从参考太阳电池到太阳电池组件的量值传递技术研究

周军红　吴健鸥　梅书刚　罗旭东

摘要：为实现太阳电池光电参数测量条件的一致性，进而保证测量数据的准确性、实验室间测量数据比对及互认的公正性，该文通过对太阳电池的开路电压温度修正、短路电流温度修正、太阳辐照强度修正等量值传递技术的研究，完成参考太阳电池在标准状态（STC）下的量值传递到室外自然环境下的太阳电池组件，实现对非标准条件下太阳电池组件光电参数的STC修正。太阳电池组件修正后的开路电压值、短路电流值与STC条件下的开路电压值、短路电流值相对偏差分别为–0.95%、0.58%。该量值传递技术及其方法为非STC条件下太阳电池组件光电参数实验室间比对及互认提供可能。

关键词：太阳电池;量值传递;量值比对;温度修正;辐照度修正

中图分类号：TQ317.3

文献标志码：A

文章编号：1674–5124（2019）02–0007–04

0 引言

近年来，光伏能源因其清洁、可再生等方面的巨大优势而受到越来越多的重视，世界各主要经济体不断加大对光伏发展的推进力度[1-3]。但是，由于各主要光伏计量机构间没有建立统一的溯源体系，从而导致太阳光伏电池及其组件光电参数测量条件的一致性以及测量量值的准确性无法保证，进而影响到实验室间测量数据的比对及互认，对太阳电池的技术创新、质量提升、产品贸易等方面的发展形成极大限制。所以，建立太阳电池统一的量传溯源体系，实现从参考太阳电池到太阳电池组件的量值传递，最终必然会提升光伏产业的发展。

该文通过对太阳电池的开路电压温度修正、短路电流温度修正、太阳辐照强度修正等量值传递技术的研究，实现对非标准条件下太阳电池组件光电参数的STC修正。太阳电池组件修正后的开路电压值、短路电流值与STC条件下的开路电压值、短路电流值相对偏差分别为–0.95%、0.58%，达到较好水平。该量值传递技术为非STC条件下太阳电池组件光电参数实验室间比对及互认提供了可能。

1 基本原理

太阳电池光电参数通过I-U曲线扫描获取[4-5]，而I-U曲线测量条件的一致性，是采集到的光电特征参数准确与否的前提，是太阳电池光电性能强弱对比的前提，更是不同实验室间测量数据比对及互认的基础。为此，通常在标准条件（STC）[6]下（光谱分布AM1.5G[7]，辐照度1000W/m2，环境温度25°C）标定太阳电池I-U曲线。但在實际测试中太阳电池的温度和测试的辐照度并不能完全达到STC条件，这时需要对太阳电池I-U曲线的测试结果进行温度差异、辐照度差异以及I-U特性曲线修正。

太阳电池I-U曲线的温度和辐照度修正公式[8]为

式中：I1、U1——实测电流、电压值;

I2、U2——修正后的电流、电压值;

T1——样品的实测温度;

T2——标准条件下的温度;

α、β——试验样品在标准辐照度下的电流和电压温度系数（β为负值）;

Rs——试验样品的内部串联电阻;

G1——实际工况条件下的太阳辐照强度;

G2——STC条件下的太阳辐照强度。

I-U特性修正可通过下式[9]计算：

式中：ISC——样品的实测短路电流;

IMR——标准太阳电池的实测短路电流，在测量IMR时，如有必要应对标准电池的温度作修正;ISR——标准太阳电池在标准辐照度下的短路电流;

K——曲线修正系数。

2 实验与方法

实验中参考太阳电池由中国计量科学研究院研发并完成STC条件下的定标，型号为81#;太阳模拟器及I-U测试系统是美国ABET公司生产的SUN3000;实验中使用的太阳电池及太阳电池组件从广州光之龙光伏科技有限公司定制，太阳电池及太阳电池组件是同一批次相同材质产品，其中太阳电池规格为156mm×156mm，太阳电池组件规格为1.6m×1.0m。太阳电池组件光电参数在STC条件下的标定由国家太阳能光伏产品质量监督检验中心（广东）完成，该量值可溯源到中国计量科学研究院。太阳电池组件户外自然环境下的光电参数由台湾ALLReal公司生产的太阳能电池模组I-U曲线同步测量系统（SIVT504）采集得到;自然环境下太阳辐照强度由自主开发的太阳模拟器绝对辐照强度测量系统采集得到，该系统可溯源到中国计量科学研究院。整个实验过程的温度测量由Fluke2625A数据采集器外加热电偶组成的采集系统在线采集完成，该系统可溯源到中国计量科学研究院。

