應(yīng)用于太陽(yáng)電池的I-V曲線測(cè)試儀在線校準(zhǔn)方法

張楠

(廣東省計(jì)量科學(xué)研究院,廣東 廣州 510405)

0 引言

以開路電壓(Voc)和短路電流(Isc)為代表的光電參數(shù)是評(píng)估太陽(yáng)電池質(zhì)量可靠性的重要指標(biāo)[1-2],也是太陽(yáng)電池貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)。Voc和Isc測(cè)量的準(zhǔn)確性影響著太陽(yáng)電池的技術(shù)創(chuàng)新及發(fā)展[3]。測(cè)量光電參數(shù)的I-V曲線測(cè)試儀是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、模型計(jì)算、軟件控制等多環(huán)節(jié)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)[4],實(shí)現(xiàn)對(duì)I-V曲線測(cè)試儀的校準(zhǔn)是準(zhǔn)確測(cè)量光電參數(shù)的保證。

I-V曲線測(cè)試儀體積較大,拆卸和搬運(yùn)不方便,整體送到計(jì)量實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)十分困難[5],且通用測(cè)量設(shè)備無(wú)法對(duì)該類儀器的脈沖輸出信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)性準(zhǔn)確測(cè)量,對(duì)I-V曲線測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)的常規(guī)方法是對(duì)儀器各個(gè)功能模塊分別進(jìn)行校準(zhǔn)。這一做法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且系統(tǒng)中的算法模塊、軟件控制模塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)單獨(dú)校準(zhǔn),導(dǎo)致無(wú)法對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。本文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)電池Voc和Isc測(cè)量方法的研究和測(cè)量技術(shù)的開發(fā),實(shí)現(xiàn)了對(duì)Voc和Isc兩個(gè)參數(shù)的在線測(cè)量,將Voc,Isc的標(biāo)準(zhǔn)值與示值進(jìn)行比對(duì),實(shí)現(xiàn)對(duì)I-V曲線測(cè)試儀的系統(tǒng)在線校準(zhǔn)。

1 基本原理

圖1 是太陽(yáng)電池的I-V特性曲線及等效電路圖,通過(guò)分析可知當(dāng)電路處于開路時(shí),電流I為零,此時(shí)的電壓U即為Voc,此時(shí)的負(fù)載電阻可視為無(wú)窮大;當(dāng)電路處于短路時(shí),電壓U為零,此時(shí)的電流I即為Isc,此時(shí)的負(fù)載電阻可視為零[7-8]。Voc,Isc是太陽(yáng)電池重要的光電參數(shù),影響太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率。Voc,Isc通過(guò)I-V曲線測(cè)試儀掃描采集得到[1-2],因此對(duì)I-V曲線測(cè)試儀的系統(tǒng)校準(zhǔn)可通過(guò)間接校準(zhǔn)Voc,Isc兩個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖1 太陽(yáng)電池I-V 特性曲線及等效電路圖

對(duì)Voc,Isc兩個(gè)參數(shù)校準(zhǔn)的關(guān)鍵在于對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)在線采集,即外接標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備與被校I-V曲線測(cè)試儀同時(shí)對(duì)Voc,Isc進(jìn)行比較測(cè)量,測(cè)量過(guò)程中相互之間不產(chǎn)生信號(hào)干擾。外接標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備所測(cè)得的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值,被校I-V曲線測(cè)試儀采集的數(shù)據(jù)為示值,示值與標(biāo)準(zhǔn)值之差即為被校I-V曲線測(cè)試儀所測(cè)Voc,Isc的絕對(duì)示值誤差。

