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光伏测试网 太阳光模拟器测试专题

   太阳模拟器是用来模拟太阳光的设备,在光伏领域里,再配以电子负载、数据采集和计算等设备,可以用来测试光伏器件包括太阳电池片,太阳电池组件等)的电性能,如Pmax, Imax, Vmax,Isc,Voc,FF,Eff, Rs, Rsh以及I-V曲线等。这些参数不仅能够从一定程度上反应出电池的性能,也关系到电池最后出厂的等级和价格。因此,一台可靠的太阳模拟器,不仅对生产工艺有参考意义,更关系到产品的品质和制造厂商的利润和信誉。

   简  介

    太阳模拟器是一种在室内模拟太阳光的设备,在光伏行业,它主要用于太阳电池和组件的电性能测试、光老化试验,热板耐久试验等。

 

    太阳电池是光谱选择性器件,其光电灵敏度随太阳光谱分布变化而变化,自然阳光光谱分布不稳定会影响光伏测试结果的可重复性,而且由于自然阳光的总辐照度无法调节,对其光谱分布与标准条件光谱的差异(光谱失配)进行校正时,需要实时监测阳光光谱,但太阳光谱测量的准确度上不高。

 

    国际组织IEC规定了光伏器件的地面标准测试条件(简称STC)。地面用太阳电池来说要满足总辐照度1000W/m2,光谱分布AM1.5;航天用太阳电池来说要满足总辐照度1367W/m2,光谱分布AM0。这是一种理想条件,需要一种模拟标准太阳辐射的装置来为光伏器件测试提供光照,这种用灯光来模拟太阳辐射的装置叫做太阳能模拟器, IEC根据三个指标对不同的太阳模拟器进行了等级划分。

 

   太阳光模拟器分类

 1、按测试面积分类
      根据太阳模拟器的有效光照面积可分为两大类:单片测试仪和组件测试仪。单片测试仪常称为电池测试仪或IV测试仪,它一般用于电池片工厂后端的功率测试及分选和组件工厂前端的功率测试及分选,测试面积较小,一般为100cm2到400cm2,可以满足常规的125、156太阳电池的测试。组件测试仪,常称为太阳模拟器(solar simulator),它一般用于组件工厂后端的出厂测试,测试面积较大,一般在1000mm*2000mm左右,可以满足当前72片156晶硅组件的出厂测试。

 2、按IEC等级分类
      不论是购买电池测试仪还是组件测试仪,在购买之初最关心的就是模拟器的等级,根据IEC标准的规定,可以将太阳模拟器按IEC等级划分。和短板理论类似,IEC标准规定,在IEC等级的三个指标中,等级最差的那个作为太阳模拟器的最终等级。在行业发展的初期,大部分的模拟器没有达到A级标准,随着行业的发展,人们对性能测试中测量准确性要求的提高,大部分与性能有关的测试已经全部在A级条件下进行。因此,绝大多数的公司的产品达到了A级的要求。
 
 3、按光源脉冲时间分类
      根据根据太阳模拟器光源的脉冲特性和产生光的方式可以将太阳模拟器分为稳态模拟器、单脉冲模拟器、多次闪光模拟器。稳态模拟器使用一个稳态光源作为太阳模拟器的光源,在做IV曲线时,它无需快速的测量与信号采集,主要用于研究所及研发、认证实验室。单脉冲模拟器是通过一个持续时间为毫秒量级的亚稳态光脉冲完成IV曲线的,因此它对测试的速度要求很高,但这样有一个好处就是它无需专门的冷却装置,并且测试的速度很快。多次闪光模拟器通过多次的闪光测量完成一个IV曲线上信号的采集,由于每次闪光的光强可能不同,因此测试的重复性不是很高。对于大规模的工业生产来说,各电池组件生产线上使用最多的还是单脉冲太阳模拟器。
 4、按光源种类分类
      光源是太阳模拟器中最重要的部件,它直接影响到太阳模拟器的光谱,输出功率,以及使用的耐久性,因此我们可以根据太阳模拟器光源的不同对其进行分类 。
 

   太阳光模拟器测试原理

   一个常规的太阳模拟器由光源、储能供电电路、触发电路、电子负载、采集电路以及计算机等模块组成。图4是一个单脉冲式太阳模拟器的原理示意图。在整个太阳模拟器中,其中的关键部件可以分成六个模块,它们是:光源,储能供电模块,滤光系统,匀光系统,电子负载,软件系统。

 