整个实验过程是：首先，由中国计量科学研究院81#参考电池实现对ABETSUN3000标准光源绝对辐照强度的校准;然后，由SUN3000实现对156mm×156mm规格的太阳电池电压温度系数、电流温度系数的计算;最后将电压温度系数、电流温度系数传递到规格为1.6m×1.0m的太阳电池组件，并修正I-U特性曲线，从而实现由参考电池到太阳能电池组件的量值传递。太阳电池及太阳电池组件I-U特性的测量方法在以前的文献中都有说明[10-11]。

3 结果与讨论

3.1 温度修正系数计算

分别在不同的温度条件下，对太阳电池I-U特性进行测量，随温度的变化太阳电池的光电参数数据如表1所示。根据表中数据分别建立太阳电池开路电压随温度的变化曲线、短路电流随温度的变化曲线，如图1所示。由图可以看出，两条曲线都近似于直线的变化趋势，通过拟合，分别建立了两条线的一次函数关系，其中开路电压-温度（U-T）的一次函数为：y=–0.0019x+0.6782;短路电流-温度（I-T）的一次函数为：y=0.0048x+8.85。

根据IEC61215第10.4条[7]，太阳电池的开路电压（UOC）绝对温度修正系数β为–0.0019V/K，短路电流（ISC）绝对温度修正系数α为0.0048A/K。

3.2 I-U特性曲线修正

1）自然环境下太阳电池组件的I-U特性参数采集

户外实验场采集的自然环境下太阳能电池组件I-U特性，现场的辐照强度为738W/m2。主要技术参数见表2。

2）太阳电池组件自然环境下的I-U特性参数修正

将式（1）～式（4）简化并整合后得到如下修正公式：

式中：I、U——太阳电池组件修正前的实测电流、电压值;

Uoc（stc）、Isc（stc）——太阳电池组件STC条件下的开路电压、短路电流值;

Ustc、Istc——太阳电池组件修正后的电压、电流值;

k——经验常数;

T——修正前太阳电池组件表面实测温度。

通过一系列的实验，最后取k=0.1时修正结果在本次实验中最为理想。

将计算得到的电压温度修正系数、电流温度修正系数、太阳电池组件自然环境下的I-U特性原始数据（辐照强度为738W/m2、太阳电池组件表面温度为39.7°C等）带入式（5）、式（6）并修正到1000W/m2、25°C条件，得到修正后的I-U特性数据，如表3所示。

图2是实验场自然环境下采集到的太阳电池组件I-U特性曲线在修正前后的对比情况，很明显经过修正后I-U特征值得到了有效的提高，但是曲线波形没有发生明显变化。

3）太阳电池组件I-U特性修正后数据与STC条件下标定数据对比分析

经过户外实验后，對太阳电池组件进行了STC条件下的定标实验，得到了STC条件下太阳电池组件的I-U特性曲线及其特征参数。图3是关于太阳电池组件经过温度、辐照等修正后的I-U特性曲线与STC条件下标定的I-U特性曲线对比，很明显两条曲线几乎重合在一起。

表4中对太阳电池组件I-U特性的特征参数进行了比较，自然条件下的I-U特性经过修正后其开路电压由修正前的35.09V提高到修正后的37.27V;短路电流由修正前的5.99A提高到修正后的8.72A。与此同时，修正后的开路电压值与STC条件下的标定值37.63V偏差为–0.95%;修正后的短路电流值与STC条件下的标定值8.67A偏差为0.58%，修正效果比较明显。

4 结束语

通过实验找到了从太阳电池到太阳电池组件的温度修正系数，基于太阳电池I-U特性温度、辐照度以及曲线修正公式的理论指导，结合实验中的经验总结，形成了自己的I-U特性曲线的修正方法，通过该修正方法实现了对太阳电池组件I-U特性的修正。修正后其开路电压、短路电流距离STC条件下标定值的偏差分别为–0.95%、0.58%。通过以上工作，找到了从参考太阳电池到太阳电池组件的量值传递的技术、方法、路线，这种技术、方法、路线可以为各类型太阳电池量值传递工作提供参考和借鉴，为非STC条件下太阳电池组件光电参数实验室间比对及互认提供了可能。

参考文献

[1]BP世界能源统计年鉴[R].北京：BP集团，2011.

[2]冯垛生，王飞.光伏发电技术图解指南[M].北京：人民邮电出版社，2011：1-18.

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[6] Crystalline silicon terrestrial photovoltaic （PV） modules- Design qualification and type approval： IEC 61215[S].Geneva： IEC， 2005.

[7] Photovoltaic devices-Part 3： Measurement principles for terrestrial photovoltaic （PV） solar devices with reference spectral irradiance data： IEC 60904-3[S]. Geneva： IEC， 2008.

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