pmax的合成相对扩展不

3　结论

通过对光伏组件在标准测试条件

下最大功率测量不确定度的评定可知，太阳模拟器的辐照不均匀度、标准太阳电池校准值的不确定度，以及被测光伏组件温度测量的不确定度对最大功率测量不确定度的影响较大。因此在测量光伏组件最大功率时，应尽量将其放置在辐照不均匀度较小的测试面内，同时还应提高温度测量的准确精度，以减小最大功率测量的不确定度。

[1] IEC 60904-2-2010, Photovoltaic devices–Part 2: Requirements

for photovoltaic reference devices[S].

[2] 江水英, 肖化云, 吴声东, 等. 火试金法测定铜精矿中金含量结果的不确定度评定[J]. 岩矿测试, 2008, (4): 299-301.

[3] 国家质量技术监督局计量司.测量不确定度评定与表示指南[M]. 北京: 中国计量出版社, 2000, 23-28.

[4] GB/T 9535-1998, 地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型[S]. [5] IEC 60904-9-2007, Photovoltaic devices–part 9: Solar simulator performance requirements[S].

[6] 包诞文, 张建中. 物理电源[M]. 北京: 电子工业出版社, 1985, 42-49.

[7] IEC 61215-2005, Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules-design qualification and type approval［S］.

2016-05-03

王金玉(1980—)，女，硕士，主要从事太阳电池测试方面的研究。yugi0501@163.com