1. Постановка задачи

Для увеличения эффективности фотоэлектрических преобразователей на основе полупроводниковых p-n-переходов, в первую очередь, требуется изучение основных показателей работы реально действующих солнечных элементов и модулей. Основной инструмент для этого - измерение их темновых и световых вольтамперных характеристик, при обработке которых получаем несколько параметров, которые позволяют оценить технологию изготовления приборов, возможность воспроизводимости и прогнозирования результатов и, наконец, путей достижения предельных значений к.п.д., определяемых фундаментальными законами физики.

Для измерения вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов типа диода существует много серийных приборов, такой даже имеется среди виртуальных инструментов Nl ELVIS. Но для измерения солнечных элементов и модулей необходимо прикладывать и измерять токи и напряжения в диапазоне 0-50А и -100В - +100В, соответственно, и управлять мощным источником света. При этом последовательное сопротивление солнечного элемента порядка 10"³Ом. Плюс необходимо обработать полученные данные. Измерительные приборы фирмы National Instruments в связке со средой программирования LabVIEW плюс DIAdem идеально подходят для этого.

К тому же, у нас, как, вероятно, у других, имеется в эксплуатации много хороших, но с устаревшим аналоговым интерфейсом, измерительных установок (оптических и др.). Использование плат сбора данных NI позволяет достаточно легко и комплексно «осовременить» их, придав им цифровой интерфейс и управление. Именно по такому пути пошли мы, первым шагом является представляемая работа.

2. Описание решения

Рисунок 1- Эквивалентная схема фотоэлемента

Цель данной работы состоит в измерении вольтамперной характеристики солнечных элементов и модулей, нахождении девяти параметров l_sc, V_oc, I_m, V_m, FF, A, l₀, R_s, R_P, по экспериментальной характеристике, упрощенно описываемой уравнением [1]:

Эквивалентная схема солнечного элемента представлена на рис. 1.

где I, lo, l_Ph— ток, обратный ток насыщения p-n-перехода и фототок, соответственно; q — заряд электрона; Т — абсолютная температура, К — постоянная Больцмана; V напряжение; коэффициент А, отражающий степень приближения параметров реального прибора к характеристикам идеального. Для реального солнечного элемента характерно наличие последовательного сопротивления R_s (сопротивления p-n-перехода, контактных слоев, р- и n -областей элемента, переходные сопротивления металл-полупроводник) и шунтирующего сопротивления R_p, отражающего возможные поверхностные и объемные утечки тока по сопротивлению, параллельному p-n-переходу. Рекомбинационный ток насыщения I₀ зависит от времени жизни носителей в области перехода и от собственной концентрации носителей. В данной работе для расчета используется одна экспериментальная световая вольтамперная характеристика. Вычисления проводятся при больших, но не бесконечных сопротивлениях шунта и относительно малых последовательных сопротивлениях.

Эти параметры рассчитывались в ряде работ [2-4] различными способами, при этом довольно сильно различаются. Использование двухэкспонентциальной модели расчетов дает очень точные результаты, но математическая сложность значительно возрастает.

Силовые блоки для установки снятия вольтамперных характеристик кремневых солнечных элементов и модулей

Как видно из спецификаций таких плат, ток выходного сигнала и измеряемое напряжение находятся в узких пределах, поэтому нами были разработаны и изготовлены дополнительные силовые блоки, расширяющие возможности этой платы и позволяющие измерять вольтамперные характеристики широкого ассортимента солнечных элементов и батарей.

На рис. 2 и 3 показаны схемы дополнительных силовых блоков, разработанных и изготовленных нами для измерения вольтамперных характеристик солнечных элементов и батарей с помощью этой платы. В них производится согласование сигналов измеряемого и измерительного приборов, управление мощными источниками света согласно задаваемым с лицевой панели временным задержкам. Эти задержки необходимы для минимизации электрического и теплового воздействия на измеряемые объекты

В блоке на рис. 2 реализованы две схемы измерения:

- Варьируемой нагрузки, т.е., в идеале, сопротивление нагрузки должно меняться от 0 до ∞. Но т.к. сопротивление открытого полевого транзистора мало, но все-таки отлично от нуля, то невозможно получить вольтамперную характеристику при U=0, т.е. I_K3 можно получить только интерполяцией кривой в эту точку. Это создает дополнительные погрешности.

