太陽能電池測試中電子負載應(yīng)用

太陽能作為一種“取之不竭，用之不盡”的能源，具有普遍、安全、無害、巨大及長久的特點，現(xiàn)在在人們的生活中得到廣泛的應(yīng)用，如太陽能熱水器、太陽能空調(diào)、太陽能照明等，而這些又需要到另外一種太陽能產(chǎn)品——太陽能電池，作為一種能把太陽能從光能轉(zhuǎn)化為電能并予以保存的電力設(shè)備，與其他電池設(shè)備具有如下優(yōu)點：
(1)太陽光普照大地，沒有地域的限制無論陸地或海洋，無論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且無須開采和運輸，可以太陽能電池可以直接把太陽能轉(zhuǎn)化為電能。
(2)利用太陽能來發(fā)電，不會像火力及水力發(fā)電，不會污染環(huán)境，也不會阻攔河流，它是最清潔能源之一，在環(huán)境污染及水資源稀缺越來越嚴重的今天，這一點是極其寶貴的，而太陽能電池則可有效地把太陽能轉(zhuǎn)化為電能予以保存下來。
(3)每年到達地球表面上的太陽能輻射約相當于130萬億噸煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源，這就給太陽能電池提供了充足的能源動力。
(4)根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個意義上講，可以說太陽的能量是用之不竭的，可給太陽能電池發(fā)展一個廣闊而長遠的空間。
太陽能產(chǎn)業(yè)的成長增加了對太陽能電池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(shè)備。
通常需要測量太陽能電池的幾項關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)主要是：
●開路電壓。在電流等于0時的電池電壓。
●短路電流。當負載電阻等于0時，從電池流出的電流。
●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。
●電池的電壓值。
●電池的電流值。
● 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(shù)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(yīng)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(shè)備，包括溫度測量、掃描、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，以便在寬泛的操作范圍內(nèi)靈活地進行獨特的測試，并且達到預(yù)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)。
對于太陽能電池的測試，一般標準的電子負載就可用于測試太陽能電池。
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(xué)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、恒流、恒阻及恒功率模式下對太陽能電池進行工作。比如在恒壓模式下電子負載可以通過調(diào)節(jié)流經(jīng)自己的電流，從而調(diào)整它兩端的電壓，以保持恒定的電壓值。因此，恒壓模式可用于創(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1所示）。


圖1
其他模式，電子負載亦可通過調(diào)節(jié)流經(jīng)自己的電流的工作，從而可以調(diào)整自己的電壓值或功率直（如下列圖2、圖3、圖4）。

圖2 圖3 圖4
有些負載（如費思科技的FT6600A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(nèi)的電流波形數(shù)字化，類似于捕獲示波器曲線。
費思FT6600A能夠?qū)μ柲茈姵剡M行長時間的測試記錄計算，如電池的充放電測試記錄、內(nèi)阻計算、容量計算；電子負載有較強的程控功能和人機界面，通常具有彩色圖形顯示界面和GPIB接口。



圖5 FT6600A系列多通道可編程直流電子負載