Тестирование ВАХ солнечной батареи

Содержание

• Для чего тестировать солнечные батареи?
• Оборудование для тестирования ВАХ солнечной батареи
• Тестирование ВАХ солнечной батареи с помощью источника-измерителя Keithley

Для чего тестировать солнечные батареи?

Солнечные или фотоэлектрические элементы — это устройства, которые поглощают фотоны от источника света, а затем высвобождают электроны, вызывая электрический ток, когда элемент подключен к нагрузке. Солнечные панели являются набором солнечных элементов, соединенных последовательно и параллельно, которые обеспечивают больше энергии, чем просто один элемент.

Исследователи и производители фотоэлектрических элементов и панелей стремятся достичь максимально возможной эффективности с минимальными потерями.

В результате электрическая характеристика элемента, а также фотоэлектрических материалов выполняется как в рамках исследований и разработок, так и в процессе производства. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тока-напряжения (I-V) элемента выполняется для получения важных параметров о производительности элемента солнечной батареи, включая его максимальный ток (Imax) и напряжение (Vmax), напряжение холостого хода (Voc), ток короткого замыкания (ISC) и его эффективность (η).

Необходимые характеристики тока и напряжения могут быть легко сгенерированы с помощью источников-измерителей Keithley 2450 или 2460, которые могут генерировать и измерять как ток, так и напряжение. Поскольку оба прибора имеют возможность четырехквадрантной работы, то они могут поглощать ток элемента в зависимости от приложенного напряжения.

Солнечный элемент может быть представлен моделью эквивалентной схемы, показанной на рисунке ниже, которая состоит из источника света (I_L); диода, генерирующего ток насыщения [I_S(eqV/kT-1)]; последовательного сопротивления (r_s) и шунтирующего сопротивления (r_sh).

Последовательное сопротивление обусловлено сопротивлением контактов, омическими потерями на поверхности элемента, концентрацией примесей и глубиной перехода. Последовательное сопротивление является важным параметром, поскольку оно уменьшает как ток короткого замыкания элемента, так и его максимальную выходную мощность. В идеале последовательное сопротивление должно быть равно нулю.

Сопротивление шунта представляет собой потери, вызванные поверхностной утечкой вдоль края элемента или дефектами кристалла. В идеале сопротивление шунта должно быть бесконечным.

Если нагрузочный резистор (R_L) подключен к освещенному солнечному элементу, то общий ток становится:

I = I_S(eqV/kT – 1) – I_L

где: I_S = ток, обусловленный насыщением диода, I_L = ток, обусловленный оптической генерацией.

Для характеристики эффективности солнечного элемента используется несколько параметров, включая максимальную точку мощности (Pmax), ток короткого замыкания (Isc) и напряжение разомкнутой цепи (Voc). Эти точки проиллюстрированы на типичной кривой прямого смещения I-V освещенного солнечного элемента.

Максимальная точка мощности (Pmax) — это произведение максимального тока (Imax) и напряжения (Vmax), где выходная мощность наибольшая. Эта точка расположена на изгибе кривой.

Оборудование для тестирования ВАХ солнечной батареи

• Один источник-измеритель Keithley 2450 или 2460.
• Четыре изолированных кабеля типа «банан» 8608 (при подключении к разъемам передней панели).
• Четыре триаксиальных кабеля, например 237-ALG-2 или 2600-ALG-2, (при подключении к разъемам на задней панели).
• Один элемент солнечной батареи.

Тестирование ВАХ солнечной батареи с помощью источника-измерителя Keithley

Схема подключения источника-измерителя Keithley 2450 к солнечному / фотоэлектрическому элементу представлена ниже.

Подключение источника-измерителя Keithley 2450 и 2460 к солнечному / фотоэлектрическому элементу может происходить как с передней, так и с задней панели. При соединении с передней панели можно использовать четыре изолированных кабеля с разъемом типа «банан», например с помощью двух наборов Keithley Instruments Model 8608 High-Performance Clip Lead Set.

Кабели FORCE LO и SENSE LO подсоединяются к выводу катода, кабели FORCE HI и SENSE HI — к выводу анода. Подключение к элементу солнечной батареи должно быть максимально близким, насколько это возможно, чтобы избежать влияния измерительных проводов на измерения.

Когда нагрузка подключена к клеммам солнечного элемента, то он будет вызывать ток.

При подключении Keithley 2450 или 2460 освещенный солнечный элемент будет вызывать ток, протекающий в выходные клеммы прибора, который действует как электронная нагрузка и поглощает ток.

В результате измеряемый ток будет отрицательным.

Преимуществом графических источников-измерителей является то, что результат измерения в виде графика может отображаться на передней панели самого прибора.

Источники-измерители Keithley 2450 и 2460 могут дистанционно управляться с помощью команд SCPI или TSP через интерфейсы LAN, USB или GPIB. Пример программирования модели 2460 для автоматизации I-V характеристик на фотоэлектрической панели был выполнен с использованием поликристаллической кремниевой солнечной панели. Для данного испытания модель 2460 была запрограммирована на развертку напряжения от 0 В до 20 В за 115 шагов и измерение результирующего тока при четырехпроводном подключении. Тест на фотоэлектрической панели был выполнен при включенном свете (LightON) и в темноте (LightOFF). Измеренный ток на графике при включенном свете (LightON) отрицательный.

Кроме того, прибор может быть запрограммирован при помощи команд SCPI или TSP на отображение пользовательского текста на дополнительном экране USER. После завершения тестирования там отобразятся значения максимальной выходной мощности (Pmax), тока короткого замыкания (ISC), напряжения холостого хода (VOC).