 

 1、光源

    光源是太阳模拟器的重要部件,光源的选择对模拟器的设计起到关键的作用,可选的包括,氙灯,卤素灯,无极硫灯,HID灯,LED灯等。不同的光源对驱动电源,滤光光路,均匀性光路有不同的要求。在选择和设计光源时要尽量的考虑光源出射光谱与太阳光谱的匹配性,尽量减少滤光环节。

 
 光源质量三个重要标准
 a)光谱匹配度

    光谱匹配度的定义是模拟光在6个光谱范围内与太阳光的匹配程度,用百分比来表示。任何数据的偏离情况就能对模拟器匹配程度的等级进行划分。对于AAA级产品,理想的匹配百分比范围是0.75 到1.25。由于Pasan拥有更为优良的滤波镜片,使得Pasan的光源表现出色,其LMT和VLMT两个系列的光源,已达到了AA级标准,比IEC的A级标准高出一倍:SM<±12.5%, IU<1%, LIT<1%,,STI<0.5%

 
 b)辐照的均匀性
    是指在指定测试区域的辐照度应达到一定的均匀度,光照均匀性是最难达到和保持一项指标,工作面积上的强光点会导致被测电池效率产生的严重误差和其他性能的紊乱。AAA级产品就能将这种强光点对产品的影响降到最低,其空间均匀性严格控制于≤±2%。 大面积稳态太阳模拟器,需要使用复杂的光学结构。太阳模拟器常用的匀光结构有两种:一种是镜面反射、透射为主的匀光结构,它一般采用灯阵、反射镜,透镜阵列等光学器件进行组合[15-16];另一种是漫反射为主的匀光结构,主要通过封闭的漫反射环境来实现匀光。
 c)辐照的稳定性
    辐照稳定度是AAA级标准的第三项性能参数指标,它要求模拟器的输出光束长时间保持稳定的照度以确保太阳能电池效率测定的精确性,对于辐照不稳定度,还细分为长期不稳定度(LTI)和短期不稳定度(STI),分别对应整个IV测试过程中辐照度的变化和取点过程中辐照度的变化。脉冲时间对于晶体硅电池而言,是完全没有影响的,因为其响应时间(response time 或者delay time)非常短,在测试仪采集数据的时候,电池早已达到饱和。但是对于染料敏化电池、非晶硅薄膜电池尤其是多结、HIT和Sunpower等其他结构的电池,其响应时间(delay time)从几个ms到几百个ms不等,其响应时间在取点时太阳电池是 否已经饱和稳定,是个必须认真考虑的问题。
 2、电源模块
 a)稳态模拟器电源
    稳态模拟器电源的设计相对较为简单,主要是恒流和恒压以及调光控制,目前已经有很多公司生产独立的稳态电源,可以作为模块使用。需要注意的是,太阳模拟器的供电电源是大功率器件,光源的点燃瞬间一般需要大的启动电压,而气体被击穿后瞬间产生大电流,这是会在空间中产生极强的电磁波,因此需要做好EMC方面的防护,以免烧坏其他器件。另外当使用多灯照明时,需要考虑相互之间输出的功率匹配,因此一般会有一个输出反馈控制的回路。
 b)脉冲模拟器电源
    脉冲模拟器电源的设计较稳态模拟器要复杂的多,这其中的关键是毫秒量级亚稳态脉冲的获得。对于常规晶硅电池,这个亚稳态脉冲一般要求要10ms左右,对于薄膜、聚光、多结高效电池等电容效应较大的电池这种亚稳态脉冲要达到100ms左右。上海赫爽采用LC充放电网络来获得亚稳态脉冲,LC网络通过电容和电感级连的方式连接而成,最高可达到100ms,可以满足从晶硅到薄膜、多结电池的全系列测试。
 3、电子负载及数据采集
    太阳模拟器并不仅仅是一个模拟太阳光的光源,它还包括了一整套的测试系统。太阳电池是一种非线性元件,在电池/组件的性能进行测试时,一般通过测试一整条IV曲线来判断太阳电池的性能。当前业界主要使用电子负载代替真实负载进行IV曲线的测试。对于脉冲式太阳模拟器,它仅有数十毫秒甚至几毫秒的亚稳态恒定光强,要在如此短的时间内完成整条IV曲线的测试,这要求使用快速电子负载。

 