2 實(shí)驗(yàn)與方法

由于I-V曲線測(cè)試儀中的Voc,Isc信號(hào)持續(xù)時(shí)間均為ms 量級(jí),普通的電學(xué)類電壓、電流測(cè)試設(shè)備無(wú)法捕捉這類信號(hào),無(wú)線電類的通用設(shè)備示波器可以實(shí)時(shí)捕捉這類信號(hào),但其電壓測(cè)量的最大允許誤差一般大于0.5%,準(zhǔn)確性無(wú)法滿足校準(zhǔn)要求。本實(shí)驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備為多通道電壓高速數(shù)據(jù)采集卡(以下簡(jiǎn)稱高速數(shù)據(jù)采集卡)和霍爾電流傳感器,該套設(shè)備具有采集速率高,多通道同時(shí)采集信號(hào),可以給出擬合曲線,電壓、電流測(cè)量最大允許誤差可達(dá)0.05%等特點(diǎn),較好地解決了I-V曲線測(cè)試儀的校準(zhǔn)問(wèn)題。其中,Voc直接在線測(cè)量得到;Isc在線采集后再換算為電流得到。如圖2所示,高速數(shù)據(jù)采集卡通道1 正負(fù)接線端直接連接U兩端即可實(shí)現(xiàn)對(duì)Voc的測(cè)量。對(duì)于Isc的測(cè)量,先借助霍爾電流傳感技術(shù)完成太陽(yáng)能電池對(duì)模擬太陽(yáng)脈沖光信號(hào)響應(yīng)情況的隔離轉(zhuǎn)換,使脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào),再借助電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊將電流轉(zhuǎn)換為電壓,之后高速數(shù)據(jù)采集卡的通道2 完成數(shù)據(jù)采集,最后將采集到的電壓轉(zhuǎn)換為電流。實(shí)驗(yàn)中使用的高速數(shù)據(jù)采集卡、霍爾傳感器均經(jīng)過(guò)計(jì)量校準(zhǔn),數(shù)據(jù)可溯源至國(guó)家基準(zhǔn)。

圖2 I-V 曲線測(cè)試儀校準(zhǔn)連線框圖

整個(gè)實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)完成,測(cè)量中借助了現(xiàn)場(chǎng)的太陽(yáng)組件測(cè)試儀和晶硅太陽(yáng)電池組件。測(cè)量步驟為:①將太陽(yáng)電池組件安裝在太陽(yáng)組件測(cè)試儀玻璃感光區(qū),接通太陽(yáng)電池組件與組件測(cè)試儀;②將高速數(shù)據(jù)采集卡的通道1 正負(fù)端連接在圖1 中的U兩端,確保通道1測(cè)量Voc參數(shù);③將霍爾傳感器的電流鉗鉗住太陽(yáng)電池組件的導(dǎo)線,并將高速數(shù)據(jù)采集卡通道2 的正負(fù)端分別連接在霍爾傳感器的輸出端正負(fù)極,確保通道2 測(cè)量Isc參數(shù);④確保組件測(cè)試儀的I-V曲線測(cè)試單元、高速數(shù)據(jù)采集卡均處于采集狀態(tài);⑤開啟組件測(cè)試儀的太陽(yáng)模擬光源模塊,待其脈沖光源觸發(fā)曝光的瞬間,使組件測(cè)試儀的I-V曲線測(cè)試單元、高速數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)采集到太陽(yáng)電池輸出的Voc,Isc;⑥對(duì)比兩者數(shù)據(jù)的差異,計(jì)算示值誤差,實(shí)現(xiàn)對(duì)I-V曲線測(cè)試儀的校準(zhǔn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 開路電壓Voc的相對(duì)示值誤差

太陽(yáng)組件測(cè)試儀的模擬脈沖光源每觸發(fā)曝光一次,記錄一組標(biāo)準(zhǔn)值US、示值UI,標(biāo)準(zhǔn)值從高速數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)中選取,示值直接從I-V曲線測(cè)試儀上讀取,記錄10 組數(shù)據(jù)后取平均,分別得到標(biāo)準(zhǔn)值、示值的平均值,結(jié)果見表1,再根據(jù)公式(1)計(jì)算Voc的相對(duì)示值誤差。

表1 開路電壓Voc的相對(duì)示值誤差

被校準(zhǔn)I-V曲線測(cè)試儀所測(cè)開路電壓的相對(duì)示值誤差計(jì)算公式為

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到開路電壓的相對(duì)示值誤差為0.45%,參照J(rèn)JG 124 -2005《電流表、電壓表、功率表及電阻表檢定規(guī)程》計(jì)量性能要求中關(guān)于準(zhǔn)確度等級(jí)的規(guī)定,本文對(duì)I-V曲線測(cè)試儀關(guān)鍵測(cè)量參數(shù)開路電壓Voc的校準(zhǔn)符合準(zhǔn)確度等級(jí)0.5 級(jí)對(duì)應(yīng)最大允許誤差±0.5%的要求[8]。

