CN1010257B - 短脉冲太阳电池测试方法 - Google Patents
短脉冲太阳电池测试方法Info
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Abstract
一种太阳电池测试方法。能测定太阳电池的伏安特性。本发明将摄影用万次闪光灯或同类短脉冲灯(光脉冲持续时间毫秒以下)转用作为测试光源，先测定太阳电池的暗特性及串联电阻值，据此确定在光照下太阳电池的伏安特性，进而求出各种电性能参数。本方法结构简单，电力消耗低，体积小，便于携带，成本低，测试面积可大于若干平方米，室内或野外现场都可使用。
Description
本发明涉及一种太阳电池（单体太阳电池及各种不同类型的组合板）电性能测试方法，能测定太阳电池的伏安特性，并进而求出各种电性能参数。
现代化的太阳电池测试装置是由太阳模拟器、电子负载及微机数据处理系统等几个部分组成的成套或配套设备。其中太阳模拟器有稳态的和脉冲式的二种。稳态太阳模拟器的辐照度恒定不变，能和比较简单的微机数据处理系统相配套。但主要缺点是很难应用于大面积太阳电池组合板的测试，测量每平方米组合板的平均功耗很难低于几十千瓦，因此设备庞大，价格昂贵。另一缺点是持续光照导致太阳电池温度急剧升高。
脉冲式太阳模拟器在一定程度上克服了上述二个缺点，采用瞬时功率几十千瓦而平均功率仅为其十分之一的频闪式脉冲灯（长弧脉冲氙灯）作为测试光源，每个光脉冲的持续时间为毫秒数量级。每次闪光测量伏安特性上的一个数据点。测试过程中负载按予定的序列改变，负载每改变一次闪光一次。存贮器依次将所测定的数据记录下来，汇总后成为一条伏安特性曲线。早期另有一种装置是在一次毫秒级的长脉冲闪光中采集十几组数据，再联成一条曲线。这样要求数据采集系统非常精确，而且用十几组数据联成一条伏安特性曲线也尚嫌粗糙。
上述二种脉冲式测试装置和稳态测试装置相比的优点已经比较明显。首先是功耗大大降低，其次是在测试过程中被测件的温度受光照的影响很小。但问题还未完全解决。首先是测量每平方米组合板的功耗还需要几千瓦，装置仍属庞大而昂贵。所选用的长弧脉冲氙灯价格
较贵，再加一套复杂的光脉冲形成电路、数据积累及处理系统等，使价格降不下来。而且长弧脉冲氙灯的光谱特性不够好，和太阳光谱的偏离尚嫌大，于是降低了测试精度。
早在1970年，已有文献从理论上指出基本的原理〔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〕，就是根据太阳电池的暗特性及串联电阻上的电压降，可以予测它的光照下的伏安特性。本方法使上述的原理得到进一步发展与完善，解决了各种具体的技术问题，成为能直接用来设计太阳电池测试装置的实用方法。
在以上同一文献中已导出公式：RS＝（VD-VL）/ISC，式中VL可为太阳电池光照下的开路电压VOC，这时公式VD相应为暗特性上当暗电流与短路电流ISC相等时的太阳电池上端电压值，这VD值可在暗特性上找出。从求出的串联电阻RS值和暗特性，就能确定该太阳电池光照下的伏安特性。
本发明的目的是要解决现有脉冲式测试装置的种种缺点，要使庞大的测试装置成为可携带式，不仅能用于室内，还可进行野外现场测试。本发明要废弃昂贵的长弧脉冲氙灯及复杂的附属电路，使测试装置的成本大幅度降低和便于普及。采用摄影万次闪光灯或同类短脉冲灯作为测试光源，这一类短脉冲灯的光谱特性很接近于日光，不需要加任何滤光片。
