CN110380686A - 一种太阳能电池组件低频电压/电流涨落参数测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池组件低频电压/电流涨落参数测试方法，通过将被测光伏组件置于暗室中，施加偏置电压，记录偏置电流I和偏置电压V，并在被测光伏组件两端电压接入交流低噪声信号放大器，采集低频电压涨落信号，并进行计算得到被测光伏组件模块低频电压/电流涨落功率谱密度数据；分别计算得到点频噪声电压值fn、带宽噪声电压有效值vn、1/f噪声幅值B、1/f噪声转折频率fc、噪声谱值比μ等参数，记录入偏置电流下组件的低频电压/电流涨落特征参数表。本发明提出的低频电压或电流信号涨落信号中涵盖的相关信息可以作为太阳能电池寿命及可靠性表征和评估的灵敏无损手段之一。
Description
技术领域
本发明属于电子器件可靠性研究技术领域，具体涉及一种太阳能电池组件低频电压/电流涨落参数测试方法。
背景技术
太阳能是一种洁净的、可再生的新型能源，它作为替代能源，是解决能源危机和保护环境的最佳途径之一。由于太阳能电池产业的迅猛发展，一方面，如何提高太阳能电池的光电转换效率以及降低制作成本是发展太阳能电池工业的研究重点；另一方面为了保证系统的能源动力，太阳能电池的质量与可靠性也成为了关注的焦点。然而产品在设计、生产过程中，由于原材料、工艺条件、设备状况，以及操作人员不可能始终处于理想状态，很可能造成产品的潜在缺陷。这种潜在缺陷的存在，通常的可靠性分析手段难以检查出来，但是这种器件的可靠性已经开始劣化，其寿命已经比正常器件明显缩短。如果继续使用，就会在很短的时间内出现失效。因此很有必要寻找一种筛选方法剔除那些具有潜在缺陷、寿命短的早期失效产品，提高批产品的使用可靠性。
通过对器件内部低频涨落信号的产生机理及器件缺陷的研究，结果表明，电子器件内部的低频电流或电压涨落信号是由器件的缺陷和不完整性引起，器件质量和可靠性降低的问题也和器件缺陷密切相关。对于大多数电子器件，产生低频涨落信号的缺陷与导致器件失效的缺陷是同种缺陷，而且这些缺陷的存在及数量变化造成的低频涨落信号的变化要比常规电参数的变化大得多。因此，低频涨落信号可以作为电子器件可靠性灵敏无损的表征手段之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能电池组件的低频电压/电流涨落参数测试方法，以灵敏有效地衡量器件的可靠性，用以解决传统的太阳能电池测试方法测试模式单一，测试结果不理想的问题。
为达到上述技术目的，本发明具体通过以下技术方案实现：
一种太阳能电池组件低频电压/电流涨落参数测试方法，包括以下步骤：
a.将被测光伏组件置于暗室中，且确保测试过程不存在电磁干扰；
b.将被测光伏组件接入低噪声测试适配电路；
c.对被测器件施加偏置电压，并记录偏置电流I和偏置电压V；
d.将被测光伏组件两端电压接入交流低噪声信号放大器，利用模数转换采集卡采集低频电压涨落信号，并进行计算得到被测光伏组件模块低频电压/电流涨落功率谱密度数据；
e.分别计算得到点频噪声电压值fn、带宽噪声电压有效值vn、1/f噪声幅值B、1/f噪声转折频率fc、噪声谱值比μ等参数，记录入偏置电流下组件的低频电压/电流涨落特征参数表；
f.重复设置不同的反向偏置电流，测试不同偏置电流条件下的低频信号涨落参数。
进一步的，测试环境要求：室内温度为25±1℃；相对湿度为50±20％；辐照度为0W·m-2。
进一步的，偏置电源提供的电压可分段调节，带宽噪声电压均方根值(或有效值)≤50μV(1Hz～100kHz)，偏置电压范围至少可调至±30V。
进一步的，低噪声信号放大器增益误差<±2％，频率响应范围1Hz～100kHz，
进一步的，频域测试：频率分辨率1Hz，频率测试不确定度≤±1％，幅度测试不确定度≤±4％，系统背底噪声≤20nV/@10kHz。
进一步的，时域测试：数据采样率最大可到2Ms/s，模数转换采样位数不小于14位，幅度不确定度≤±5％。
本发明的有益效果为：
本发明通过电磁以及光源的屏蔽，使得太阳能电池组件低频电压电流涨落测试电路受到的外界干扰影响降低到最小，能够保证测试的准确性和可信性。通过涨落信号的时域采集，频域分析能够提取丰富的涨落信号特征参数，为实现对太阳能电池组件的性能表征提供了全面丰富的信息。本发明提出的测试系统时域频域测试指标覆盖低频涨落信号的分析范围，由此构建的系统能够保证涨落信号的准确测试采集。
附图说明
图1为太阳能电池组件低频电压/电流涨落参数测试方法的流程图；
图2为正向偏压低频电压/电流涨落测试适配电路图；
图3为反向偏压低频电压/电流涨落测试适配电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在具体的应用过程中，本发明采用的测试方案如下：
