RU2318219C1 - Симулятор солнечного излучения для измерения параметров солнечных элементов - Google Patents

Abstract

Предложенное изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области измерений электрофизических параметров солнечных элементов на основе применения устройств, позволяющих имитировать реальное солнечное излучение искусственными источниками света. Целью изобретения является повышение точности и надежности измерения вольтамперных характеристик солнечных элементов. Предложенный симулятор солнечного излучения для измерения параметров солнечных элементов включает в себя импульсное осветительное устройство, измерительное устройство, управляемое компьютером, и датчик освещенности. При этом измерительное устройство включает в себя конвертор емкости измеряемого солнечного элемента, включенного совместно с датчиком освещенности в систему обратной связи. Кроме того, в осветительном устройстве может быть использован замкнутый короб с отражающими стенками на основе алюминиевой фольги. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Устройство относится к области измерительной техники, более конкретно к области измерений электрофизических параметров солнечных элементов на основе применения устройств, позволяющих имитировать реальное солнечное излучение искусственными источниками света вместе с необходимой и встроенной в устройство электронной аппаратурой для проведения измерений и определения параметров солнечных элементов с целью определения их эксплуатационных характеристик.

Известно устройство для тестирования солнечных элементов, состоящее из нескольких импульсных источников светового излучения, каждый из которых излучает свет выделенного спектрального состава, так что суммарная освещенность и спектральный состав светового потока на поверхности солнечного элемента может варьироваться в широких пределах для синтезирования суммарного спектра излучения в максимальной приближенности к стандартному солнечному спектру [1]. Устройство включает в себя измерительную систему, состоящую из управляемого источника напряжения (и тока), для измерения вольтамперных характеристик исследуемого солнечного элемента с выводом данных измерений на регистрирующее устройство (компьютер). Для коррекции результатов измерений имеется образцовый солнечный элемент сравнения, электрические параметры которого определяются одновременно с параметрами измеряемого солнечного элемента. Сравнение результатов двух измерений позволяет осуществить коррекцию измеренных параметров солнечного элемента в сторону их адекватных значений.

Недостатком этого устройства является необходимость дополнительных измерений вольтамперных характеристик солнечного элемента в стационарных условия освещения, что приводит к нагреву солнечного элемента под действием светового излучения и, соответственно, к применению дополнительной системы измерения температуры солнечного элемента с последующей температурной коррекцией измеренных вольтамперных характеристик солнечного элемента.

Разновидностью данного устройства является устройство с применением импульсной и последующей стационарной засветки солнечного элемента, в котором применена коррекция нестационарной вольтамперной характеристики образцового солнечного элемента сравнения посредством включения дополнительных корректирующих RC или RL цепей в систему измерения параметров образцового солнечного элемента [2]. Коррекция производится таким образом, чтобы измеряемые вольтамперные характеристики в нестационарных условиях максимально соответствовали статическим. Спектральный состав устройства освещения солнечного элемента изменяется в процессе проведения измерений для достижения максимального совпадения выходных характеристик образцового солнечного элемента с заранее измеренными. Затем опять производится коррекция измеренных вольтамперных характеристик измеряемого солнечного элемента для получения максимально достоверных результатов измерений.

Недостатком этого метода является необходимость проведения множественных измерений стационарных и нестационарных вольтамперных характеристик солнечного элемента при различных параметрах спектрального состава осветительной системы, что резко снижает экспрессность проведения измерений. Кроме того, данный метод пригоден только для измерений электрофизических параметров конструктивно идентичных измеряемого элемента и элемента сравнения.

Известно также устройство для определения параметров солнечных элементов, включающее в себя стационарный источник светового излучения, состоящий из нескольких световых источников с различным спектральным составом света и системы светофильтров для обеспечения максимального приближения суммарного спектра к стандартному спектру солнечного излучения, электронную систему стабилизации постоянства потока светового излучения и электронную систему измерения вольтамперных характеристик измеряемого солнечного элемента [3].

Недостатками данного устройства измерения вольтамперных характеристик солнечных элементов является отсутствие устройства, компенсирующего влияние температурного нагрева солнечного элемента, что приводит к необходимости применения температурных датчиков с последующей температурной коррекцией измеренной вольтамперной характеристики. Стационарная засветка требует применения громоздкой и экономически затратной аппаратуры для обеспечения постоянства светового потока. Кроме того, отсутствие защитного экрана в области проведения измерений может приводить к вредному влиянию ультрафиолетового излучения на здоровье оператора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство по патенту [4]. Устройство включает в себя единственный импульсный световой источник с интенсивностью и спектральным составом, соответствующими критерию (или стандарту) А для симуляторов солнечного излучения, образцовый вспомогательный солнечный элемент сравнения, постоянную времени переходных электрических процессов которого можно менять в широких пределах за счет применения внешних корректирующих емкостных или индуктивных элементов, устройство измерения вольтамперных характеристик образцового и измеряемого солнечного элемента, устройство вывода, обработки и визуализации выходных данных, включая компьютер.

