基于光纖光譜儀的太陽模擬器光譜分布測量的問題研究

黎健生 ，楊愛軍 ，羅海燕

（1 福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

（2 國家光伏產業計量測試中心，福建 福州 350003）

1 緒論

光伏行業使用太陽模擬器產生模擬太陽光對光伏器件進行照射，配合電子負載和源表等設備可測得光伏器件的最大發電功率、短路電流、開路電壓等關鍵電參數。而光伏產品又是基于發電功率計價的，因此太陽模擬器是光伏行業里的關鍵設備之一。太陽模擬器光源部分的評估，依據的是IEC 60904-9[1]，涵蓋了光譜匹配度、輻照度不均勻度和輻照度不穩定度三個部分，其中光譜匹配度的測量評估普遍使用光纖光譜儀進行。光纖光譜儀使用光纖耦合入光口和感光器件，內部一般采用Czerny-Tunner結構，入射光線經過衍射光柵分光投影到CCD探測器上進行光譜輻射照度測量[2]。

新版的IEC 60904-9 Ed3.0預計在2019年底發布，針對光譜匹配度的要求進行了較大改動，主要體現在評估的光譜分布范圍從（400～1100）nm擴展到（300～1200）nm。此外增加了A+級別，要求匹配度范圍為（-1.125～1.125），比原有的A級要求嚴格一倍[3]。因此在新標準的背景下，太陽模擬器的光譜分布測量顯得更為重要，且對測量設備和操作要求更嚴格。在使用光纖光譜儀測量太陽模擬器光譜分布的過程中，光纖光譜儀各波段響應線性度、光譜儀測量參數設定以及同一型號不同光譜儀的測量一致性都是需要慎重考慮的問題，否則將影響后續的光伏器件的電性能測量和光譜失配計算等操作[4][5]。文中將上述這些方面對最終測量結果的影響通過實驗進行量化分析，可為相關從業人員在設備評估和測量提供有益的參考。

2 實驗部分

2.1 光譜儀響應線性度實驗

實驗中的光源使用高穩定度穩態太陽模擬器。實驗過程中，將模擬器初始輻照度設定為1000W/m2， 以此為基礎疊加不同衰減比率的網格狀衰減片，由此實現以1000 W/m2為基礎，（10～95）%透過比例的各種輻照強度，即100W/m2、200W/m2、300W/m2、400W/m2、500W/m2、600W/m2、700W/m2、800W/m2、900W/m2、950W/m2、1000W/m2。實驗中被考核的光譜儀型號為Avasolar-1，廣泛用于光伏行業中太陽模擬器的光譜匹配度測量，具有很高的代表性。光譜儀在實驗前經過中國計量科學研究院校準，在校準有效期內。由于調節輻照度通過插入物理網格狀衰減片實現，不改變模擬器氙燈的功率，因此不改變太陽模擬器的光譜分布。而通過測量不同輻照強度但光譜分布恒定的光源，可以考核光譜儀光伏輻照度測量值關于輻照強度變化的線性度如何[4]。

僅從圖1看來，在10%～95%透光的情況下光譜輻射照度測量的強度變化似乎是合理的，但這樣看不到細微處的變化趨勢，因此下面抽出一部分特征波長（光譜儀做波長準確度定標時所用的波長以及接近100nm倍數的整數波長）的光譜輻射照度關于無衰減（100%）條件下歸一化后的數據進行考察?？梢钥吹奖?中灰底的波長測量值的線性度是不夠好的，某些測量值的偏差超過了3%。而在821.5nm這個波長上，基本上在各個衰減檔位上均偏差嚴重，表現為CCD傳感器在該處過早達到飽和狀態，在輻照度比較弱的400W/m2就已經達到了100%的信號輸出，之后隨光強的增加而不再改變。

表1 在不同輻照度下各個特征波長的測量值

圖1 不同輻照度下測得的太陽模擬器光譜分布

在表2中，筆者分別計算了各個輻照度下的模擬器光譜匹配度結果，由于光譜儀的線性度問題，隨著輻照度的減弱，（300～400）nm波段逐漸往負匹配方向變化，700nm往后波段逐漸往正匹配方向變化。雖然整體評級結果基本不變，但測量結果的絕對偏差還是明顯的。

