專利名稱:短脈沖太陽電池測試裝置技術方案的制作方法
本發(fā)明涉及一種太陽電池(單體太陽電池及各種不同類型的組合板)電性能測試裝置，能測定太陽電池的伏安特性，并進而求出各種電性能參數(shù)。
現(xiàn)代化的太陽電池測試裝置是由太陽模擬器、電子負載及微機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等幾個部分組成的成套或配套設備。其中太陽模擬器有穩(wěn)態(tài)的和脈沖式的二種。穩(wěn)態(tài)太陽模擬器的輻照度恒定不變，能和比較簡單的微機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相配套。但主要缺點是很難應用于大面積太陽電池組合板的測試，測量每平方米組合板的平均功耗很難低于幾十千瓦，因此設備龐大，價格昂貴。另一缺點是持續(xù)光照導致太陽電池溫度急劇升高。
脈沖式太陽模擬器在一定程度上克服了上述二個缺點，采用瞬時功率幾十千瓦而平均功率僅為其十分之一的頻閃式脈沖燈(長弧脈沖氙燈)作為測試光源，每個光脈沖的持續(xù)時間為毫秒數(shù)量級。每次閃光測量伏安特性上的一個數(shù)據(jù)點。測試過程中負載按予定的序列改變，負載每改變一次閃光一次。存貯器依次將所測定的數(shù)據(jù)記錄下來，匯總后成為一條伏安特性曲線。早期另有一種裝置是在一次毫秒級的長脈沖閃光中采集十幾組數(shù)據(jù)，再聯(lián)成一條曲線。這樣要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常精確，而且用十幾組數(shù)據(jù)聯(lián)成一條伏安特性曲線也尚嫌粗糙。
上述二種脈沖式測試裝置和穩(wěn)態(tài)測試裝置相比的優(yōu)點已經(jīng)比較明顯。首先是功耗大大降低，其次是在測試過程中被測件的溫度受光照的影響很小。但問題還未完全解決。首先是測量每平方米組合板的功耗還需要幾千瓦，裝置仍屬龐大而昂貴。所選用的長弧脈沖氙燈價格較貴，再加一套復雜的光脈沖形成電路、數(shù)據(jù)積累及處理系統(tǒng)等，使價格降不下來。而且長弧脈沖氙燈的光譜特性不夠好，和太陽光譜的偏離尚嫌大，于是降低了測試精度。
早在1970年，已有文獻從理論上指出基本的原理〔M.S.Imamura，P.Brandtzaeg and J.L.Miller，“Solar cell dark I-V characteristics and their applications”，Energy 70 Proceedings(The Fifth Intersociety Energy Conversion Engineering Conference)，Vol.1，P.10/38-45〕，就是根據(jù)太陽電池的暗特性及串聯(lián)電阻上的電壓降，可以予測它的光照下的伏安特性。本方案使上述的原理得到進一步發(fā)展與完善，解決了各種具體的技術問題，成為能直接用來設計太陽電池測試裝置的技術方案。
在以上同一文獻中已導出公式RS＝VD-VL/ISC，式中VL可為太陽電池光照下的開路電壓VOC，這時公式VD相應為暗特性上當暗電流與短路電流ISC相等時的太陽電池上端電壓值，這VD值可在暗特性上找出。從求出的串聯(lián)電阻RS值和暗特性，就能確定該太陽電池光照下的伏安特性。
本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有脈沖式測試裝置的種種缺點，要使龐大的測試裝置成為可攜帶式，不僅能用于室內，還可進行野外現(xiàn)場測試。本發(fā)明要廢棄昂貴的長弧脈沖氙燈及復雜的附屬電路，使測試裝置的成本大幅度降低和便于普及。采用攝影萬次閃光燈或同類短脈沖燈作為測試光源，這一類短脈沖燈的光譜特性很接近于日光，不需要加任何濾光片。
本方案的原理是這樣的太陽電池在光照下的伏安特性和暗特性的差別完全是由內部串聯(lián)電阻RS上的電壓降引起的，只要測定串聯(lián)電阻RS和暗特性，就能得到光照下的伏安特性。而暗特性是可方便地用任何一種傳統(tǒng)方法測出的，所以關鍵在如何測定串聯(lián)電阻RS。