本方法的原理是这样的：太阳电池在光照下的伏安特性和暗特性的差别完全是由内部串联电阻RS上的电压降引起的，只要测定串联电阻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种传统方法测出的，所以关键在如何测定串联电阻RS。
本方法用摄影万次闪光灯或同类短脉冲灯转用作为测试光源。因为它们价格低廉，起动线路简单，体积小巧并且光谱特性很接近于日光。但这类短脉冲灯发出的光脉冲的尖峰部分持续时间仅几十微秒或更短，没有平顶部分，因此直接用单次光脉冲来测量太阳电池的全部伏安特性是较难实现的。本方案只利用所发出的光脉冲的峰值来测定太阳电池的短路电流ISC和开路电压VOC，利用公式：RS＝（VD-VL）/ISC来间接测定串联电阻RS，因为这公式也即：RS＝（VD-VOC）/ISC，式中VD可在暗特性上找出。
在本方法中整个测试过程和数据都可用单板微机完成。
以下结合附图对本方案各具体步骤加以描述：
图1是测量太阳电池暗特性的框图。采用一个自动扫描电源〔1〕作为测试电源，经一个小阻值的取样电阻〔3〕与被测太阳电池〔2〕相接。从太阳电池〔2〕上取出电压Vd和电流Id，分别经A/D转换〔4〕和〔5〕存贮在微机〔6〕内。
图2是测量太阳电池开路电压和短路电流的框图。用短脉冲灯〔7〕发出的光脉冲的峰值进行测定。当自动扫描变化的电子负载〔8〕迅速由开路扫描到短路（或相反）时，开路电压VOC和短路电流ISC分别由二个采样保持器〔9〕和〔10〕取出，又分别经A/D转换〔11〕和〔12〕输入微机〔6〕。如果电子负载〔8〕扫描速度足够快，只需短脉冲灯〔7〕一次闪光;如果扫描速度比较
慢，可用接连二次闪光分别测定开路电压VOC和短路电流ISC。
根据以上两步骤，就可测定出内部串联电阻RS。因为在图1中已测得太阳电池〔2〕的整条暗特性，在图2中已测得太阳电池〔2〕的开路电压VOC和短路电流ISC，并已输入微机〔6〕，因此可以设置程序，令微机〔6〕自动在暗特性上找出当暗电流值等于短路电流ISC时相应的电压VD，根据公式：RS＝（VD-VOC）/ISC进行运算，求出RS，存贮待用。
图3表示出如何将太阳电池暗特性〔13〕转换得光照下的伏安特性〔15〕。先将暗特性倒置，并将它向上平移，使它在电流轴上的截距等于ISC，即将暗特性〔13〕上每一点（Vd，Id）替换成（Vd，ISC-Id），这可设置简单的计算程序完成，这样就可得到曲线〔14〕。
对于同一电流值，光照下伏安特性〔15〕上电压与曲线〔14〕上的电压差为ISCRS，因此可设置计算程序，将此曲线〔14〕上每一点（Vd，ISC-Id）替换成（Vd-ISCRS，ISC-Id），即得到光照下伏安特性〔15〕。
不难理解，也可由以下方法同样转换得光照下的伏安特性〔15〕：设置程序，将暗特性〔13〕上每一点（Vd，Id）替换成（Vd-ISCRS，Id），得出所求光照下太阳电池伏安特性〔15〕的倒置曲线，紧接着再将此倒置的曲线上每一点（Vd-ISCRS，Id）替换成（Vd-ISCRS，ISC-Id），也可转换得光照下的伏安特性〔15〕。
图4是实测太阳电池〔2〕光照下伏安特性工作点附近电流值的框图。为了保证测试精度，将太阳电池〔2〕经一小值取样电阻〔3〕与一可调稳压电源〔16〕相并接，可调稳压电源〔16〕调到太阳电池〔2〕工作点附近所需电压值（例如硅单晶太阳电池通常选为410毫
伏）。太阳电池〔2〕受短脉冲灯〔7〕照射后，从取样电阻〔3〕上即得到该点电流讯号，送入微机〔6〕。微机〔6〕按所设置的程序将该点实测得电流讯号与以上步骤转换得光照下的伏安特性〔15〕上对应于同一点的电流值相比较，判断误差是否在规定的指标内，如超出，立即发出重测一次的指令，因此保证了测试精度和增加了测试装置的可靠性。
