使用測(cè)試儀器測(cè)量太陽(yáng)能電池的功率輸出

序言

太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)增加了對(duì)太陽(yáng)能電池(及太陽(yáng)能模組)測(cè)試和測(cè)量解決方案的需求，而且隨著太陽(yáng)能電池尺寸的增大和效率的提高，電池測(cè)試需要運(yùn)用更大的電流和更高的功率水平，這就要求采用更加靈活的測(cè)試設(shè)備

典型測(cè)量

測(cè)試較小的單個(gè)電池時(shí)，這些最大電流和功率是可接受的，但是隨著電池技術(shù)向更高的效率、更大的電流密度和更大的電池尺寸推進(jìn)，電池的功率輸出將很快會(huì)超出這些四象限電源的最大額定值太陽(yáng)能模組的輸出通常會(huì)超過(guò)50W,而且可能會(huì)爬升至300W或更高，這意味著許多針對(duì)模組的測(cè)試都無(wú)法使用四象限電源來(lái)完成

在這些情況下，工程師應(yīng)當(dāng)借助于現(xiàn)成的電子負(fù)載、直流電源、DMM和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括溫度測(cè)量、掃描、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，以便在寬泛的操作范圍內(nèi)靈活地進(jìn)行獨(dú)特的測(cè)試，并且達(dá)到預(yù)期的測(cè)試精度例如，可以使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)掃描環(huán)境和待測(cè)器件的溫度，已校準(zhǔn)的參考電池的電壓，以及在測(cè)試中需要捕獲的各種其他測(cè)試參數(shù)

太陽(yáng)能電池測(cè)量通常包括以下關(guān)鍵參數(shù)。

開(kāi)路電壓(Voc)――電流為零時(shí)的電池電壓。

短路電流(Isc)――負(fù)載電阻為零時(shí)的電池電流。

電池的最大功率輸出(Pmax)――電池產(chǎn)生最大功率時(shí)的電壓和電流點(diǎn)。I-V 曲線上的 Pmax 點(diǎn)通常指最大功率點(diǎn)(MPP)。

Pmax 電壓(Vmax)――Pmax 時(shí)的電池電壓。

Pmax 電流(Imax)――Pmax 時(shí)的電池電流。

現(xiàn)在，太陽(yáng)能電池測(cè)試解決方案主要有兩種形式：完整的交鑰匙系統(tǒng)和通用的測(cè)試儀器如果需要在太陽(yáng)能電池最大輸出功率時(shí)進(jìn)行測(cè)試，許多研究實(shí)驗(yàn)室都具備低功耗四象限電源。

器件的轉(zhuǎn)換效率(η)――在太陽(yáng)能電池連接至電路時(shí)，轉(zhuǎn)換(從光能轉(zhuǎn)換為電能)和收集的功率百分比。η 的計(jì)算方法為：最大功率點(diǎn) Pmax 除以標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)下的輸入光輻照度(E,單位：W/m2)和太陽(yáng)能電池表面積(Ac,單位：平方米)。

· 占空因數(shù)(FF)――最大功率點(diǎn) Pmax 除以開(kāi)路電壓(Voc)和短路電流(Isc)

· 電池二極管性能

· 電池串聯(lián)電阻

· 電池并聯(lián)電阻

圖 1:太陽(yáng)能電池的電流電壓曲線圖

圖中文字中英對(duì)照：

常用解決方案

目前，太陽(yáng)能電池測(cè)試解決方案分為兩大類：成套系統(tǒng)和通用測(cè)試儀器。成套系統(tǒng)適用于驗(yàn)證和制造測(cè)試階段。這些系統(tǒng)可以確保測(cè)試的可重復(fù)性，因?yàn)樗鼈兘?jīng)過(guò)編程，可對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行一系列電池測(cè)試。

研究人員通常會(huì)使用半導(dǎo)體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室中的通用測(cè)試儀器。他們使用半導(dǎo)體器件參數(shù)分析儀測(cè)量二極管器件特性，使用 LCR 測(cè)量計(jì)(電感電容電阻測(cè)量計(jì))測(cè)量材料/器件的電感、電容和電阻。

在測(cè)試整個(gè)太陽(yáng)能電池輸出功率時(shí)，許多研究實(shí)驗(yàn)室會(huì)使用低功率 4 象限電源(有時(shí)簡(jiǎn)稱 SMU)，該電源可以：

精確地供應(yīng)正和負(fù)電壓(供應(yīng)也稱施加);

精確地供應(yīng)正和負(fù)電流(供應(yīng)負(fù)電流是將電流吸入電源的過(guò)程);

精確測(cè)量被測(cè)件的電壓和電流(測(cè)量也稱感知)。

4 象限電源的用途十分廣泛，但其能夠?yàn)楸粶y(cè)件提供的最大電流和功率較小。大部分精密型 4 象限電源只能供應(yīng) 3 A 或 20 W 的連續(xù)電力。這種最大電流和功率適合小型獨(dú)立電池測(cè)試，但隨著電池技術(shù)的發(fā)展，電池的效率、電流密度和尺寸均出現(xiàn)了較大幅度的增長(zhǎng)，電池功率輸出可能很快超過(guò) .

