应用于太阳电池的I-V曲线测试仪在线校准方法

张楠

(广东省计量科学研究院,广东 广州 510405)

0 引言

以开路电压(Voc)和短路电流(Isc)为代表的光电参数是评估太阳电池质量可靠性的重要指标[1-2],也是太阳电池贸易结算的依据。Voc和Isc测量的准确性影响着太阳电池的技术创新及发展[3]。测量光电参数的I-V曲线测试仪是由数据采集、数据传输、数据转换、模型计算、软件控制等多环节构成的复杂系统[4],实现对I-V曲线测试仪的校准是准确测量光电参数的保证。

I-V曲线测试仪体积较大,拆卸和搬运不方便,整体送到计量实验室校准十分困难[5],且通用测量设备无法对该类仪器的脉冲输出信号进行系统性准确测量,对I-V曲线测试仪进行校准的常规方法是对仪器各个功能模块分别进行校准。这一做法费时费力,且系统中的算法模块、软件控制模块无法实现单独校准,导致无法对系统误差进行准确评估。本文通过对太阳电池Voc和Isc测量方法的研究和测量技术的开发,实现了对Voc和Isc两个参数的在线测量,将Voc,Isc的标准值与示值进行比对,实现对I-V曲线测试仪的系统在线校准。

1 基本原理

图1 是太阳电池的I-V特性曲线及等效电路图,通过分析可知当电路处于开路时,电流I为零,此时的电压U即为Voc,此时的负载电阻可视为无穷大;当电路处于短路时,电压U为零,此时的电流I即为Isc,此时的负载电阻可视为零[7-8]。Voc,Isc是太阳电池重要的光电参数,影响太阳电池光电转换效率。Voc,Isc通过I-V曲线测试仪扫描采集得到[1-2],因此对I-V曲线测试仪的系统校准可通过间接校准Voc,Isc两个参数实现。

图1 太阳电池I-V 特性曲线及等效电路图

对Voc,Isc两个参数校准的关键在于对其进行实时在线采集,即外接标准测试设备与被校I-V曲线测试仪同时对Voc,Isc进行比较测量,测量过程中相互之间不产生信号干扰。外接标准测试设备所测得的数据为标准值,被校I-V曲线测试仪采集的数据为示值,示值与标准值之差即为被校I-V曲线测试仪所测Voc,Isc的绝对示值误差。

2 实验与方法

由于I-V曲线测试仪中的Voc,Isc信号持续时间均为ms 量级,普通的电学类电压、电流测试设备无法捕捉这类信号,无线电类的通用设备示波器可以实时捕捉这类信号,但其电压测量的最大允许误差一般大于0.5%,准确性无法满足校准要求。本实验采用的标准设备为多通道电压高速数据采集卡(以下简称高速数据采集卡)和霍尔电流传感器,该套设备具有采集速率高,多通道同时采集信号,可以给出拟合曲线,电压、电流测量最大允许误差可达0.05%等特点,较好地解决了I-V曲线测试仪的校准问题。其中,Voc直接在线测量得到;Isc在线采集后再换算为电流得到。如图2所示,高速数据采集卡通道1 正负接线端直接连接U两端即可实现对Voc的测量。对于Isc的测量,先借助霍尔电流传感技术完成太阳能电池对模拟太阳脉冲光信号响应情况的隔离转换,使脉冲信号转换为电流信号,再借助电流-电压转换模块将电流转换为电压,之后高速数据采集卡的通道2 完成数据采集,最后将采集到的电压转换为电流。实验中使用的高速数据采集卡、霍尔传感器均经过计量校准,数据可溯源至国家基准。

图2 I-V 曲线测试仪校准连线框图

整个实验在现场完成,测量中借助了现场的太阳组件测试仪和晶硅太阳电池组件。测量步骤为:①将太阳电池组件安装在太阳组件测试仪玻璃感光区,接通太阳电池组件与组件测试仪;②将高速数据采集卡的通道1 正负端连接在图1 中的U两端,确保通道1测量Voc参数;③将霍尔传感器的电流钳钳住太阳电池组件的导线,并将高速数据采集卡通道2 的正负端分别连接在霍尔传感器的输出端正负极,确保通道2 测量Isc参数;④确保组件测试仪的I-V曲线测试单元、高速数据采集卡均处于采集状态;⑤开启组件测试仪的太阳模拟光源模块,待其脉冲光源触发曝光的瞬间,使组件测试仪的I-V曲线测试单元、高速数据采集卡同时采集到太阳电池输出的Voc,Isc;⑥对比两者数据的差异,计算示值误差,实现对I-V曲线测试仪的校准。