本方案用攝影萬次閃光燈或同類短脈沖燈轉用作為測試光源。因為它們價格低廉，起動線路簡單，體積小巧并且光譜特性很接近于日光。但這類短脈沖燈發(fā)出的光脈沖的尖峰部分持續(xù)時間僅幾十微秒或更短，沒有平頂部分，因此直接用單次光脈沖來測量太陽電池的全部伏安特性是較難實現(xiàn)的。本方案只利用所發(fā)出的光脈沖的峰值來測定太陽電池的短路電流ISC和開路電壓VOC，利用公式RS＝VD-VL/ISC來間接測定串聯(lián)電阻RS，因為這公式也即RS＝VD-VOC/ISC，式中VD可在暗特性上找出。
在本方案中整個測試過程和數(shù)據(jù)都可用單板微機完成。
以下結合附圖對本方案各具體步驟加以描述圖1是測量太陽電池暗特性的框圖。采用一個自動掃描電源〔1〕作為測試電源，經(jīng)一個小阻值的取樣電阻〔3〕與被測太陽電池〔2〕相接。從太陽電池〔2〕上取出電壓Vd和電流Id，分別經(jīng)A/D轉換〔4〕和〔5〕存貯在微機〔6〕內。
圖2是測量太陽電池開路電壓和短路電流的框圖。用短脈沖燈〔7〕發(fā)出的光脈沖的峰值進行測定。當自動掃描變化的電子負載〔8〕迅速由開路掃描到短路(或相反)時，開路電壓VOC和短路電流ISC分別由二個采樣保持器〔9〕和〔10〕取出，又分別經(jīng)A/D轉換〔11〕和〔12〕輸入微機〔6〕。如果電子負載〔8〕掃描速度足夠快，只需短脈沖燈〔7〕一次閃光;如果掃描速度比較慢，可用接連二次閃光分別測定開路電壓VOC和短路電流ISC。
根據(jù)以上兩步驟，就可測定出內部串聯(lián)電阻RS。因為在圖1中已測得太陽電池〔2〕的整條暗特性，在圖2中已測得太陽電池〔2〕的開路電壓VOC和短路電流ISC，并已輸入微機〔6〕，因此可以設置程序，令微機〔6〕自動在暗特性上找出當暗電流值等于短路電流ISC時相應的電壓VD，根據(jù)公式RS＝VD-VOC/ISC進行運算，求出RS，存貯待用。
圖3表示出如何將太陽電池暗特性〔13〕轉換得光照下的伏安特性〔15〕。先將暗特性倒置，并將它向上平移，使它在電流軸上的截距等于ISC，即將暗特性〔13〕上每一點(Vd，Id)替換成(Vd，ISC-Id)，這可設置簡單的計算程序完成，這樣就可得到曲線〔14〕。
對于同一電流值，光照下伏安特性〔15〕上電壓與曲線〔14〕上的電壓差為ISCRS，因此可設置計算程序，將此曲線〔14〕上每一點(Vd，ISC-Id)替換成(Vd-ISCRS，ISC-Id)，即得到光照下伏安特性〔15〕。
不難理解，也可由以下方法同樣轉換得光照下的伏安特性〔15〕設置程序，將暗特性〔13〕上每一點(Vd，Id)替換成(Vd-ISCRS，Id)，得出所求光照下太陽電池伏安特性〔15〕的倒置曲線，緊接著再將此倒置的曲線上每一點(Vd-ISCRS，Id)替換成(Vd-ISCRS，ISC-Id)，也可轉換得光照下的伏安特性〔15〕。
圖4是實測太陽電池〔2〕光照下伏安特性工作點附近電流值的框圖。為了保證測試精度，將太陽電池〔2〕經(jīng)一小值取樣電阻〔3〕與一可調穩(wěn)壓電源〔16〕相并接，可調穩(wěn)壓電源〔16〕調到太陽電池〔2〕工作點附近所需電壓值(例如硅單晶太陽電池通常選為410毫伏)。太陽電池〔2〕受短脈沖燈〔7〕照射后，從取樣電阻〔3〕上即得到該點電流訊號，送入微機〔6〕。微機〔6〕按所設置的程序將該點實測得電流訊號與以上步驟轉換得光照下的伏安特性〔15〕上對應于同一點的電流值相比較，判斷誤差是否在規(guī)定的指標內，如超出，立即發(fā)出重測一次的指令，因此保證了測試精度和增加了測試裝置的可靠性。
本方案的優(yōu)點是采用攝影萬次閃光燈或同類短脈沖燈代替昂貴的長弧脈沖氙燈，不需要復雜的光脈沖形成電路、數(shù)據(jù)積累及處理系統(tǒng)等，簡化了裝置，降低了造價，并且這類短脈沖燈的光譜特性很接近于日光，相對采用長弧脈沖氙燈能提高測試精度。在整個測試過程中，只需單次或二到三次閃光短脈沖，每脈沖持續(xù)時間僅幾十微秒，所以整個測試裝置功耗可降到100瓦以下，并且被測太陽電池的溫度也完全不受影響。相對現(xiàn)有脈沖式太陽電池測試裝置，成本可降為其十分之一以下，并且相對體積可小，重量也輕，可攜帶至野外作現(xiàn)場測試，可測太陽電池組件面積從目前最大的幾個平方米增加到幾十平方米或更大。