测试条件要求：
室内温度：25±1℃；相对湿度：50±20％；辐照度：0W·m-2。
测试设备性能指标：
涉及到的测试设备有：
(a)低噪声偏置电源设备：用于提供光伏组件低频信号涨落测试时的偏置电流，通过外加偏置电压使光伏组件内部产生恒定电流，偏置电源提供的电压可分段调节，带宽噪声电压均方根值(或有效值)≤50μV(1Hz～100kHz)，偏置电压范围至少可调至±30V。
(b)电压电流测量设备：用于光伏组件低频信号涨落测试时的偏置电流、电压测试精度为±1％。
(c)低噪声电压放大设备：必要时可能采用电压噪声信号的放大设备，设备增益误差<±2％，频率响应范围1Hz～100kHz，
(d)数据采集及频谱分析设备：
频域测试：频率分辨率1Hz，频率测试不确定度≤±1％，幅度测试不确定度≤±4％，系统背底噪声≤20nV/@10kHz；
时域测试：数据采样率最大可到2Ms/s，模数转换采样位数不小于14位，幅度不确定度≤±5％。
在测试要求达到后，即阻断所有环境光源，实现光伏组件的零辐照度，同时尽量屏蔽电压低频信号涨落测试过程中的环境电磁干扰信号，保证低频信号涨落测试的准确性，测试方案描述如下：
步骤1将被测光伏组件置于暗室中，且确保测试过程不存在电磁干扰。
步骤2将被测光伏组件接入低频电压/电流涨落信号测试适配电路。
步骤3对被测器件施加偏置电压，并记录偏置电流I和偏置电压V.
步骤4将被测光伏组件两端电压接入交流低噪声信号放大器，利用模数转换采集卡采集低频电压涨落信号，并进行计算得到被测光伏组件模块低频电压/电流涨落功率谱密度数据。
步骤5根据公式(1)-(5)分别计算得到点频噪声电压值fn、带宽噪声电压有效值vn、1/f噪声幅值B、1/f噪声转折频率fc、噪声谱值比μ等参数，记录入偏置电流下组件的低频电压/电流涨落特征参数表。
步骤6设置不同的偏置电流，重复以上测试过程，可测试不同偏置电流条件下的低频涨落信号参数并记录入表。
本发明实施例中使用的数据分析公式：
(a)点频噪声电压值或噪声电压点频值计算提取：
在无光条件下，对光伏组件施加一定的偏置电流，从组件输出端测试电压信号涨落得到其功率谱密度，在该功率谱密度上某点频率得到的电压涨落信号谱密度值为噪声电压点频值，SV(fn)，单位V2/Hz或
式中：
f—频率；
fn—第n个频率点的频率；
SV(f)—噪声电压功率谱密度。
(b)带宽噪声电压有效值或带宽噪声电压均方根值计算：
在无光条件下，对光伏组件施加一定的偏置电流，从组件输出端测试电压信号涨落得到其功率谱密度，对功率谱密度SV(f)在一定带宽fh-fl内进行积分并开根号计算得到，单位V。
式中：
vn—带宽噪声电压有效值或带宽噪声电压均方根值；
f—频率；
fh—高频截止频率；
fl—低频截止频率；
SV(f)—噪声电压功率谱密度。
(c)1/f噪声幅值计算：
对测得组件电压噪声功率谱密度SV(f)数据按照如下公式进行拟合计算进行得到低频1/f噪声幅值：
式中：
A—白噪声幅度值；
f—频率；
γ—1/f噪声频率指数；
B—1/f噪声幅值；
SV(f)—噪声电压功率谱密度。
1/f噪声转折频率计算
(d)转折频率为1/f噪声与白噪声拐点频率，按照如下公式进行计算得到：
式中：
A—白噪声幅度值；
f—频率；
γ—1/f噪声频率指数；
B—1/f噪声幅值；
fc—1/f噪声转折频率。
(d)噪声谱值比计算：
对测得组件电压信号涨落功率谱密度SV(f)数据中任意两频率点的噪声功率谱密度比值，按如下公式计算得到：
式中：
f1—第一点频率；
f2—第二点频率；
μ—噪声谱值比；
fc—1/f噪声转折频率；
SV(f1)—第一点频率对应测试的噪声功率谱密度；
SV(f2)—第二点频率对应测试的噪声功率谱密度。
实施例1
正向偏压低频电压/电流涨落信号测试流程，如图1所示：
步骤1完成测试环境搭建后，将地面用晶体硅光伏电池组件(最大功率330W，开路电压45.1V，短路电流9.45A，最大功率点电压37.2V，最大功率点电流8.87A)置于屏蔽暗室中，且确保测试过程不存在电磁干扰。
步骤2将被测光伏组件接入正向偏压低频涨落信号试适配电路，光伏组件的正电压输出端通过隔离和调整电阻连接到适配器正电源端，光伏组件的负电压输出端连接到适配器负电源端，该适配电路如图2所示。
步骤3对被测器件施加正向偏置电压约35V，并记录偏置电流I和偏置电压V，电流I通常大于30mA。
步骤4将被测光伏组件两端电压接入交流低噪声信号放大器，放大器放大倍数调整至约500-1000倍左右，采集低频电压涨落信号，并进行计算得到被测光伏组件模块低频电压/电流涨落功率谱密度数据。