3 结果与讨论

3.1 开路电压Voc的相对示值误差

太阳组件测试仪的模拟脉冲光源每触发曝光一次,记录一组标准值US、示值UI,标准值从高速数据采集卡采集的数据中选取,示值直接从I-V曲线测试仪上读取,记录10 组数据后取平均,分别得到标准值、示值的平均值,结果见表1,再根据公式(1)计算Voc的相对示值误差。

表1 开路电压Voc的相对示值误差

被校准I-V曲线测试仪所测开路电压的相对示值误差计算公式为

经过计算得到开路电压的相对示值误差为0.45%,参照JJG 124 -2005《电流表、电压表、功率表及电阻表检定规程》计量性能要求中关于准确度等级的规定,本文对I-V曲线测试仪关键测量参数开路电压Voc的校准符合准确度等级0.5 级对应最大允许误差±0.5%的要求[8]。

3.2 短路电流Isc的相对示值误差

短路电流的测量与3.1 中开路电压的测量原理相似,太阳组件测试仪的模拟脉冲光源每触发曝光一次,记录一组标准值IS、示值II,记录10 组数据后,分别计算得到短路电流Isc标准值、示值的平均值,结果见表2,再根据公式(2)计算Isc的相对示值误差。

表2 短路电流Isc的相对示值误差

被校准I-V曲线测试仪所测短路电流Isc的相对示值误差计算公式为

经过计算得到短路电流Isc的相对示值误差为0.20%,参照JJG 124 -2005《电流表、电压表、功率表及电阻表检定规程》计量性能要求中关于准确度等级的规定,本文对I-V曲线测试仪关键测量参数短路电流Isc的校准符合准确度等级0.2 级对应最大允许误差±0.2%的要求[8]。

3.3 在线校准问题分析

大型I-V曲线测试仪需在设备安装现场进行校准,由于现场环境较为复杂,为保证校准结果的准确性,需特别关注外部因素对校准数据的影响。包括:

1)本方法采用霍尔电流传感技术测量电流,因此现场的电磁场环境会对测量结果产生较大影响,校准时应避免周边存在大功率电磁场干扰源、外置线圈(如互感器)等通电设备[9]。

2)本方法主要通过高速数据采集卡采集数据,且需要记录瞬时数据,在校准前应做好设备的接地,从而有效避免部分干扰信号的影响[10]。

3)由于在线校准的环境条件复杂多变,在实际校准过程中采集到的数据可能会出现突变,以图3 为例,在实际的数据分析中需要剔除尖峰脉冲信号,只在直线段A至B间选取数据[11]。

图3 高速数据采集卡实际采集到的电压脉冲信号

4)由于不同的I-V曲线测试仪触发曝光时间不同,一般介于10 ms 至60 ms 之间,因此在实际测量时,可根据需要调节高速数据采集卡的采样频率,从而保证测量结果的准确可靠。

5)需要对I-V曲线进行分析,由于数据是通过高速数据采集卡的不同通道、利用不同原理采集得到的,受通道间差异、霍尔电流传感器响应时间等因素的影响,电压和电流曲线不是直接对应关系,需要准确找出时间对应关系后才能得出I-V曲线。

6)太阳电池的最大功率也可以根据4)中得到的IV曲线换算得出。

4 结论

本文给出的太阳电池开路电压(Voc),短路电流(Isc)的测量方法,可以实现对I-V曲线测试仪测量参数Voc,Isc的在线测量,解决该类仪器因体积大而送检困难(测不了)、通用测量设备无法对该类仪器的脉冲输出信号进行系统性准确测量(测不准)等问题。经验证,Voc,Isc在线校准的相对示值误差可分别控制在0.45%,0.20%的水平,满足了JJG 124 -2005《电流表、电压表、功率表及电阻表检定规程》中关于电压、电流计量性能准确度等级为0.5,0.2 级时对应最大允许误差的要求[8]。I-V曲线测试仪系统的现场在线校准方法,为光伏产业该类设备的量传溯源提供了技术支撑。