В процессе проведения измерений постоянная времени переходных процессов образцового солнечного элемента за счет изменения параметров внешних корректирующих электрических элементов подстраивается таким образом, чтобы выходная вольтамперная характеристика образцового элемента соответствовала статической вольтамперной характеристике образцового элемента. Далее разница значений выходных напряжений и токов статической и динамической вольтамперных характеристик образцового элемента используется как исходная информация для коррекции динамической вольтамперной характеристики измеряемого элемента в процессе дальнейших измерений.

Недостатком рассмотренного устройства является необходимость применения в качестве солнечного элемента сравнения такой элемент, который конструктивно полностью идентичен измеряемому солнечному элементу. Кроме того, перед проведением измерений необходимо проведение статических испытаний образцового элемента, что предполагает соответствующее оборудование для проведения таких испытаний. Применение единственного источника света на основе ксеноновой лампы требует набор световых фильтров для подгонки спектрального состава светового излучения к стандартному спектру для симуляторов солнечного излучения класса А, что является сложной технической задачей.

Целью изобретения является повышение точности и надежности измерения вольтамперных характеристик солнечных элементов.

Поставленная цель достигается за счет того, что в симуляторе солнечного излучения, включающим импульсное осветительное устройство и измерительное устройство, управляемое компьютером:

- измерительное устройство включает в себя конвертор емкости измеряемого солнечного элемента, что позволяет эффективно снизить постоянную времени переходного процесса в условиях импульсной засветки до такой величины, когда это влияние на процесс измерений вольтамперных характеристик солнечного элемента становится пренебрежимо малым;

- используется замкнутый короб с отражающими стенками, отражательная способность которых подобрана таким образом, чтобы синтезировать спектр осветительной системы, максимально приближенный к стандарту АМ-1,5.

В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено применение конверторов диффузионной и барьерной емкости для обеспечения положительного эффекта. Управляемые источники тока в известных симуляторах солнечного излучения строятся по типу источников с регулируемым нагрузочным сопротивлением, что не позволяет исключить влияние переходных процессов на измеряемые вольтамперные характеристики. Применение отражающих стенок в качестве формирователей спектрального состава также неизвестно в существующих конструкциях симуляторов солнечного излучения, поэтому все заявляемые отличия данного изобретения соответствуют критерию "Изобретательский уровень".

Схематически симулятор солнечного излучения представлен на Фиг.1,

где 1 - осветительное устройство;

2 - зеркальный короб;

3 - солнечный элемент;

4 - конвертор емкости солнечного элемента;

5 - измерительный блок;

6 - контроллер работы симулятора солнечного излучения;

7 - компьютер;

8 - светофильтр;

A1 - зеркальное покрытие короба.

Осветительное устройство симулятора 1 состоит из ксеноновой лампы, интенсивность излучения которой поддерживается постоянной за счет встроенного стабилизатора интенсивности светового потока в процессе импульсной засветки. Блок питания осветительной системы содержит батарею конденсаторов, которая является накопителем энергии импульсного разрядного процесса. В этом случае нет необходимости в использовании мощных блоков питания для обеспечения непрерывной работы осветительного устройства, что делает систему питания импульсного источника света компактным, надежным и экономически выгодным устройством.

Измерительная часть симулятора солнечного излучения включает в себя измерительный блок 5, синхронно связанный с осветительным устройством симулятора и обеспечивающий протекание электрического тока через исследуемый солнечный элемент 3 в направлении, противоположном генерируемому световым потоком фототоку, компенсируя последний (компенсационная схема измерений). Аналогично осветительному устройству, дополнительная батарея конденсаторов служит накопителем энергии для осуществления процесса измерения.

Наличие системы обратной связи, включающей датчик освещенности исследуемого объекта, и конвертора емкости солнечного элемента 4 на основе управляемого усилителя напряжения совместно с измерительными усилителями с последующим преобразованием выходных сигналов в цифровую форму посредством АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП (цифроаналоговый преобразователь) для связи измерительного блока 5 с компьютером 7 позволяет жестко регулировать напряжение смещения на внешних электродах солнечного элемента 3, одновременно измеряя величину тока, протекающего через него в зависимости от заданного напряжения смещения на электродах солнечного элемента. Напряжение, приложенное к солнечному элементу, можно регулировать (програмно, с использованием компьютера 7) при использовании контроллера 6 и ЦАП измерительного блока 5 в соответствии с желаемой функцией напряжения смещения от времени, обеспечивая минимальность отклонения формы нагрузочной динамической вольтамперной характеристики от ее статического вида. Фактически, схемотехническая реализация управляемого усилителя напряжения смещения одновременно является аналоговым конвертором (активным аналоговым преобразователем) диффузионной и барьерной емкостей солнечного элемента, снижая их величину до значений, при которых динамическая вольтамперная характеристика перестает отличаться от статической.