    当前太阳电池电流电压特性曲线的测试普遍采用四线制的接法,它可以消除接触电阻的影响。为了得到精确的IV曲线,在电流采样时普遍采用多点采用,不同厂家的模拟器采样点数从几百点到上万点,当采样点数很大时,这就要求有更高位的A/D转换模块,业界目前普遍采用10位到16位的AD转换器件。

 4、软件系统
    软件系统是人机交换的窗口,一个良好的系统一定要有一个良好的软件和其相匹配。对于太阳模拟器的测试模块必然也要有一个软件系统,它主要起到两个作用:一是系统控制;二是A/D采集信息的处理和分析。系统控制方面,软件系统要做到控制的便捷化、自动化,以减少人对仪器的直接操作。数据的分析与处理方面,首先是通过数据拟合出一条IV曲线,并通过这些数据给出太阳电池的相关参数,比如开路电压、短路电流、最大功率等信息,并且通过合适的算法给出串联电阻,并联电阻等信息。由于LABVIEW软件具有良好的控制功能,并且自带很多优秀的算法模块,因此当前业界普遍采用这一软件搭建测试系统软件。
     

   太阳光模拟器关键技术

 1、IEC等级
    随着产业的发展,人们对精确测量有了越来越高的要求。太阳模拟器生产厂商加入了太阳光谱匹配的竞争,这其中的佼佼者是瑞士的Pasan公司,该公司推出了更高等级的太阳模拟器,并定义为AA-AA-AA(或A+A+A+)模拟器,它的所有三个指标都比IEC标准中的A级要求提高了一倍。在2010年西班牙瓦伦西亚的第五届世界光伏会议上,他们做了提高太阳模拟器光谱匹配等级标准的建议,当前莱茵TUV,Intertek等多家认证厂家选用了这一系列的模拟器。不管这种提议是否会得到接收,其他的太阳模拟器生产厂商必须考虑到提高自身模拟器的质量以在未来的竞争中取得一席之地。在这一方面,LED太阳模拟器或许是一条发展之路,同是在24th和25届光伏会议上,Th. Swonke和A. Lo等人展示了LED灯的超高光谱匹配以及在长脉冲测试领域的应用。
 2、测试速度
    随着自动化生产线的普及,多层层压技术的出现,人们对测试仪吞吐量(throughout)的要求越来越高。只有这样才能在有限的时间和空间里产出更多的瓦数的电池,降低企业的运营成本。因此,更快,与自动化生产更匹配的太阳模拟器是未来发展的必然选择。
 3、光谱匹配度和滤光、匀光装置的简化
    更高等级要求必然有更高的光源和光路要求。光源方面,相比于传统的卤素灯,氙灯无疑是当前太阳模拟器的主流光源。尤其氙灯是较好的脉冲光源,由于脉冲模拟器对稳态模拟器的逐渐替代,基于脉冲氙灯的太阳模拟器必然有越来越多的市场。当然,随着无极灯、LED灯等新型光源的出现,不排除这些光源会有新的发展道路。
 4、低噪电子负载及电路,采样点的合理设置
    对于脉冲式太阳模拟器,它必须在短时间内完成数据的采集。对比AD采样来说,更多的采样点,意味着更高的AD位数,也意味着更高的价格,因此必须优化采样点的位置,通过适当的采样得到IV曲线,而不是一味的追求采样点数的提高。分区间及变间距采集应该是未来的发展趋势,这样可以通过低位AD模块完成高精度IV曲线的绘制,降低太阳模拟器的成本,为光伏平价上网而努力。
 5、扩展功能测试
    除了IV测试以外,太阳模拟器可以增加更多的附属功能以满足组件商更多分析需求,可测暗IV特性的三象限测试方法;提取太阳电池的串联电阻的双光强测试或单脉冲多级测试;弱光测试功能等技术越来越多的集成到太阳模拟器中。

   总  结

    太阳模拟器在光伏行业中是必不可少的测试仪器,它的技术发展体现整个光伏业的技术状况。目前在国际上广泛认可的在稳定性和一致性上有较强优势的是国外几款太阳模拟器,但是百万级的价格以及昂贵的售后服务费用,成为光伏制造业的不小开支。国内的不少科研单位和大学也一直致力于太阳模拟器的研究开发,相信太阳模拟器的技术会有大的突破。太阳能是今后人类理想的清洁能源,让我们共同努力,创造人类更加美好的明天。

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本期编辑:echo

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中国光伏测试网

2013年10月31日

 

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引用 solartest 2013-11-2 17:45
页面很干净,对模拟器了解下了功夫的

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