CN106571776B - 太阳能电池特性的测量装置及使用其的测量方法 - Google Patents

太阳能电池特性的测量装置及使用其的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池特性的测量装置及使用其的测量方法。测量装置包括数种光源及反馈控制模块。各光源的色光相异，且各光源包括数个对称配置的发光元件。反馈控制模块用以控制此些发光元件所发射光线的照度，以计算太阳能电池的特性。

Description

太阳能电池特性的测量装置及使用其的测量方法
技术领域
本发明是有关于一种太阳能电池特性的测量装置及使用其的测量方法，且特别是有关于一种太阳能电池特性的测量装置及使用其的测量方法。
背景技术
太阳能电池可将光能转换成电能。在使用太阳能电池前须先了解太阳能电池的特性，以提供适当的电气信号给太阳能电池而获得对应的照度及/或发光色温。因此，如何精确地获得太阳能电池的特性曲线是本技术领域业者努力的方向之一。
发明内容
因此，本发明提出一种测量装置及应用其的测量方法，可获得精确的太阳能电池特性曲线。
根据本发明的一实施例，提出一种测量装置。测量装置用以测量一太阳能电池的特性。测量装置包括数种光源、一反馈控制模块及一测量单元。各光源的色光相异，且各光源包括数个对称配置的发光元件。反馈控制模块用以控制此些发光元件所发射光线的一照度。反馈控制模块用以判断照度的稳定性是否小于一第一预设比例且判断照度的稳定性是否小于一第一预设比例。若照度的稳定性小于第一预设比例，测量单元在该照度下测量太阳能电池的特性。
根据本发明的另一实施例，提出一种测量方法。测量方法用以测量一太阳能电池的特性。测量方法包括以下步骤。提供一测量装置，其中测量装置包括数种光源、一反馈控制模块及一测量单元。反馈控制模块以反馈控制的方式，控制光线的一照度；判断照度的稳定性是否小于一第一预设比例；以及，若照度的稳定性小于第一预设比例，在该照度下测量太阳能电池的特性。
根据本发明的另一实施例，提出一种用于太阳能电池特性测量的光源装置。光源装置包括多种光源及反馈控制模块。各种光源的色光相异，且各种光源包括多个对称配置的发光组件。反馈控制模块用以控制发光组件所发射的一光线的一照度及判断照度的不稳定性是否小于一第一预设比例。
附图说明
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
图1绘示依照本发明一实施例的测量方法的流程图。
图2绘示依照本发明一实施例的测量装置的示意图。
图3绘示图2的灯座与光源的底视图。
图4A绘示使用图2的测量装置界定一区域的示意图。
图4B绘示图4A的测量装置的俯视图(未绘示灯座及光源)。
图5A绘示使用图2的测量装置控制光源的照度的示意图。
图5B绘示图5A的测量装置的俯视图(未绘示灯座及光源)。
图6绘示图2的反馈控制器的功能方块图。
图7绘示图5A的光源所发出光线的照度变化图。
图8绘示图5A的太阳能电池的电压与电流关系的特性曲线图。
图9绘示图5A的太阳能电池的照度与短路电流关系的特性曲线图。
图10绘示图5A的太阳能电池的温度与填充因数关系的特性曲线图。
其中，附图标记：
10：太阳能电池
100：测量装置
110：容置部
120：灯座
120b：下表面
130、140：光源
131：第一光源
1311：发光元件
132：第二光源
133：第三光源
134：第四光源
135：第五光源
136：第六光源
150：载板
150u：上表面
160：反馈控制模块
161：光感测器
162：反馈控制器
163：照度均匀性计算器
170：测量单元
a、b、c、d、e、f：点
C1、C2、C3、C4：曲线
C5、C6：线性方程式
e(t)：误差信号
FF：填充因数
Isc：短路电流
L1：光线
M0：初始照度
Ma：照度平均值
Mav：照度不均匀性
Mmax：最大照度值
Mmin：最小照度值
Mt：照度不稳定性
r(t)：初始值
R1：区域
S1：封闭空间
S110至S150：步骤
Sd：照度标准差
t0、t1、t2：时间点
Δt：时间区间
u(t)：输入信号
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1绘示依照本发明一实施例的测量方法的流程图。
在步骤S110中，提供测量装置100。
请参照图2及3，图2绘示依照本发明一实施例的测量装置100的示意图，图3绘示图2的灯座120与光源130的底视图。测量装置100包括容置部110、灯座120、数种光源130、光源140、载板150、反馈控制模块160及测量单元170。
测量装置100用以测量太阳能电池10的特性。太阳能电池10设于载板150的上表面150u。太阳能电池10电连接于测量单元170。测量单元170例如是电源测量单元(SourceMeasurement Unit,SMU)。测量单元170可依据太阳能电池10的电气信号计算太阳能电池10的各种特性，如电压与电流特性曲线、照度与短路电流特性曲线、温度与填充因数(FillFactor，FF)特性曲线或其它特性。
