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太阳能电池电压电流太阳能电池输出功率测试系统

通常需要测量太阳能电池的几项关键参数。这些参数是:

  ● VOC——开路电压。在电流等于0时的电池电压。

  ● ISC——短路电流。当负载电阻等于0时,从电池流出的电流。

  ● Pmax——电池的最大功率输出。电池输出最大功率时的电压值和电流值。I-V曲线(图1)上的Pmax点通常被称为最大功率点(MPP)。

这张太阳能电池的I-V曲线显示了Pmax及其与Imax和Vmax的关系

图1 这张太阳能电池的I-V曲线显示了Pmax及其与Imax和Vmax的关系

  ● Vmax——在Pmax点,电池的电压值。

  ● Imax——在Pmax点,电池的电流值。

  ● η——器件的转换效率。当太阳能电池连接到某个电路时,这个值等于被转换的能量(从吸收的太阳光到电能)与被采集的能量的百分比。这个值可以通过将Pmax除以输入的光辐照度(E,单位是W/m2,在标准测试条件下进行测量),再乘以太阳能电池的表面积(AC, 单位是平方米)计算得到。

  ● 填充因子(FF)—Pmax除以VOC再乘上ISC 。

  ● 电池二极管属性。

  ● 电池串联电阻。

  ● 电池旁路电阻(或并联电阻)。

  常见解决方案

  现在,太阳能电池测试解决方案主要有两种形式:完整的交钥匙系统和通用的测试仪器。

  如果需要在太阳能电池最大输出功率时进行测试,许多研究实验室都具备低功耗四象限电源(有时也称为SMU),并具有以下功能:

  ● 提供精确的正电压和负电压(“提供”也可称为“施加”)。

  ● 提供精确的正向和反向电流(提供反向电流也被称为电流流入到电源中)。

  ● 精确地测量待测器件(DUT)的电压和电流(测量也被称为检测)。

  大多数高精度四象限电源都只能提供3A的电流或20W的连续功率。

  在测试较小的单个电池时,这些最大电流和功率是可接受的,但是随着电池技术向更高的效率、更大的电流密度和更大的电池尺寸推进,电池的功率输出将很快会超出这些四象限电源的最大额定值。太阳能模组的输出通常会超过50W,而且可能会爬升至300W或更高,这意味着许多针对模组的测试都无法使用四象限电源来完成。

  在这些情况下,工程师应当借助于现成的电子负载、直流电源、DMM和数据采集设备,包括温度测量、扫描、转换和数据记录设备,以便在宽泛的操作范围内灵活地进行独特的测试,并且达到预期的测试精度。例如,可以使用数据采集系统来扫描环境和待测器件的温度,已校准的参考电池的电压,以及在测试中需要捕获的各种其他测试参数。

  户外测试

  有些工程师会使用交钥匙的太阳能电池测试设备来进行测试,这种设备采用一种太阳能模拟器,这是一种标准化的光源,可用于控制进入太阳能电池的光能。不过,如果太阳能电池或模组非常大,太阳能模拟器将无法产生充足的光。

  例如,被测的太阳能模组可能是大型户外太阳能采集系统的一部分。在这种情况下,太阳本身将是测试中唯一实际可用的光源。既然在户外实际上不可能运输一套无太阳能模拟器的完整的交钥匙测试系统,所以这种测试就需要使用由标准测试仪器改进而成的某些其他测试解决方案来执行。

  户外测试需要考虑的另一项因素是温度。因为电池的性能会受到温度的影响,因此需要在测试中监视温度。不仅电池性能依赖于温度,而且测试设备的性能也依赖于温度。

  许多仪器供应商没有指明他们的测试设备在温度处于室温附近极窄范围(如25℃±5℃)之外时的性能。其他供应商则提供了一项温度系数规格,能够调整测试设备的精度规范,以针对工作在其指定工作温度范围之外进行校正。

  适用于更高功率测试的负载

  对于大功率应用,标准的电子负载可用于测试太阳能电池。许多工程师不会想到使用电子负载来测试太阳能电池,因为他们习惯于使用交钥匙系统或四象限电源。

  考虑到太阳能电池会产生能量,当使用四象限电源对它进行测试时,电源的实际工作模式是:太阳能电池在电源的端子上施加一个正电压。同时,电流从太阳能电池流入四象限电源的端子,这意味着四象限电源看到的是反向电流(就其端子而言)。在这些条件下,也可以称四象限电源是“电源沉”。

  从电学上讲,两端加有正电压并有电流流入(也就是反向电流)的仪器被称为电子负载。因此,对于大多数有光照射并且太阳能电池也产生能量的太阳能电池测试而言,四象限电源实际上发挥着电子负载的作用。

  使用电子负载的优势在于这种负载可用在各种电流和功率水平。使用额定50W或高达数千瓦特和数百安培的电子负载,可以轻松克服四象限电源带来的3A,20W的限制。

  电子负载可在恒压模式下工作,也称为CV模式。在CV模式下,负载可以通过调节流经自己的电流,从而调整它两端的电压,以保持恒定的电压值。因此,CV模式可用于创建电压扫描,使用负载来控制太阳能电池输出端的电压,然后测量产生的电流(如图2所示)。

可以使用电子负载的CV模式来测量太阳能电池的I-V曲线

图2 可以使用电子负载的CV模式来测量太阳能电池的I-V曲线

  有些负载(如Agilent N3300系列)可以快速地执行一系列CV定位点,以便在CV模式下扫描输出电压,从而快速地描绘出I-V曲线。同时,负载可以将从太阳能电池流出到负载内的电流波形数字化,类似于捕获示波器曲线。

  通过画出由扫描控制的CV电压对数字化实际电流的图形,就可以创建出I-V曲线。而且因为这是通过快速扫描得到的,所以整个测试可以在大约1秒内完成,这时电池还不会因为强烈的光源而发热并发生温度变化。

  但是,许多电子负载都具有低电压工作极限,需要在负载的正负输入端之间施加最小的工作电压。常见电子负载的最小输入电压是2~3V。为了克服这个限制,可以为负载串联一个直流电源(如图3所示)。这个直流电源被称为偏置电源,因为它为负载提供了一个偏置电压。

可以使用直流偏置电源来配置电子负载

图3 可以使用直流偏置电源来配置电子负载,以便用于太阳能电池测试

  通常,偏置电源被设置为3V,以保证始终满足负载的最低电压需求。直流源的电压对太阳能电池没有任何影响,后者是电压浮动器件;直流源仅仅是将太阳能电池的电压提高了3V。更多信息

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