太陽能電池輸出功率測試系統(tǒng)

　　太陽能產(chǎn)業(yè)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，這就要求采用更加靈活的測試設備。

　　通常需要測量太陽能電池的幾項關鍵參數(shù)。這些參數(shù)是：

　　● VOC——開路電壓。在電流等于0時的電池電壓。

　　● ISC——短路電流。當負載電阻等于0時，從電池流出的電流。

　　● Pmax——電池的最大功率輸出。電池輸出最大功率時的電壓值和電流值。I-V曲線(圖1)上的Pmax點通常被稱為最大功率點(MPP)。

　　圖1 這張?zhí)柲茈姵氐腎-V曲線顯示了Pmax及其與Imax和Vmax的關系

　　● Vmax——在Pmax點，電池的電壓值。

　　● Imax——在Pmax點，電池的電流值。

　　● η——器件的轉換效率。當太陽能電池連接到某個電路時，這個值等于被轉換的能量(從吸收的太陽光到電能)與被采集的能量的百分比。這個值可以通過將Pmax除以輸入的光輻照度(E，單位是W/m2，在標準測試條件下進行測量)，再乘以太陽能電池的表面積(AC, 單位是平方米)計算得到。

　　● 填充因子(FF)—Pmax除以VOC再乘上ISC 。

　　● 電池二極管屬性。

　　● 電池串聯(lián)電阻。

　　● 電池旁路電阻(或并聯(lián)電阻)。

　　常見解決方案

　　現(xiàn)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(tǒng)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(有時也稱為SMU)，并具有以下功能：

　　● 提供精確的正電壓和負電壓(“提供”也可稱為“施加”)。

　　● 提供精確的正向和反向電流(提供反向電流也被稱為電流流入到電源中)。

　　● 精確地測量待測器件(DUT)的電壓和電流(測量也被稱為檢測)。

　　大多數(shù)高精度四象限電源都只能提供3A的電流或20W的連續(xù)功率。

　　在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，工程師應當借助于現(xiàn)成的電子負載、直流電源、DMM和數(shù)據(jù)采集設備，包括溫度測量、掃描、轉換和數(shù)據(jù)記錄設備，以便在寬泛的操作范圍內靈活地進行獨特的測試，并且達到預期的測試精度。例如，可以使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來掃描環(huán)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(shù)。

　　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，這種設備采用一種太陽能模擬器，這是一種標準化的光源，可用于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(chǎn)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采集系統(tǒng)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(tǒng)，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(zhí)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(jiān)視溫度。不僅電池性能依賴于溫度，而且測試設備的性能也依賴于溫度。

　　許多儀器供應商沒有指明他們的測試設備在溫度處于室溫附近極窄范圍(如25℃±5℃)之外時的性能。其他供應商則提供了一項溫度系數(shù)規(guī)格，能夠調整測試設備的精度規(guī)范，以針對工作在其指定工作溫度范圍之外進行校正。

　　適用于更高功率測試的負載

　　對于大功率應用，標準的電子負載可用于測試太陽能電池。許多工程師不會想到使用電子負載來測試太陽能電池，因為他們習慣于使用交鑰匙系統(tǒng)或四象限電源。

　　考慮到太陽能電池會產(chǎn)生能量，當使用四象限電源對它進行測試時，電源的實際工作模式是：太陽能電池在電源的端子上施加一個正電壓。同時，電流從太陽能電池流入四象限電源的端子，這意味著四象限電源看到的是反向電流(就其端子而言)。在這些條件下，也可以稱四象限電源是“電源沉”。

　　從電學上講，兩端加有正電壓并有電流流入(也就是反向電流)的儀器被稱為電子負載。因此，對于大多數(shù)有光照射并且太陽能電池也產(chǎn)生能量的太陽能電池測試而言，四象限電源實際上發(fā)揮著電子負載的作用。

　　使用電子負載的優(yōu)勢在于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(shù)千瓦特和數(shù)百安培的電子負載，可以輕松克服四象限電源帶來的3A，20W的限制。

　　電子負載可在恒壓模式下工作，也稱為CV模式。在CV模式下，負載可以通過調節(jié)流經(jīng)自己的電流，從而調整它兩端的電壓，以保持恒定的電壓值。因此，CV模式可用于創(chuàng)建電壓掃描，使用負載來控制太陽能電池輸出端的電壓，然后測量產(chǎn)生的電流(如圖2所示)。

　　圖2 可以使用電子負載的CV模式來測量太陽能電池的I-V曲線

　　有些負載(如Agilent N3300系列)可以快速地執(zhí)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(shù)字化，類似于捕獲示波器曲線。

　　通過畫出由掃描控制的CV電壓對數(shù)字化實際電流的圖形，就可以創(chuàng)建出I-V曲線。而且因為這是通過快速掃描得到的，所以整個測試可以在大約1秒內完成，這時電池還不會因為強烈的光源而發(fā)熱并發(fā)生溫度變化。

　　但是，許多電子負載都具有低電壓工作極限，需要在負載的正負輸入端之間施加最小的工作電壓。常見電子負載的最小輸入電壓是2～3V。為了克服這個限制，可以為負載串聯(lián)一個直流電源(如圖3所示)。這個直流電源被稱為偏置電源，因為它為負載提供了一個偏置電壓。

　　圖3 可以使用直流偏置電源來配置電子負載，以便用于太陽能電池測試

　　通常，偏置電源被設置為3V，以保證始終滿足負載的最低電壓需求。直流源的電壓對太陽能電池沒有任何影響，后者是電壓浮動器件;直流源僅僅是將太陽能電池的電壓提高了3V。更多信息，請參考安捷倫科技公司提供的應用指南《太陽能電池及模組測試》(Solar Cell and Module Testing)，出版號5990-3262EN。