基于光伏生電原理對氙燈輻照度的測量研究

葉崗，劉澤璞，張美玲，林兆耀，文樹坡

（威凱檢測技術有限公司，廣州 510663）

引言

氙燈是目前公認的對太陽光模擬應用最為廣泛的人工老化光源。氙燈老化試驗箱是利用氙燈作為人工光源，對高分子材料進行照射，從而模擬高分子材料在自然環境中的老化過程，此方法為目前主流的老化試驗方法之一，廣泛應用于汽車、建材、光伏、涂料、塑料、紡織等多個行業。

氙燈老化試驗箱試驗主要的參數控制關鍵節點和難點在于光照強度，即氙燈光源的輻照度及總輻照量的測量。因為氙燈光源的生產一直受制于國外，存在一定的技術壁壘因此，目前國內沒有合適的計量方法對氙燈光源進行計量。

利用標準光伏電池片將光能轉化成電能，通過電信號的測量來測量氙燈老化試驗箱在試驗過程中的光照變化，可作為氙燈輻照度測量的一個新手段、新方法。

1 光伏電池工作原理

光伏電池的工作原理的基礎是利用半導體PN結的光生伏打效應：當光照射到光伏板時光伏板吸收光能，產生光生電子-空穴對，在電池內建電場作用下，電池兩端產生異號電荷的積累，從而產生光生電壓，如圖1所示。

圖1 電池兩端產生光

當光照射P-N結時，在半導體的電子由于獲得光能而釋放電子，相應的便產生電子-空穴對，并在內建電場作用下，電子被趨向N型區，空穴被趨向P型區，從而在N區有過剩電子，P區有過剩空穴，于是在PN結附近形成了內建電場相反的光生電場。光生電場一部分低消內建電場，其余部分即為光生伏特電動勢（如圖2）。

圖2 光伏電池電路圖

2 光伏電池片響應曲線與氙燈光譜匹配性

2.1 氙燈光譜分布

氙燈的光、電參數一致性好，在工作狀態受條件變化小。其發光原理是通過高頻高壓電施加于電極兩端，使燈管內的氙氣激發電離產生弧光。

氙燈所發出的光經過特殊濾鏡組合后是從近紫外、可見光、近紅外的連續光譜，在可見光范圍（300~800 nm）內，光譜能量分布較均勻，氙燈發光譜色與太陽光譜色（如圖3所示）較為相近，是一種接近太陽光的人造光源。

圖3 氙燈光譜曲線

2.2 光伏電池光譜響應

圖4 光伏電池相對光譜響應

由上述兩個圖表可以得出：

1）氙燈光譜的能量分布主要集中于（300~800）nm間。

2）光伏電池在（300~1 100）nm波段的都具有較強的響應值。

3）光伏電池的光譜響應范圍很好的覆蓋了氙燈發出能量范圍。

根據上述三點理由，由于氙燈的光譜能量主要分布與（300~800）nm之間，而光伏電池的光譜響應范圍正好在（300~1 100）nm，即氙燈發出的光能都能很好地被光伏板通過光電效應轉化為電能。理論上可以通過測量光伏電池的電流、電壓、功率等電參數從而測量氙燈的發光強度。

3 試驗設計和測試

根據上述理論分析，我們利用標準光伏電池和標準電阻及相關記錄設備搭建了一個探究氙燈光強與光伏電池的試驗電路。對光伏電池穩定性和與光強之間穩定性進行探究。

試驗方法如下：

在非常規水資源利用技術方面，分別安排了海水入侵動態監測與預測、高原城市雨水綜合利用等非常規水資源開發利用技術，結合我國水資源開源的實際需求，集成了雨水高效利用綜合技術模式，并在我國西部山區、黃土高原等缺水地區進行成功應用，促進了我國海水、雨水等非常規水資源利用技術的提升。

1）將單邊長100 mm的光伏電池板，并聯一個10 Ω的標準電阻，安裝在氙燈老化試驗箱試樣架中間層上，其余位置采用惰性不反光金屬板進行覆蓋，禁止樣品架旋轉。保證光伏板正對氙燈燈管，且光路無遮擋。試驗示意圖如圖5。

圖5 試驗搭建示意圖

氙燈光源設備設置具體參數如下：

光源設備：氙燈老化試驗；

設備型號：ATLAS CI4000；

內/外濾管：TYPE S BORO/TYPE S BORO（日光濾管）；

箱體溫度：（40±3）℃；

黑板溫度：（60±3）℃；

輻照度：0.30W/m2@340nm~0.70 W/m2@340nm[5,6]。

關閉氙燈老化箱艙門，打開氙燈光源并設置輻照強度，觀察氙燈輻照度到達并穩定在設定值，記錄此時光伏電池板輸出電壓。

通過調整氙燈輻照度設定值逐漸增大氙燈光源強度，并在輻照度達到穩定時記錄此時光伏板輸出電壓（見表1）。

考慮到氙燈光強較大，若將電池板長時間放置在試驗箱，溫度會影響電池板的發電效率，因此根據上述理由，采用長時間恒定輻照度照射對光伏電池板發電效率進行探究。

試驗操作方法與之前類似，僅將氙燈輻照度設置在0.35W/m2@340nm，當燈管點亮后且輻照度值達到穩定后記錄當前光伏板輸出電壓值，之后每10 min記錄一次，試驗時長為100 min，計算每個時間點電壓值與初始值之間的變化量，結果見表2。

表2 長時間光照發電量

4 結果和討論

測得的輸出電壓與輻照度強度見表1，輻照度與光伏發電量曲線見圖6。

表1 在不同輻照度下測得光伏板輸出值

圖6 氙燈輻照度與光伏發電量

長時間光照對光伏板發電影響曲線見圖7。

圖7 長時間光照對光伏板發電影響曲線

根據上述數據可以得出：

在（0.30W/m2@340nm~0.70W/m2@340nm）范圍內，隨著輻照度增大，發電量也隨之增大，根據輻照度與發電量曲線觀察，氙燈輻照強度與光伏發電量存在正相關關系。

考慮到氙燈試驗箱體內溫度是可以通過氣流進行調節的，在長時間光照時箱體溫度仍能夠保持在一個恒定的溫度值，光伏板表面不會因長時間光照導致表面溫度出現過度上升，從曲線上看一開始其發電量有隨著時間，但其變化量仍在可接受范圍內。

5 結束語

本文通過探究光伏電池板的光譜響應與氙燈發光光譜的切合程度，分析得出可以通過光光生伏特的特性間利用測量光伏板的發電量間接測量出氙燈發光強度，并通過實驗數據整理分析，探究光強與發電量的相關性并且研究了長時間的光照對發電量的影響程度。通過上述探究有利于后續對氙燈光強探測器的探索和研發。