實施本方案時，短脈沖燈〔7〕采用攝影用萬次閃光燈最方便，價最廉。微機〔6〕可選Z80等單板微機，再配以A/D和D/A轉換器件及微打機等。電子負載〔8〕宜采用微機控制的自動掃描電子負載，并以采用線性電流掃描為好。測量暗特性的自動掃描電源〔1〕可與這自動掃描電子負載〔8〕合一電子線路完成。
權利要求
1.一種太陽電池測試裝置技術方案，先測定太陽電池[2]的暗特性[13]和串聯(lián)電阻RS值，據(jù)此確定在光照下太陽電池[2]的伏安特性[15]，進而求出各種電性能參數(shù)，本發(fā)明的特征是采用攝影萬次閃光燈或同類短脈沖燈[7]作為測試光源，只利用發(fā)出的光脈沖的峰值來測定太陽電池[2]的開路電壓VOC和短路電流ISC來間接測定串聯(lián)電阻RS值，整個測試過程和數(shù)據(jù)處理可用單板微機[6]完成。
2.按權利要求
1所述的太陽電池測試裝置技術方案，其特征在于用一個自動掃描電源〔1〕作為測量暗特性〔13〕的電源，測得太陽電池〔2〕不受光照時伏安特性即暗特性〔13〕，并將各數(shù)據(jù)存貯在微機〔6〕內。
3.按權利要求
1或2所述的太陽電池測試裝置技術方案，其特征在于采用攝影萬次閃光燈或同類短脈沖燈〔7〕發(fā)出的光脈沖的峰值來測定太陽電池〔2〕的開路電壓VOC和短路電流ISC，當自動掃描變化的電子負載〔8〕迅速由開路掃描到短路或相反時，開路電壓VOC和短路電流ISC分別由二個采樣保持器〔9〕和〔10〕取出，又分別經(jīng)A/D轉換器〔11〕和〔12〕輸入微機〔6〕，令微機〔6〕找出太陽電池〔2〕的暗特性〔13〕上電流值等于短路電流ISC時的端電壓值VD，根據(jù)公式RS＝VD-VOC/ISC進行運算，求出串聯(lián)電阻RS值，并存貯待用。
4.按權利要求
3所述的太陽電池測試裝置技術方案，其特征是設置微機〔6〕計算程序，將暗特性〔13〕上每一點(Vd，Id)值替換成(Vd，ISC-Id)值，得出暗特性〔13〕的倒置曲線〔14〕，緊接著再將此倒置的暗特性〔14〕上每一點(Vd，ISC-Id)值替換成(Vd-ISCRS，ISC-Id)值，即轉換得所求光照下太陽電池〔2〕的伏安特性〔15〕，也可設置程序將暗特性〔13〕上每一點(Vd，Id)值替換成(Vd-ISCRS，Id)值，得出所求光照下太陽電池〔2〕的伏安特性〔15〕的倒置曲線，緊接著再將此倒置曲線上每一點(Vd-ISCRS，Id)值替換成(Vd-ISCRS，ISC-Id)值，也可轉換得所求光照下的伏安特性〔15〕。
5.按權利要求
4所述的太陽電池測試裝置技術方案，其特征是為了保證測試精度，將太陽電池〔2〕經(jīng)一小阻值取樣電阻〔3〕與一可調穩(wěn)壓電源〔16〕相并接，可調穩(wěn)壓電源〔16〕調到太陽電池〔2〕工作點附近所需電壓值，太陽電池〔2〕受短脈沖燈〔7〕照射后，從取樣電阻〔3〕上即得到該點電流訊號，送入微機〔6〕，微機〔6〕按所設順序將該點實測得電流訊號與轉換得光照下太陽電池〔2〕的伏安特性〔15〕上對應于同一點的電流值相比較，如超出，則立即發(fā)出重測一次的指令。
專利摘要
目前以長弧脈沖氙燈作為測試光源的太陽電池 測試裝置，結構復雜，體積龐大和價格昂貴。本方案 將攝影用萬次閃光燈或同類短脈沖燈(光脈沖持續(xù)時 間毫秒以下)轉用作為測試光源，先測定太陽電池的 暗特性及串聯(lián)電阻值，據(jù)此確定在光照下太陽電池的 伏安特性，進而求出各種電性能參數(shù)。本方案結構簡 單，電力消耗低，體積小，便于攜帶，成本低，測試面積 可大于若干平方米，室內或野外現(xiàn)場都可使用。
文檔編號G01R31/36GK86101321SQ86101321
公開日1987年10月21日 申請日期1986年3月1日
發(fā)明者黃嘉豫, 張克農(nóng) 申請人:西安交通大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan