太陽能電池功率輸出測試解決方案

太陽能電池功率輸出測試解決方案

與非網 發表於 2020-02-05 15:34:44

序言

太陽能產業的成長增加了對太陽能電池（及太陽能模組）測試和測量解決方案的需求，而且隨著太陽能電池尺寸的增大和效率的提高，電池測試需要運用更大的電流和更高的功率水平，這就要求採用更加靈活的測試設備。

典型測量

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

在這些情況下，工程師應當藉助於現成的電子負載、直流電源、DMM和數據採集設備，包括溫度測量、掃描、轉換和數據記錄設備，以便在寬泛的操作範圍內靈活地進行獨特的測試，並且達到預期的測試精度例如，可以使用數據採集系統來掃描環境和待測器件的溫度，已校準的參考電池的電壓，以及在測試中需要捕獲的各種其他測試參數

太陽能電池測量通常包括以下關鍵參數。

開路電壓（Voc）――電流為零時的電池電壓。

短路電流（Isc）――負載電阻為零時的電池電流。

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

Pmax電壓（Vmax）――Pmax時的電池電壓。

Pmax電流（Imax）――Pmax時的電池電流。

現在，太陽能電池測試解決方案主要有兩種形式：完整的交鑰匙系統和通用的測試儀器如果需要在太陽能電池最大輸出功率時進行測試，許多研究實驗室都具備低功耗四象限電源。

器件的轉換效率（η）――在太陽能電池連接至電路時，轉換（從光能轉換為電能）和收集的功率百分比。η的計算方法為：最大功率點Pmax除以標準測試條件（STC）下的輸入光輻照度（E，單位：W/m2）和太陽能電池表面積（Ac，單位：平方米）。

● 電池二極體性能

● 電池串聯電阻

● 電池並聯電阻

圖1：太陽能電池的電流電壓曲線圖

圖中文字中英對照：

常用解決方案

目前，太陽能電池測試解決方案分為兩大類：成套系統和通用測試儀器。成套系統適用於驗證和製造測試階段。這些系統可以確保測試的可重複性，因為它們經過編程，可對太陽能電池進行一系列電池測試。

研究人員通常會使用半導體設計實驗室中的通用測試儀器。他們使用半導體器件參數分析儀測量二極體器件特性，使用LCR測量計（電感電容電阻測量計）測量材料/器件的電感、電容和電阻。

在測試整個太陽能電池輸出功率時，許多研究實驗室會使用低功率4象限電源（有時簡稱SMU），該電源可以：

精確地供應正和負電壓（供應也稱施加）；

精確地供應正和負電流（供應負電流是將電流吸入電源的過程）；

精確測量被測件的電壓和電流（測量也稱感知）。

4象限電源的用途十分廣泛，但其能夠為被測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3A或20W的連續電力。這種最大電流和功率適合小型獨立電池測試，但隨著電池技術的發展，電池的效率、電流密度和尺寸均出現了較大幅度的增長，電池功率輸出可能很快超過。

為此，工程師必須使用現有的標準電子負載、直流電源、數字萬用表、數據採集設備構成靈活的測試系統，才能在廣泛的工作範圍內對這些太陽能電池模塊進行測試，同時保證測量精度。例如，您可以使用數據採集系統掃描環境溫度、被測件溫度、校準參考電池的電壓以及其他需要在測試中捕獲的測試參數。

戶外測試

有些工程師會使用交鑰匙的太陽能電池測試設備來進行測試，這種設備採用一種太陽能模擬器，這是一種標準化的光源，可用於控制進入太陽能電池的光能不過，如果太陽能電池或模組非常大，太陽能模擬器將無法產生充足的光。

例如，被測的太陽能模組可能是大型戶外太陽能採集系統的一部分在這種情況下，太陽本身將是測試中唯一實際可用的光源既然在戶外實際上不可能運輸一套無太陽能模擬器的完整的交鑰匙測試系統，所以這種測試就需要使用由標準測試儀器改進而成的某些其他測試解決方案來執行戶外測試需要考慮的另一項因素是溫度因為電池的性能會受到溫度的影響，因此需要在測試中監視溫度不僅電池性能依賴於溫度，而且測試設備的性能也依賴於溫度。