為此，工程師必須使用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)電子負(fù)載、直流電源、數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成靈活的測(cè)試系統(tǒng)，才能在廣泛的工作范圍內(nèi)對(duì)這些太陽(yáng)能電池模塊進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)保證測(cè)量精度。例如，您可以使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)掃描環(huán)境溫度、被測(cè)件溫度、校準(zhǔn)參考電池的電壓以及其他需要在測(cè)試中捕獲的測(cè)試參數(shù)。

戶外測(cè)試

有些工程師會(huì)使用交鑰匙的太陽(yáng)能電池測(cè)試設(shè)備來(lái)進(jìn)行測(cè)試，這種設(shè)備采用一種太陽(yáng)能模擬器，這是一種標(biāo)準(zhǔn)化的光源，可用于控制進(jìn)入太陽(yáng)能電池的光能不過(guò)，如果太陽(yáng)能電池或模組非常大，太陽(yáng)能模擬器將無(wú)法產(chǎn)生充足的光

例如，被測(cè)的太陽(yáng)能模組可能是大型戶外太陽(yáng)能采集系統(tǒng)的一部分在這種情況下，太陽(yáng)本身將是測(cè)試中唯一實(shí)際可用的光源既然在戶外實(shí)際上不可能運(yùn)輸一套無(wú)太陽(yáng)能模擬器的完整的交鑰匙測(cè)試系統(tǒng)，所以這種測(cè)試就需要使用由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器改進(jìn)而成的某些其他測(cè)試解決方案來(lái)執(zhí)行戶外測(cè)試需要考慮的另一項(xiàng)因素是溫度因?yàn)殡姵氐男阅軙?huì)受到溫度的影響，因此需要在測(cè)試中監(jiān)視溫度不僅電池性能依賴于溫度，而且測(cè)試設(shè)備的性能也依賴于溫度

許多儀器供應(yīng)商沒(méi)有指明他們的測(cè)試設(shè)備在溫度處于室溫附近極窄范圍(如25℃±5℃)之外時(shí)的性能其他供應(yīng)商則提供了一項(xiàng)溫度系數(shù)規(guī)格，能夠調(diào)整測(cè)試設(shè)備的精度規(guī)范，以針對(duì)工作在其指定工作溫度范圍之外進(jìn)行校正[!--empirenews.page--]

大功率測(cè)試的負(fù)載

對(duì)于大功率應(yīng)用，您可以使用標(biāo)準(zhǔn)電子負(fù)載進(jìn)行太陽(yáng)能電池測(cè)試。由于習(xí)慣了使用成套系統(tǒng)或 4 象限電源，許多工程師在進(jìn)行太陽(yáng)能電池測(cè)試時(shí)不會(huì)想到電子負(fù)載。鑒于太陽(yáng)能電池可以產(chǎn)生能量，在使用 4 象限電源對(duì)其進(jìn)行測(cè)試時(shí)，電源的實(shí)際工作模式如下：太陽(yáng)能電池對(duì)電源的端點(diǎn)施加了一個(gè)正電壓。同時(shí)，電流從太陽(yáng)能電池流向 4 象限電源的端點(diǎn)，意味著 4 象限電源觀察到的是負(fù)電流(相對(duì)其端點(diǎn))。此時(shí)也可以說(shuō)是 4 象限電源在吸收電流。在電學(xué)上，對(duì)端點(diǎn)施加正電壓，且電流流向自身(即吸收電流)的電源稱為電子負(fù)載。因此，對(duì)大部分太陽(yáng)能電池測(cè)試來(lái)說(shuō)，如果有光線照在太陽(yáng)能電池上，且電池正在產(chǎn)生電力，4 象限電源即作為電子負(fù)載使用。使用電子負(fù)載的優(yōu)勢(shì)在于它可以適應(yīng)所有的電流和功率：使用 50W 或更高(可達(dá)數(shù)千 W 和數(shù)百 A)的電子負(fù)載，我們可以跳出 4 象限電源僅能提供 3A、20 W 電能的限制。