本方法的优点是：采用摄影万次闪光灯或同类短脉冲灯代替昂贵的长弧脉冲氙灯，不需要复杂的光脉冲形成电路、数据积累及处理系统等，简化了装置，降低了造价，并且这类短脉冲灯的光谱特性很接近于日光，相对采用长弧脉冲氙灯能提高测试精度。在整个测试过程中，只需单次或二到三次闪光短脉冲，每脉冲持续时间仅几十微秒，所以整个测试装置功耗可降到100瓦以下，并且被测太阳电池的温度也完全不受影响。相对现有脉冲式太阳电池测试装置，成本可降为其十分之一以下，并且相对体积可小，重量也轻，可携带至野外作现场测试，可测太阳电池组件面积从目前最大的几个平方米增加到几十平方米或更大。
实施本方法时，短脉冲灯〔7〕采用摄影用万次闪光灯最方便，价最廉。微机〔6〕可选Z80等单板微机，再配以A/D和D/A转换器件及微打机等。电子负载〔8〕宜采用微机控制的自动扫描电子负载，并以采用线性电流扫描为好。测量暗特性的自动扫描电源〔1〕可与这自动扫描电子负载〔8〕合一电子线路完成。
Claims (4)
1、一种太阳电池测试方法，先测定太阳电池[2]的暗特性[13]和串联电阻Rs值，据此确定在光照下太阳电池[2]的伏安特性[15]，进而求出各种电性能参数，本发明的特征是：
(1)整个测试过程和数据处理用微机[6]完成；
(2)采用摄影万次闪光灯或同类短脉冲灯[7]作为测试光源，只利用发出的光脉冲的峰值来测定太阳电池[2]的开路电压Voc和短路电流Isc来间接测定串联电阻Rs值；
(3)设置微机[6]计算程序，将暗特性[13]上每一点(Vd，Id)值替换成(Vd，Isc-Id)值，得出暗特性[13]的倒置曲线[14]，紧接着再将此倒置的暗特性[14]上每一点[Vd，Isc-Id]值替换成(Vd-IscRs，Isc-Id)值，即转换得所求光照下太阳电池[2]的伏安特性[15]；也可设置程序将暗特性[13]上每一点(Vd，Id)值替换成(Vd-IscRs，Id)值，得出所求光照下太阳电池[2]的伏安特性[15]的倒置曲线，紧接着再将此倒置曲线上每一点(Vd-IscRs，Id)值替换成(Vd-IscRs，Isc-Id)值，也可转换得所求光照下的伏安特性[15]。
2、按权利要求1所述的太阳电池测试方法，其特征是用一个自动扫描电源〔1〕作为测量暗特性〔13〕的电源，测得太阳电池〔2〕的暗特性〔13〕，并将各数据存贮在微机〔6〕内。
3、按权利要求1或2所述的太阳电池测试方法，其特征是摄影万次闪光灯或同类短脉冲灯〔7〕发出光脉冲，当自动扫描变化的电子负载〔8〕迅速由开路扫描到短路或相反时，开路电压VOC和短路电流ISC分别由二个采样保持器〔9〕和〔10〕取出，又分别经A/D转换器〔11〕和〔12〕输入微机〔6〕，令微机〔6〕找出太阳电池〔2〕的暗特性〔13〕上电流值等于短路电流ISC时的端电压值VD，根据公式RS＝（VD-VOC）/ISC进行运算，求出串联电阻RS值，并存贮待用。
4、按权利要求3所述的太阳电池测试方法，其特征是将太阳电池〔2〕经一小阻值取样电阻〔3〕与一可调稳压电源〔16〕相并接，可调稳压电源〔16〕调到太阳电池〔2〕工作点附近所需电压值，太阳电池〔2〕受光脉冲照射后，从取样电阻〔3〕上即得到该点电流讯号，送入微机〔6〕，微机〔6〕按所设顺序将该点实测得电流讯号与转换得光照下太阳电池〔2〕的伏安特性〔15〕上对应于同一点的电流值相比较，如超出，则立即发出重测一次的指令。
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