應用于太陽電池的I-V曲線測試儀在線校準方法

張楠

(廣東省計量科學研究院,廣東 廣州 510405)

0 引言

以開路電壓(Voc)和短路電流(Isc)為代表的光電參數是評估太陽電池質量可靠性的重要指標[1-2],也是太陽電池貿易結算的依據。Voc和Isc測量的準確性影響著太陽電池的技術創新及發展[3]。測量光電參數的I-V曲線測試儀是由數據采集、數據傳輸、數據轉換、模型計算、軟件控制等多環節構成的復雜系統[4],實現對I-V曲線測試儀的校準是準確測量光電參數的保證。

I-V曲線測試儀體積較大,拆卸和搬運不方便,整體送到計量實驗室校準十分困難[5],且通用測量設備無法對該類儀器的脈沖輸出信號進行系統性準確測量,對I-V曲線測試儀進行校準的常規方法是對儀器各個功能模塊分別進行校準。這一做法費時費力,且系統中的算法模塊、軟件控制模塊無法實現單獨校準,導致無法對系統誤差進行準確評估。本文通過對太陽電池Voc和Isc測量方法的研究和測量技術的開發,實現了對Voc和Isc兩個參數的在線測量,將Voc,Isc的標準值與示值進行比對,實現對I-V曲線測試儀的系統在線校準。

1 基本原理

圖1 是太陽電池的I-V特性曲線及等效電路圖,通過分析可知當電路處于開路時,電流I為零,此時的電壓U即為Voc,此時的負載電阻可視為無窮大;當電路處于短路時,電壓U為零,此時的電流I即為Isc,此時的負載電阻可視為零[7-8]。Voc,Isc是太陽電池重要的光電參數,影響太陽電池光電轉換效率。Voc,Isc通過I-V曲線測試儀掃描采集得到[1-2],因此對I-V曲線測試儀的系統校準可通過間接校準Voc,Isc兩個參數實現。

圖1 太陽電池I-V 特性曲線及等效電路圖

對Voc,Isc兩個參數校準的關鍵在于對其進行實時在線采集,即外接標準測試設備與被校I-V曲線測試儀同時對Voc,Isc進行比較測量,測量過程中相互之間不產生信號干擾。外接標準測試設備所測得的數據為標準值,被校I-V曲線測試儀采集的數據為示值,示值與標準值之差即為被校I-V曲線測試儀所測Voc,Isc的絕對示值誤差。

2 實驗與方法

由于I-V曲線測試儀中的Voc,Isc信號持續時間均為ms 量級,普通的電學類電壓、電流測試設備無法捕捉這類信號,無線電類的通用設備示波器可以實時捕捉這類信號,但其電壓測量的最大允許誤差一般大于0.5%,準確性無法滿足校準要求。本實驗采用的標準設備為多通道電壓高速數據采集卡(以下簡稱高速數據采集卡)和霍爾電流傳感器,該套設備具有采集速率高,多通道同時采集信號,可以給出擬合曲線,電壓、電流測量最大允許誤差可達0.05%等特點,較好地解決了I-V曲線測試儀的校準問題。其中,Voc直接在線測量得到;Isc在線采集后再換算為電流得到。如圖2所示,高速數據采集卡通道1 正負接線端直接連接U兩端即可實現對Voc的測量。對于Isc的測量,先借助霍爾電流傳感技術完成太陽能電池對模擬太陽脈沖光信號響應情況的隔離轉換,使脈沖信號轉換為電流信號,再借助電流-電壓轉換模塊將電流轉換為電壓,之后高速數據采集卡的通道2 完成數據采集,最后將采集到的電壓轉換為電流。實驗中使用的高速數據采集卡、霍爾傳感器均經過計量校準,數據可溯源至國家基準。

圖2 I-V 曲線測試儀校準連線框圖

整個實驗在現場完成,測量中借助了現場的太陽組件測試儀和晶硅太陽電池組件。測量步驟為:①將太陽電池組件安裝在太陽組件測試儀玻璃感光區,接通太陽電池組件與組件測試儀;②將高速數據采集卡的通道1 正負端連接在圖1 中的U兩端,確保通道1測量Voc參數;③將霍爾傳感器的電流鉗鉗住太陽電池組件的導線,并將高速數據采集卡通道2 的正負端分別連接在霍爾傳感器的輸出端正負極,確保通道2 測量Isc參數;④確保組件測試儀的I-V曲線測試單元、高速數據采集卡均處于采集狀態;⑤開啟組件測試儀的太陽模擬光源模塊,待其脈沖光源觸發曝光的瞬間,使組件測試儀的I-V曲線測試單元、高速數據采集卡同時采集到太陽電池輸出的Voc,Isc;⑥對比兩者數據的差異,計算示值誤差,實現對I-V曲線測試儀的校準。