使用電子負(fù)載的優(yōu)勢(shì)在于這種負(fù)載可用在各種電流和功率水平使用額定50W或高達(dá)數(shù)千瓦特和數(shù)百安培的電子負(fù)載，可以輕松克服四象限電源帶來(lái)的3A,20W的限制

電子負(fù)載可在恒壓模式下工作，也稱為CV模式在CV模式下，負(fù)載可以通過(guò)調(diào)節(jié)流經(jīng)自己的電流，從而調(diào)整它兩端的電壓，以保持恒定的電壓值因此，CV模式可用于創(chuàng)建電壓掃描，使用負(fù)載來(lái)控制太陽(yáng)能電池輸出端的電壓，然后測(cè)量產(chǎn)生的電流

有些負(fù)載(如M9700系列)可以快速地執(zhí)行一系列CV定位點(diǎn)，以便在CV模式下掃描輸出電壓，從而快速地描繪出I-V曲線同時(shí)，負(fù)載可以將從太陽(yáng)能電池流出到負(fù)載內(nèi)的電流波形數(shù)字化，類似于捕獲示波器曲線

電子負(fù)載可在恒壓(或 CV)模式下工作。恒壓模式下，負(fù)載將調(diào)整流經(jīng)自身的電流，以調(diào)節(jié)其端點(diǎn)的電壓，使其保持在一個(gè)恒定值。因此，恒壓模式可用于創(chuàng)建電壓掃描：使用負(fù)載控制太陽(yáng)能電池輸出的電壓，然后測(cè)量生成的電流(如圖 2 所示)。部分負(fù)載(例如 Agilent N3300 系列)可以快速執(zhí)行 CV 定位點(diǎn)列表以掃描恒壓模式的輸出電壓，從而快速繪制 I-V 曲線。與此同時(shí)，負(fù)載可以將從太陽(yáng)能電池流向負(fù)載的電流波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字波形(與捕獲示波器跡線類似)。通過(guò)繪制掃描控制的 CV 電壓和數(shù)字轉(zhuǎn)換的實(shí)際電流圖像，您可以創(chuàng)建 I-V 曲線。由于這一切可以作為快速掃描在短時(shí)間內(nèi)完成，整個(gè)測(cè)試可在大約一秒鐘的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，即在電池受熱和溫度因密集光源照射出現(xiàn)變化前完成。

圖 2:使用 CV 模式下的電子負(fù)載測(cè)量 I-V 曲線

圖中文字中英對(duì)照：

使用 V 和 I 乘積確定最大功率

許多電子負(fù)載具有工作電壓下限，因?yàn)榇蟛糠蛛娮迂?fù)載以 FET 為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。要正確地傳導(dǎo)電流，F(xiàn)ET 需要一個(gè)流經(jīng) FET 的最小電壓，意味著負(fù)載的 + 和 – 輸入端點(diǎn)間有一個(gè)最小工作電壓。通常，電子負(fù)載的最小輸入電壓為 2 到 3 W.為電子負(fù)載串聯(lián)一個(gè)直流電源可以消除這個(gè)限制。參見(jiàn)圖 3,用于為電子負(fù)載提供補(bǔ)償電壓的直流電源稱為補(bǔ)償電源。通常，補(bǔ)償電源設(shè)為 3 V,以確保滿足電子負(fù)載的最小電壓需求。直流電源的電壓不會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生影響。直流電源是一個(gè)浮置器件，最多會(huì)將太陽(yáng)能電池偏置 3 V.

圖 3:配置用于太陽(yáng)能電池測(cè)試的電子負(fù)載和補(bǔ)償電源

圖中文字中英對(duì)照：

結(jié)論和更多信息

全球?qū)η鍧?、可再生能源的迫切需求正推?dòng)著太陽(yáng)能電池技術(shù)高速發(fā)展。隨著太陽(yáng)能電池尺寸的增加和效率的提升，電池測(cè)試可能會(huì)遇到更大的電流和功率，因此市場(chǎng)需要更靈活的測(cè)試設(shè)備。此時(shí)，成套解決方案可能無(wú)法滿足需求，工程師可以使用現(xiàn)有的電子負(fù)載來(lái)測(cè)試太陽(yáng)能電池。如果配置和應(yīng)用適當(dāng)，電子負(fù)載可用于對(duì)太陽(yáng)能電池或太陽(yáng)能電池模塊輸出進(jìn)行所有與功率相關(guān)的測(cè)量。目前市場(chǎng)上的電子負(fù)載可提供廣泛的電壓、電流、功率和測(cè)量精度。負(fù)載、數(shù)字萬(wàn)用表和數(shù)據(jù)采集設(shè)備相結(jié)合，可以在成套系統(tǒng)靈活度不夠的情況下滿足您的測(cè)量需求。