表2 在不同輻照度下測得太陽模擬器光譜匹配度

2.2 光譜儀測量參數設定對測量結果影響的實驗

由于太陽模擬器的光源類型和照射形式多樣，在使用光譜儀進行測量時，必須根據光源類型以及發光特性對光譜儀的測量參數進行調節。光譜儀的測量設定參數一般至少包含延遲時間、積分時間和平均次數。對于穩態模擬器和瞬態模擬器來說，均對測量產生影響的參數是積分時間，關系到光譜儀探測器是否工作在低信噪比狀態、量子效率最優狀態或飽和狀態。延遲時間的設定則對瞬態模擬器的測量尤為重要，不當設置可能會測量到脈沖光的上升沿、下降沿甚至錯過脈沖。平均次數的設定則影響到瞬態模擬器測量結果的準確性或穩態模擬器測量的重復性。由于光伏產業主要使用瞬態太陽模擬器，下面就瞬態太陽模擬器的測量作為主要測量對象。

2.2.1 延遲時間設定對測量結果影響的實驗

實驗通過設定延遲時間100uS、200uS、500uS、1mS、8mS和10mS的不同設定，對一臺Pasan Highligh3瞬態模擬器進行光譜分布測量，以考察不同延遲時間對測量結果的影響。實驗前，筆者通過標準太陽電池和示波器測得模擬器閃光特性參數為上升沿持續時間約為0.6mS，平臺期為10.2mS，下降沿為0.8mS。為了保證實驗數據的可比性，光譜儀的積分時間和平均次數均維持不變，設定為3mS和1（次）。

圖2 不同延遲時間下測得的太陽模擬器光譜分布

根據實驗結果可知，觸發延時100uS、200uS到500uS時，測量時機太早，均測到模擬器閃光脈沖的上升沿，這個階段的輻照度偏低。觸發延時1mS時，開始測量時間點已經達到了閃光平臺期，積分時間3mS的設定保證了測量終止時間不超過閃光平臺期，因此測得光譜分布數據是正常的，積分輻照度約為996W/m2，基本符合1000W/m2。觸發延時在8mS和10mS時，已經測量到閃光脈沖的下降沿，因此總體輻照度偏弱，且（800～1100）nm波段的占比偏強，（400～500）nm波段占比變弱?？傮w看來，不同的觸發延時對太陽模擬器的評級結果影響有限，但在觸發時間不合適的設定下測得的光譜分布圖的強度與AM1.5參考光譜偏差明顯，可知測量有誤，不可使用相關數據進行模擬器光譜匹配度評級計算。

由此可見，在測量前應充分了解被測模擬器的閃光特性，特別是平臺期的起止時間，以此為依據設定光譜儀的延遲時間以及后面提到的積分時間和平均次數，保證光譜儀的觸發處于閃光的平臺期內，以確保測量的準確可靠。

表3 在不同觸發延時設定下測得同一太陽模擬器光譜匹配度

2.2.2 積分時間設定對測量結果影響的實驗

對于瞬態模擬器來說，積分時間的設定影響到兩個方面，一是積分時間是否過長以致光譜儀的傳感器飽和，二是積分時間是否過短以致無法保證弱光條件下的信噪比足夠高。同樣為了保證實驗數據的可比性，光譜儀的延遲時間和平均次數均維持不變，設定為1mS和1（次）。在此基礎上，對一臺halm長脈沖太陽模擬器（脈沖平臺時間105mS）進行積分時間分別為1ms、3mS、5mS、7mS、9mS、10mS、15mS、20mS的測量，以考核積分時間對測量結果的影響。

圖3 不同積分時間下光譜輻射照度的差異

從圖3可以看出1mS積分時間的測量結果（深藍色曲線）由于傳感器的感光不足而導致信號偏弱，而且由于信噪比也偏低曲線毛刺較多，但總體不影響模擬器評級結果。從圖3最上方的幾條重合曲線可以看出，3mS的積分時間開始，一直到9mS的設定，測量結果基本高度一致。10mS積分時間設定開始讓測量曲線在500nm～650nm處有了部分下陷，證明負責測量這部分波段的傳感器開始飽和，而且根據測量數據進行的模擬器評級開始產生偏差。15mS和20mS的積分時間設定讓測量曲線凹陷更加明顯，測量結果不可用，模擬器評級出現重大偏差。

表4 在不同積分時間設定下測得同一太陽模擬器光譜匹配度

2.2.3 平均次數設定對測量結果影響的實驗

平均次數的設定，和積分時間設定共同對測量結果產生影響，特別是對瞬態太陽模擬器。由于光譜儀返回一次測量結果所需的時間大致為：

由于Tint×n一般遠大于Tdelay，因此在Tint設置合理的情況下，平均次數n將是影響整體測量時間的關鍵，如n太大導致Tall太長會對最終測量結果引入閃光下降沿測量結果以及閃光過后測得的暗噪聲信號，產生的影響類似于積分時間Tint太長的情況。如n太小或n=1，則只返回一次測量結果，測量重復性差，且與光譜儀校準時設定的n=10的狀態相差太遠。