容置部110设于灯座120与载板150之间。容置部110、灯座120与载板150形成一封闭空间S1，其中光源130可设于封闭空间S1内，可减少或甚至避免光源130所发出光线的漏光量。一实施例中，容置部110可呈封闭环状，其剖面可以是圆形、多边形或其它外形。
灯座120可受控于反馈控制模块160，使设于灯座120上的光源130可受到反馈控制模块160的控制。
光源130设于灯座120的下表面120b。各光源130可以是符合室内或户外照明的标准光源，如符合国际照明委员会所制定的ISO/CIE 8995-1、北美照明协会IESNA、英国BS EN12464-1、德国prEN 12464-1、日本JIS Z0125-2007、新加坡SS531-2006、澳洲AS/NZS 1680-2006、美国ASHARE90.1-2007等的光源。具体来说，各光源130可以是发出色温6500K的D65光源(可模拟蓝天日光)、色温7500K的D75光源(可模拟北方平均太阳光)、色温5000K的D50光源(可模拟自然太阳光)、色温4000K的TL84光源(可模拟欧洲商店灯光)、色温4100K的D65光源(可模拟蓝天日光)、色温6500K的CWF光源(可模拟美国商店灯光)、色温3000K的U30光源(可模拟另一种美国商店灯光)、色温3500K的U35光源(可模拟指定的商店灯光)、色温2700K的F光源(可模拟家庭酒店暖色灯光)或色温2856K的白热(Incandescent)光源(可模拟展示厅投射灯)。
各光源130可以发出不同色温的可见光，例如是可发出介于2700K至7500K之间的一色温的可见光，然亦可为其它色光范围。此外，另一光源140设于灯座120的中心位置上，其可发出不可见光，例如是紫外光源。
光源130可以是点光源或线光源。数个光源130的至少一者可以是点光源，而其它者可以是线光源。例如，光源130可包含第一光源131、第二光源132、第三光源133、第四光源134、第五光源135及第六光源136，其中第一光源131、第二光源132、第四光源134与第五光源135可以是线光源，而第三光源133及第六光源136可为点光源。
此外，各光源130包括数个对称配置的发光元件。以第一光源131举例来说，其包括数个对称配置的发光元件1311，此些发光元件1311相对灯座120的中心位置呈对称配置。由于各光源130的数个发光元件对称设置，因此可增加整体照光均匀性。
反馈控制模块160包括光感测器161、反馈控制器162及照度均匀性计算器163，其中光感测器161可设于封闭空间S1内且可检测光源130的发光元件所发射的光线L1的照度，反馈控制器162可控制数个光源130的至少一者发出光线，而照度均匀性计算器163可依据光感测器161的照度检测信号界定符合特定照度均匀性的一区域。反馈控制器162可控制照度稳定性。此外，反馈控制器162及/或照度均匀性计算器163可以是半导体电路、软件及/或固件，二者可以整合或个别配置。此外，反馈控制器162与照度均匀性计算器163可设于桌上型电脑、伺服器、笔记型电脑或其它类型的电子装置。
在步骤S120中，照度均匀性计算器163可界定光源130的发光元件所发射的光线L1的照度不均匀性小于第二预设比例的区域R1，其中第二预设比例例如是1％或其它合适比例值。
举例来说，请参照图4A及4B，图4A绘示使用图2的测量装置100界定区域R1的示意图，图4B绘示图4A的测量装置100的俯视图(未绘示灯座120及光源130)。数个光感测器161可以阵列形式排列在载板150的上表面150u，此些光感测器161可电连接照度均匀性计算器163。然后，各光感测器161将检测到的光线L1的照度检测信号传送给照度均匀性计算器163。照度均匀性计算器163依据此些光感测器161的照度检测信号去计算照度不均匀性Mav小于第二预设比例的区域R1的范围。
本实施例的照度不均匀性Mav的计算公式如下式(1)。式(1)中，Mmax表示区域R1内的最大照度值，Mmin表示区域R1内的最小照度值。
在步骤S130中，可以反馈控制的方式，控制光源130所发射光线L1的照度，使照度稳定性小于一第一预设比例，以增加测量装置100所量得的太阳能电池特性的精确度。此处的“精确度”指本发明实施例的测量装置100所量得的太阳能电池特性曲线能精确地反应太阳能电池10本身固有特性。以下进一步说明。
请参照图5A及5B，图5A绘示使用图2的测量装置100控制光源130的照度的示意图，图5B绘示图5A的测量装置100的俯视图(未绘示灯座120及光源130)。本步骤中，可将太阳能电池10及光感测器161设于区域R1内。由于区域R1的照度不均匀性Mav小于第二预设比例，因此可增加测量单元170测量太阳能电池10的特性的精确度。