許多儀器供應商沒有指明他們的測試設備在溫度處於室溫附近極窄範圍（如25℃±5℃）之外時的性能其他供應商則提供了一項溫度係數規格，能夠調整測試設備的精度規範，以針對工作在其指定工作溫度範圍之外進行校正。

大功率測試的負載

對於大功率應用，您可以使用標準電子負載進行太陽能電池測試。由於習慣了使用成套系統或4象限電源，許多工程師在進行太陽能電池測試時不會想到電子負載。鑑於太陽能電池可以產生能量，在使用4象限電源對其進行測試時，電源的實際工作模式如下：太陽能電池對電源的端點施加了一個正電壓。同時，電流從太陽能電池流向4象限電源的端點，意味著4象限電源觀察到的是負電流（相對其端點）。此時也可以說是4象限電源在吸收電流。在電學上，對端點施加正電壓，且電流流向自身（即吸收電流）的電源稱為電子負載。因此，對大部分太陽能電池測試來說，如果有光線照在太陽能電池上，且電池正在產生電力，4象限電源即作為電子負載使用。使用電子負載的優勢在於它可以適應所有的電流和功率：使用50W或更高（可達數千W和數百A）的電子負載，我們可以跳出4象限電源僅能提供3A、20W電能的限制。

使用電子負載的優勢在於這種負載可用在各種電流和功率水平使用額定50W或高達數千瓦特和數百安培的電子負載，可以輕鬆克服四象限電源帶來的3A，20W的限制

電子負載可在恆壓模式下工作，也稱為CV模式在CV模式下，負載可以通過調節流經自己的電流，從而調整它兩端的電壓，以保持恆定的電壓值因此，CV模式可用於創建電壓掃描，使用負載來控制太陽能電池輸出端的電壓，然後測量產生的電流。

有些負載（如M9700系列）可以快速地執行一系列CV定位點，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，負載可以將從太陽能電池流出到負載內的電流波形數位化，類似於捕獲示波器曲線

電子負載可在恆壓（或CV）模式下工作。恆壓模式下，負載將調整流經自身的電流，以調節其端點的電壓，使其保持在一個恆定值。因此，恆壓模式可用於創建電壓掃描：使用負載控制太陽能電池輸出的電壓，然後測量生成的電流（如圖2所示）。部分負載（例如Agilent N3300系列）可以快速執行CV定位點列表以掃描恆壓模式的輸出電壓，從而快速繪製I-V曲線。與此同時，負載可以將從太陽能電池流向負載的電流波形轉換成數字波形（與捕獲示波器跡線類似）。通過繪製掃描控制的CV電壓和數字轉換的實際電流圖像，您可以創建I-V曲線。由於這一切可以作為快速掃描在短時間內完成，整個測試可在大約一秒鐘的時間內實現，即在電池受熱和溫度因密集光源照射出現變化前完成。

圖2：使用CV模式下的電子負載測量I-V曲線

圖中文字中英對照：

使用V和I乘積確定最大功率

許多電子負載具有工作電壓下限，因為大部分電子負載以FET為基礎設計。要正確地傳導電流，FET需要一個流經FET的最小電壓，意味著負載的+和–輸入端點間有一個最小工作電壓。通常，電子負載的最小輸入電壓為2到3W。為電子負載串聯一個直流電源可以消除這個限制。參見圖3，用於為電子負載提供補償電壓的直流電源稱為補償電源。通常，補償電源設為3V，以確保滿足電子負載的最小電壓需求。直流電源的電壓不會對太陽能電池產生影響。直流電源是一個浮置器件，最多會將太陽能電池偏置3V。

圖3：配置用於太陽能電池測試的電子負載和補償電源

圖中文字中英對照：

結論和更多信息

全球對清潔、可再生能源的迫切需求正推動著太陽能電池技術高速發展。隨著太陽能電池尺寸的增加和效率的提升，電池測試可能會遇到更大的電流和功率，因此市場需要更靈活的測試設備。此時，成套解決方案可能無法滿足需求，工程師可以使用現有的電子負載來測試太陽能電池。如果配置和應用適當，電子負載可用於對太陽能電池或太陽能電池模塊輸出進行所有與功率相關的測量。目前市場上的電子負載可提供廣泛的電壓、電流、功率和測量精度。負載、數字萬用表和數據採集設備相結合，可以在成套系統靈活度不夠的情況下滿足您的測量需求。

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