2.3 兩臺同一型號光譜儀測量結果一致性的考察

這個實驗采用兩臺Avasolar-1光譜儀同時對一臺穩態太陽模擬器進行測量，所有測量參數均設置一致，以考核同一型號的兩臺設備之間的測量差異。兩臺設備均為中國計量科學研究院校準，在校準有效期內。從圖4可以看出，兩臺光譜儀測量得到的光譜曲線基本一致，只是在550nm～600nm波段有差異，為了更直觀評估測量結果，在表5展示出根據兩臺光譜儀測量結果計算的模擬器光譜匹配度評級結果，最大的相對偏差出現在900nm往后波段。由于兩臺光譜儀的型號配置和校準單位均一樣，唯一差別只在于校準時間上相差約6個月，可能導致校準后由于出差運輸的強度不一致而產生測量差異，通常這種差異最可能產生在運輸包裝對光纖本體及兩端接口的影響。目前IEC60904-9對模擬器光譜匹配度A級要求為±25%，0.035的匹配度偏差在大部分情況下不會產生等級評判上的差異，但鑒于將要發布的IEC 60904-9 Ed3.0標準增加了光譜匹配度的A+級別，評判等級要求比A級嚴格一倍，這樣就對校準機構不同設備之間的一致性提出了更嚴苛的要求。

圖4 兩臺同一型號光譜儀同時測量一臺太陽模擬器

表5 兩臺光譜儀測量同一臺太陽模擬器光譜匹配度的差異

3 實驗結果和討論

在光譜儀響應線性度實驗上，可以看到實驗用光譜儀在某些波長響應度上線性不理想，然而這種現象在使用光譜儀對太陽模擬器進行常規測量過程中很難發現，特別是并不會明顯體現在太陽模擬器光譜匹配度的評級測量結果上。但如果線性度不佳的波長集中在某一個波段，則將會對太陽模擬器光譜匹配度評級結果帶來明顯影響。此外，如果采用線性度有問題的光譜儀對氙燈進行測量，根據測得數據進行氙燈濾光片的開發，則容易導致濾光片設計偏差，最終成品性能差強人意。在設備周檢或期間核查時增加光譜儀對同一光源不同輻照度下的光譜輻射照度測量可及時發現設備響應線性度是否有問題。

在光譜儀測量參數設定對測量結果影響的實驗上，可以看到延遲時間、積分時間和平均次數對測量結果有明顯影響。針對穩態太陽模擬器的測量，應在正常測量前多嘗試不同積分時間的設置以保證獲得最優設置，在足夠信噪比的基礎上，保證光譜儀的響應在各個波長上均不飽和。在測量瞬態太陽模擬器時，重要注意事項有：（1）首先要清楚了解其脈沖上升沿、平臺期和下降沿的確切時間參數；（2）設定好光譜儀的延遲時間略微大于上升沿時間，保證測量起始點的正確；（3）按照信噪比足夠且光譜儀不飽和的原則設定光譜儀的積分時間；（4）按照公式（1）的關系，合理設置平均次數。上述事項是一個有機整體，缺一不可，如忽略任一事項，均會對測量結果產生明顯的影響。

在不同光譜儀測量一致性的實驗中，筆者比較了兩臺同一型號、采用同一溯源機構的光譜儀同時對一個光源進行測量結果。實驗結果表明，兩臺設備在大部分波段的測量一致性較好，而在（900～1100）nm波段有超過3%的差異。按現行IEC60904-9標準對太陽模擬器最嚴苛的A級光譜的要求，偏差范圍為±25%，因此3%的設備差異在大部分情況下不會引起模擬器評級上的差別。新版IEC60904標準出臺后，增加的A+級別則將光譜偏差范圍縮小到±12.5%，擁有多臺光譜儀的測量校準機構將要足夠重視設備一致性帶來的挑戰。

4 結論

文中利用國家光伏產業計量測試中心具備各種類型的太陽模擬器、多臺進口光纖光譜儀，以及福建省市場監督管理局科研基金支持研發的“高速光譜儀”進行了基于光譜儀法測量太陽模擬器光譜匹配度的輻照度線性度實驗、不同測量參數對光譜分布測量影響的評估實驗，以及兩臺同一型號光譜儀對同一臺太陽模擬器測量之間的偏差實驗。這些實驗及相應的測量結果分析，以及相關的測量建議，對光伏行業太陽模擬器光譜匹配度測量和評估提供了依據，可避免因人為設置因素和設備自身原因造成重大評估偏差，以致產生進一步的生產損失和設備損耗。