图6绘示图2的反馈控制器162的功能方块图。反馈控制器162以反馈控制的方式，控制此些发光元件所发射光线L1的照度不稳定性小于一第一预设比例，以增加测量单元170测量太阳能电池10的特性的精确度，其中第一预设比例例如是1％或其它合适比例值。
本实施例中，反馈控制器162例如是比例-积分-微分(proportional-integral-differential,PID)控制器，其由比例单元、积分单元和微分单元组成，其分别通过Kp、Ki及Kd三个参数设定。本实施例中，反馈控制器162是5参数的PID控制器。例如，反馈控制器162的参数除了上述Kp、Ki及Kd三个参数外，更包含Td及Ti参数，其中参数Td等于Kd/Kp(Kd与Kp的商或比值)，而参数Ti等于Kp/Ki(Kd与Ki的商或比值)。图6的反馈控制器162可以输出信号u(t)，以控制光源130的发光照度，其中输出信号u(t)、误差信号e(t)与5参数的关系如下式(2)。
由于5参数的设计，可减小光线L1的照度不稳定性，如此可弥补光感测器161的感测误差。进一步地说，一般而言，光感测器161都有一定的感测误差。感测误差愈小的，电路设计愈复杂且成本愈高；反之则电路设计较简单且成本较低。由于本发明实施例的测量装置100通过反馈控制将照度不稳定性控制在一预设比例下，因此即使采用感测误差量大的光感测器161，仍可使所量得的太阳能电池10的特性的精确度维持在一容许误差范围内。
图7绘示图5A的光源130所发出光线的照度变化图。曲线C1表示光线L1的照度随时间的变化趋势。在时间点t0时，输入反馈控制器162的初始值为r(t)，使光源130发出初始照度为M0的光线L1。由于反馈控制器162持续接收光感测器161的照度检测信号，因此可以反馈控制方式，依据最新的照度检测信号，控制光线L1的照度往更稳定方向发展。例如，通过反馈控制方式，光线L1的照度从时间点t0至时间点t1的期间逐渐稳定。一实施例中，时间点t0至时间点t1的期间约20分钟至30分钟。在反馈控制下，时间点t1之后的照度不稳定性Mt小于第一预设比例，如此可增加测量单元170测量太阳能电池10的特性的精确度。
本实施例的照度不稳定性Mt的计算公式如下式(3)。式(3)中，Sd表示区域R1内一时间区间的照度标准差(Standard Deviation)，而Ma表示区域R1内该时间区间的照度平均值。例如，时间点t2的照度不稳定性Mt为时间区间Δt内的照度标准差Sd与照度平均值Ma的商值，其中时间区间Δt例如是从时间点t2往前追溯的一段时间，其可以是十分钟或任意时间区间。
此外，由于本发明实施例的测量装置100采用反馈控制方式自动调整光源130所发出光线L1的照度，因此不需手动调整光源照度，且不需通过调整太阳能电池10与光源130的间距的方式来调整照度。
在步骤S140中，反馈控制器162判断照度不稳定性Mt是否小于第一预设比例，若是，进入步骤S150；若否，回到步骤S130，直到照度不稳定性Mt控制在小于第一预设比例。
在步骤S150中，测量单元170在照度不稳定性Mt小于第一预设比例下，测量太阳能电池10的特性，如电压与电流关系曲线、照度与短路电流关系曲线及/或温度与填充系数关系曲线。
图8绘示图5A的太阳能电池10的电压与电流关系的特性曲线图。曲线C2是使用图5A的测量设备100所测量出太阳能电池10的电压与电流的特性曲线。由于本发明实施例的测量设备100的设计，使光线L1的照度不稳定性小于第一预设比例及/或照度不均匀性小于第二预设比例，因此在不同时间(或不同测量批次)所测量的数条曲线趋势大致上一致或重叠，如曲线C2。相较之下，若光线L1的照度不稳定性大于第一预设比例及/或照度不均匀性变化大于第一预设比例，则不同时间所测量的数条曲线都会不一致，如一个时间点量得曲线C3，而另一时间点却量得不同的曲线C4。
图9绘示图5A的太阳能电池10的照度与短路电流Isc关系的特性曲线图。图9的点a、b及c是使用图5A的测量设备100所测量出太阳能电池10的特性点。点a、b及c表示太阳能电池10在同一温度下，太阳能电池10的短路电流Isc随照度变化的趋势。在不同照度下，各点的短路电流Isc不同。例如，以点a来说，在照度为50勒克斯(lux)的光线L1的照射下，太阳能电池10的短路电流约为0.08毫安培(mA)；以点b来说，在照度为200lux的光线L1的照射下，太阳能电池10的短路电流约为0.21mA；以点c来说，在照度为1000lux的光线L1的照射下，太阳能电池10的短路电流约为0.83mA。通过多项式拟合曲线的数学方法，可获得点a、b及c的线性方程式C5，此线性方程式C5可视为太阳能电池10的照度与短路电流特性曲线。
在另一实施例中，图5A的载板150可以是温控板，例如，载板150具有加热器及冷却器，其可通过加热及/或冷却方式，控制太阳能电池10的温度。由于载板150可控制太阳能电池10的温度维持在一温度值或变化至另一温度值。
通过载板150的温控，可获得太阳能电池10的温度与填充因数的特性曲线，以下以图10进一步说明。