步骤5根据公式(1)-(5)分别计算得到各涨落信号参数，其中0.5Hz、5Hz、15Hz和30Hz点频电压值分别为：f0.5＝1.04E-12(V2/Hz)、f5＝1.57E-13(V2/Hz)、f15＝4.52E-14(V2/Hz)、f30＝4.33E-14(V2/Hz)。带宽噪声电压有效值vn(0.5-30Hz)＝1.84E-06(V)，1/f噪声幅值B为7.22E-07、1/f噪声转折频率fc为2.01E+01、噪声谱值比μ为1.50E-01，记录入偏置电流下组件的低频电压/电流涨落特征参数表。
步骤6重复步骤2设置不同的正向偏置电流，并重复到步骤4的测试过程，可测试不同正向偏置电流条件下的低频信号涨落参数。所测得的低频电压/电流涨落特性参数记录在如表1中。
表1
实施例2
反向偏压低频电压/电流涨落信号测试：
步骤1将被测地面用晶体硅光伏电池组件(最大功率330W，开路电压45.1V，短路电流9.45A，最大功率点电压37.2V，最大功率点电流8.87A)置于屏蔽暗室中，且确保测试过程不存在电磁干扰，如图1所示：
步骤2将被测光伏组件接入反向偏压低频电压/电流涨落信号测试适配电路，光伏组件的负电压输出端通过隔离和调整电阻连接到适配器正电源端，光伏组件的正电压输出端连接到适配器负电源端，该适配电路如图3所示。
步骤3对被测器件施加反向偏置电压约35V，并记录偏置电流I和偏置电压V，电压V通常大于35V。.
步骤4将被测光伏组件两端电压接入交流低噪声信号放大器，放大器放大倍数调整至约500-1000倍左右，采集低频电压涨落信号，并进行计算得到被测光伏组件模块低频电压/电流涨落功率谱密度数据。
步骤5根据公式(1)-(5)分别计算得到各涨落信号参数，其中0.5Hz、5Hz、15Hz和30Hz点频电压值分别为：f0.5＝4.20E-12(V2/Hz)、f5＝1.91E-13(V2/Hz)、f15＝6.83E-14(V2/Hz)、f30＝4.16E-14(V2/Hz)。带宽噪声电压有效值vn(0.5-30Hz)＝2.24E-06(V)，1/f噪声幅值B为9.31E-07、1/f噪声转折频率fc为2.56E+01、噪声谱值比μ为4.55E-02，记录入偏置电流下组件的低频电压/电流涨落特征参数表。
步骤6重复步骤2设置不同的反向偏置电流，并重复到步骤4的测试过程，可测试不同反向偏置电流条件下的噪声参数。所测得的低频电压/电流涨落特性参数记录在表2中。
表2
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种太阳能电池组件低频电压/电流涨落参数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将被测光伏组件置于暗室中，且确保测试过程不存在电磁干扰；
b.将被测光伏组件接入低噪声测试适配电路；
c.对被测器件施加偏置电压，并记录偏置电流I和偏置电压V；
d.将被测光伏组件两端电压接入交流低噪声信号放大器，利用模数转换采集卡采集低频电压涨落信号，并进行计算得到被测光伏组件模块低频电压/电流涨落功率谱密度数据；
e.分别计算得到点频噪声电压值fn、带宽噪声电压有效值vn、1/f噪声幅值B、1/f噪声转折频率fc、噪声谱值比μ等参数，记录入偏置电流下组件的低频电压/电流涨落特征参数表；
f.重复设置不同的反向偏置电流，测试不同偏置电流条件下的低频信号涨落参数。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池组件低频电压/电流涨落参数测试方法，其特征在于，测试环境要求：室内温度为25±1℃；相对湿度为50±20％；辐照度为0W·m-2。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能电池组件低频电压/电流涨落参数测试方法，其特征在于，偏置电源提供的电压可分段调节，带宽噪声电压均方根值≤50μV，偏置电压范围至少可调至±30V。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能电池组件低频电压/电流涨落参数测试方法，其特征在于，低噪声信号放大器增益误差<±2％，频率响应范围1Hz～100kHz，
5.根据权利要求1所述的一种太阳能电池组件低频电压/电流涨落参数测试方法，其特征在于，频域测试：频率分辨率1Hz，频率测试不确定度≤±1％，幅度测试不确定度≤±4％，系统背底噪声≤20nV/@10kHz。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能电池组件低频电压/电流涨落参数测试方法，其特征在于，时域测试：数据采样率最大可到2Ms/s，模数转换采样位数不小于14位，幅度不确定度≤±5％。
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