3 結果與討論

3.1 開路電壓Voc的相對示值誤差

太陽組件測試儀的模擬脈沖光源每觸發曝光一次,記錄一組標準值US、示值UI,標準值從高速數據采集卡采集的數據中選取,示值直接從I-V曲線測試儀上讀取,記錄10 組數據后取平均,分別得到標準值、示值的平均值,結果見表1,再根據公式(1)計算Voc的相對示值誤差。

表1 開路電壓Voc的相對示值誤差

被校準I-V曲線測試儀所測開路電壓的相對示值誤差計算公式為

經過計算得到開路電壓的相對示值誤差為0.45%,參照JJG 124 -2005《電流表、電壓表、功率表及電阻表檢定規程》計量性能要求中關于準確度等級的規定,本文對I-V曲線測試儀關鍵測量參數開路電壓Voc的校準符合準確度等級0.5 級對應最大允許誤差±0.5%的要求[8]。

3.2 短路電流Isc的相對示值誤差

短路電流的測量與3.1 中開路電壓的測量原理相似,太陽組件測試儀的模擬脈沖光源每觸發曝光一次,記錄一組標準值IS、示值II,記錄10 組數據后,分別計算得到短路電流Isc標準值、示值的平均值,結果見表2,再根據公式(2)計算Isc的相對示值誤差。

表2 短路電流Isc的相對示值誤差

被校準I-V曲線測試儀所測短路電流Isc的相對示值誤差計算公式為

經過計算得到短路電流Isc的相對示值誤差為0.20%,參照JJG 124 -2005《電流表、電壓表、功率表及電阻表檢定規程》計量性能要求中關于準確度等級的規定,本文對I-V曲線測試儀關鍵測量參數短路電流Isc的校準符合準確度等級0.2 級對應最大允許誤差±0.2%的要求[8]。

3.3 在線校準問題分析

大型I-V曲線測試儀需在設備安裝現場進行校準,由于現場環境較為復雜,為保證校準結果的準確性,需特別關注外部因素對校準數據的影響。包括:

1)本方法采用霍爾電流傳感技術測量電流,因此現場的電磁場環境會對測量結果產生較大影響,校準時應避免周邊存在大功率電磁場干擾源、外置線圈(如互感器)等通電設備[9]。

2)本方法主要通過高速數據采集卡采集數據,且需要記錄瞬時數據,在校準前應做好設備的接地,從而有效避免部分干擾信號的影響[10]。

3)由于在線校準的環境條件復雜多變,在實際校準過程中采集到的數據可能會出現突變,以圖3 為例,在實際的數據分析中需要剔除尖峰脈沖信號,只在直線段A至B間選取數據[11]。

圖3 高速數據采集卡實際采集到的電壓脈沖信號

4)由于不同的I-V曲線測試儀觸發曝光時間不同,一般介于10 ms 至60 ms 之間,因此在實際測量時,可根據需要調節高速數據采集卡的采樣頻率,從而保證測量結果的準確可靠。

5)需要對I-V曲線進行分析,由于數據是通過高速數據采集卡的不同通道、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時間等因素的影響,電壓和電流曲線不是直接對應關系,需要準確找出時間對應關系后才能得出I-V曲線。

6)太陽電池的最大功率也可以根據4)中得到的IV曲線換算得出。

4 結論

本文給出的太陽電池開路電壓(Voc),短路電流(Isc)的測量方法,可以實現對I-V曲線測試儀測量參數Voc,Isc的在線測量,解決該類儀器因體積大而送檢困難(測不了)、通用測量設備無法對該類儀器的脈沖輸出信號進行系統性準確測量(測不準)等問題。經驗證,Voc,Isc在線校準的相對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程》中關于電壓、電流計量性能準確度等級為0.5,0.2 級時對應最大允許誤差的要求[8]。I-V曲線測試儀系統的現場在線校準方法,為光伏產業該類設備的量傳溯源提供了技術支撐。