图10绘示图5A的太阳能电池10的温度与填充因数关系的特性曲线图。图10的点d、e及f是使用图5A的测量设备100所测量出太阳能电池10的特性点。点d、e及f表示同一种光源130且同一照度下，太阳能电池10的填充因数FF随温度变化的趋势。在不同温度下，各点的填充因数FF不同。例如，以点d来说，在太阳能电池10的温度为摄氏15度时，太阳能电池10的填充因数约为44.5％；以点e来说，在太阳能电池10的温度为摄氏26度下，太阳能电池10的填充因数约为45.7％；以点f来说，在太阳能电池10的温度为摄氏35度下，太阳能电池10的填充因数约为46.2％。通过多项式拟合曲线的数学方法，可获得点d、e及f的线性方程式C6，此线性方程式C6可视为太阳能电池10的温度与填充因数特性曲线。
在步骤S150的执行过程中，反馈控制器162仍采用反馈控制方法，持续地将照度不稳定性Mt控制在第一预设比例内，以维持所测量的太阳能电池10的特性的精确度。
综合上述，由于本发明实施例的测量装置采用反馈控制方法自动控制光源所发出光线的照度，因此不需手动调整光源照度，也不需藉由改变光源与太阳能电池的间距的方式来调整照度，且可提升所获得的太阳能电池特性的精确度。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (16)

1.一种测量装置，用以测量一太阳能电池的特性，其特征在于，该测量装置包括：
多种光源，各该种光源的色光相异，且各该种光源包括多个对称配置的发光元件；
反馈控制模块，用以控制该些发光元件所发射的一光线的一照度及判断该照度的不稳定性是否小于一第一预设比例；以及
测量单元，若该照度的不稳定性小于该第一预设比例，该测量单元在该照度下测量该太阳能电池的特性；
该照度的不稳定性依据下式计算：
其中，Mt表示不稳定性，Sd表示一区域内一时间区间的照度标准差，而Ma表示该区域内该时间区间的照度平均值。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，该第一预设比例为1％。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，该反馈控制模块包括：
反馈控制器；以及
光感测器，用以检测该光线的该照度。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，该反馈控制器为一比例-积分-微分(PID)控制器。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，该PID控制器的参数数量为5个。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，该太阳能电池位于该些光源的下方的该区域，该照度于该区域内的一不均匀性小于一第二预设比例。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，该第二预设比例为1％。
8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，更包括：
灯座，该些光源设于该灯座上；
载板，用以承载该太阳能电池；以及
容置部，位于该灯座与该载板的间且用以容置该些光源及该太阳能电池。
9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，该载板为温度控制板。
10.一种测量方法，用以测量一太阳能电池的特性，其特征在于，该测量方法包括：
提供一如权利要求1所述的测量装置；
该反馈控制模块以反馈控制的方式，控制该些发光元件所发射的一光线的一照度；
该反馈控制模块判断该照度的不稳定性是否小于一第一预设比例；以及
若该照度的不稳定性小于该第一预设比例，该测量单元在该照度下测量该太阳能电池的特性。
11.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，该第一预设比例为1％。
12.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，更包括：
界定该照度的不均匀性小于一第二预设比例的该区域；
其中，于测量该太阳能电池的特性的步骤中，该太阳能电池位于该区域内。
13.根据权利要求12所述的测量方法，其特征在于，该第二预设比例为1％。
14.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，该反馈控制模块包括：
反馈控制器；以及
光感测器，用以检测该光线的该照度。
15.根据权利要求14所述的测量方法，其特征在于，该反馈控制器为一PID控制器。
16.根据权利要求15所述的测量方法，其特征在于，该PID控制器的参数数量为5个。
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