Работа симулятора солнечного излучения осуществляется следующим образом (Фиг.1). При подаче запускающего импульса от компьютера 7 посредством контроллера 6 запускается процесс зажигания ксеноновой лампы. Одновременно появляется сигнал на датчике освещенности, который запускает систему измерения вольтамперных характеристик солнечного элемента 3. Длительность светового импульса (8-10 мс) достаточна для проведения 250-300 измерений в различных точках вольтамперной характеристики солнечного элемента. Благодаря наличию обратной связи по свету и системе стабилизации светового потока величина светового потока поддерживается на достаточно стабильном уровне с отклонением от величины среднего уровня светового потока не более 1%. В течение периода работы лампы ЦАП измерительного блока 5 обеспечивает протекание через исследуемый солнечный элемент тока, который регистрируется измерительным усилителем и посредством обратного преобразования в АЦП запоминается в памяти компьютера. Одновременно измерительный усилитель регистрирует величину электрического напряжения, приложенного к солнечному элементу, которое оцифровывается в АЦП и запоминается в компьютере. Величины значений тока и напряжения являются выходной информацией для контроля вольтамперных характеристик солнечного элемента. Наличие управляемого источника напряжения, входящего в конвертор емкости солнечного элемента 4, позволяет задавать величину падения напряжения на солнечном элементе в соответствии с заданным законом как функцию от времени. Выбор этой функции осуществляется таким образом, чтобы получить такую выходную динамическую вольтамперную характеристику, которая не отличается от статической, т. е. с полной компенсацией барьерной и диффузионной емкостей солнечного элемента.

Современные симуляторы солнечного излучения используют в качестве источников света ксеноновые лампы-вспышки дугового разряда, спектральный состав которых хорошо соответствует спектру солнечного излучения (ASTM AM-1.5) в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Однако в области длин волн 0,8-0,9 нм спектр ксеноновых ламп содержит узкие спектральные линии, интенсивность которых существенно превышает интенсивность стандартного солнечного излучения в этом диапазоне длин световых волн при одинаковой интегральной освещенности солнечного элемента. Это предполагает применение в симуляторах солнечного излучения светофильтров, подавляющих эти спектральные линии. Так как спектральный состав ксеноновых ламп в рассматриваемом диапазоне является сложным, то необходимо применение сложных светофильтровых комбинаций, что сводит задачу подгонки спектрального состава симулятора солнечного излучения к сложной оптической задаче, существенно увеличивая при этом стоимость проектирования и изготовления симуляторов солнечного излучения.

В данном изобретении эта задача упрощается за счет многочисленных отражений светового потока от стенок зеркального светового короба 2, полностью окружающего осветительную систему и место столика электрических измерений. Алюминиевая фольга, используемая в качестве зеркальной системы, обладает спектром отражения с ярко выраженным провалом в области длин волн 0,8-0,9 нм, как это показано на Фиг.2. Многочисленные отражения света ксеноновой лампы от зеркальных стенок автоматически подавляют интенсивные пики спектра в этом диапазоне и сводят задачу спектральной подгонки симулятора солнечного излучения к классу А (отклонение интегральной световой интенсивности в области 0,8-0,9 мкм от стандартного спектра AM-1.5 не должно превышать 10%) к использованию только одного дополнительного светофильтра 8, перекрывающего путь распространения светового потока и расположенного вблизи крепления ксеноновой лампы. Кроме того, использование зеркальных стенок позволяет существенно выровнять неоднородность распределения интенсивности светового потока в плоскости предметного столика для проведения электрических измерений, снижая степень неоднородности светового потока до величины <1% на этом столике.

Для достижения положительного эффекта используется оригинальная схемотехническая реализация конвертора емкости солнечного элемента, что позволяет эффективно компенсировать барьерную и диффузионную емкости исследуемого солнечного элемента до таких значений, при которых их влияние на переходный процесс, искажающий форму измеряемой вольтамперной характеристики, становится пренебрежимо малым. Применение отражающих свет стенок в качестве формирователя спектрального состава, максимально приближенного к требуемому, позволяет существенно упростить оптическую систему солнечного симулятора, что приводит к значительной экономии средств в процессе его изготовления.

Источники информации

1. Патент США № 3002/0014886.

2. Патент США № 2002/0030153.

3. Патент США № 6154034.

4. Патент США № 2002/0056648 - прототип.

Claims (2)

1. Симулятор солнечного излучения для измерения параметров солнечных элементов, включающий импульсное осветительное устройство, измерительное устройство, управляемое компьютером, и датчик освещенности отличающийся тем, что измерительное устройство включает в себя конвертор емкости измеряемого солнечного элемента, включенного совместно с датчиком освещенности в систему обратной связи.

2. Симулятор солнечного излучения для измерения параметров солнечных у элементов по п.1, отличающийся тем, что в осветительном устройстве используется замкнутый короб с отражающими стенками на основе алюминиевой фольги.

Images