3.2 短路電流Isc的相對(duì)示值誤差

短路電流的測(cè)量與3.1 中開路電壓的測(cè)量原理相似,太陽(yáng)組件測(cè)試儀的模擬脈沖光源每觸發(fā)曝光一次,記錄一組標(biāo)準(zhǔn)值IS、示值II,記錄10 組數(shù)據(jù)后,分別計(jì)算得到短路電流Isc標(biāo)準(zhǔn)值、示值的平均值,結(jié)果見表2,再根據(jù)公式(2)計(jì)算Isc的相對(duì)示值誤差。

表2 短路電流Isc的相對(duì)示值誤差

被校準(zhǔn)I-V曲線測(cè)試儀所測(cè)短路電流Isc的相對(duì)示值誤差計(jì)算公式為

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到短路電流Isc的相對(duì)示值誤差為0.20%,參照J(rèn)JG 124 -2005《電流表、電壓表、功率表及電阻表檢定規(guī)程》計(jì)量性能要求中關(guān)于準(zhǔn)確度等級(jí)的規(guī)定,本文對(duì)I-V曲線測(cè)試儀關(guān)鍵測(cè)量參數(shù)短路電流Isc的校準(zhǔn)符合準(zhǔn)確度等級(jí)0.2 級(jí)對(duì)應(yīng)最大允許誤差±0.2%的要求[8]。

3.3 在線校準(zhǔn)問(wèn)題分析

大型I-V曲線測(cè)試儀需在設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn),由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜,為保證校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,需特別關(guān)注外部因素對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的影響。包括:

1)本方法采用霍爾電流傳感技術(shù)測(cè)量電流,因此現(xiàn)場(chǎng)的電磁場(chǎng)環(huán)境會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響,校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)避免周邊存在大功率電磁場(chǎng)干擾源、外置線圈(如互感器)等通電設(shè)備[9]。

2)本方法主要通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù),且需要記錄瞬時(shí)數(shù)據(jù),在校準(zhǔn)前應(yīng)做好設(shè)備的接地,從而有效避免部分干擾信號(hào)的影響[10]。

3)由于在線校準(zhǔn)的環(huán)境條件復(fù)雜多變,在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中采集到的數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)突變,以圖3 為例,在實(shí)際的數(shù)據(jù)分析中需要剔除尖峰脈沖信號(hào),只在直線段A至B間選取數(shù)據(jù)[11]。

圖3 高速數(shù)據(jù)采集卡實(shí)際采集到的電壓脈沖信號(hào)

4)由于不同的I-V曲線測(cè)試儀觸發(fā)曝光時(shí)間不同,一般介于10 ms 至60 ms 之間,因此在實(shí)際測(cè)量時(shí),可根據(jù)需要調(diào)節(jié)高速數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率,從而保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

5)需要對(duì)I-V曲線進(jìn)行分析,由于數(shù)據(jù)是通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集卡的不同通道、利用不同原理采集得到的,受通道間差異、霍爾電流傳感器響應(yīng)時(shí)間等因素的影響,電壓和電流曲線不是直接對(duì)應(yīng)關(guān)系,需要準(zhǔn)確找出時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系后才能得出I-V曲線。

6)太陽(yáng)電池的最大功率也可以根據(jù)4)中得到的IV曲線換算得出。

4 結(jié)論

本文給出的太陽(yáng)電池開路電壓(Voc),短路電流(Isc)的測(cè)量方法,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)I-V曲線測(cè)試儀測(cè)量參數(shù)Voc,Isc的在線測(cè)量,解決該類儀器因體積大而送檢困難(測(cè)不了)、通用測(cè)量設(shè)備無(wú)法對(duì)該類儀器的脈沖輸出信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)性準(zhǔn)確測(cè)量(測(cè)不準(zhǔn))等問(wèn)題。經(jīng)驗(yàn)證,Voc,Isc在線校準(zhǔn)的相對(duì)示值誤差可分別控制在0.45%,0.20%的水平,滿足了JJG 124 -2005《電流表、電壓表、功率表及電阻表檢定規(guī)程》中關(guān)于電壓、電流計(jì)量性能準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5,0.2 級(jí)時(shí)對(duì)應(yīng)最大允許誤差的要求[8]。I-V曲線測(cè)試儀系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)在線校準(zhǔn)方法,為光伏產(chǎn)業(yè)該類設(shè)備的量傳溯源提供了技術(shù)支撐。