- Формирования сканирующего напряжения путем усиления мощной микросхемой выходного сигнала платы, параметры и форму которого можно задавать программно. Это очень универсальный подход, но для охвата всего спектра солнечных элементов и модулей необходимы мощные блоки питания и усилители, работающие на низкоомную нагрузку. Мы смогли реализовать в такой схеме измерение I_K3 до 5.5А.

Рисунок 2 - Силовой блок для измерения вольтамперных характеристик солнечных элементов и батарей методами варьируемой нагрузки и с усилителем для формирования сканирующего сигнала

В блоке на рис. 3 реализована схема измерения вольтамперных характеристик солнечных элементов и батарей с «трансформаторным» формированием сканирующего сигнала, т.е. напряжение для сканирования берется с понижающего трансформатора и, следовательно, ограничено только мощностью трансформатора. При этом напряжение можно менять только ступенчато, прямое и обратное напряжение одинаково по величине, что, при некотором значении, может привести к пробою тестируемого прибора.

Рисунок 3 - Силовой блок для измерения вольтамперных характеристик солнечных элементов и батарей с «трансформаторным» формированием сканирующего сигнала

Возможность оперативного подключения того или иного силового блока с учетом вышеизложенных особенностей их работы, позволяет проводить измерения вольтамперных характеристик любых солнечных элементов и модулей.

Для минимизации последовательного сопротивления соединительных цепей при измерении вольтамперных характеристик СЭ, используется контактный блок (рис.4).

Рисунок 4 - Контактный блок для измерения вольтамперных характеристик солнечных элементов

Для управления процессом измерения и обработки вольтамперных характеристик, удобного представления получаемых данных была написана программа виртуального измерительного прибора в среде LabVIEW+DIADem. В программе обработки экспериментальных данных FF, КПД, A, I, R_посл и R_шунт вычислялись различными методами.

Обработка вольтамперных характеристик солнечных элементов

Обработка вольтамперных характеристик с целью вычислений основных параметров солнечных элементов велась в одноэкспонентциальном приближении согласно работе [2-4].

Управляющая программа для установки измерения вольтамперных характеристик кремневых солнечных элементов и батарей.

Управляющая программа, необходимая для установки измерения вольтамперных характеристик кремневых солнечных элементов и батарей показана на рисунке 5.

На участке (а) мы включаем источник света, при этом лампа должна разогреться. На участке (б) производятся измерения. На участке (в) происходит отображения промежуточных данных. На участке (г) мы производим математический обсчет во внешней обрабатывающей программе. И на участке (д) обрабатываются вольтамперные характеристики с целью расчета основных параметров солнечных элементов и батарей.

Эти основные параметры солнечных элементов и батарей могут записываться на диск и могут отображаться в виде стандартизованного отчета, который отображает, окончательный результат.

Измерение вольтамперных характеристик кремневых солнечных элементов.

На рис. 6 для примера показаны скриншоты ВП при измерении вольтамперных характеристик кремневого кристаллического солнечного элемента, который вырезан из слитка d=145 мм, пвсевдоквадрат 120×120 мм² .

На рис. 7 показаны скриншоты ВП при измерении вольтамперных характеристик кремневой батареи, которая состоит из четырех монокристаллических элементов d=76 мм.

а)

б)

Рисунок 6 - Скриншоты ВП при измерении ВАХ кремневого солнечнего элемента, а) темновая; б) световая

а)

б)

Рисунок 7 - Скриншоты ВП при измерении ВАХ кремневой батареи, а) темновая; б) световая

4. Внедрение и развитие решения.

Вычисление параметров вольтамперных характеристик солнечных элементов и модулей - отдельная математическая задача, решением которой продолжают заниматься во всем мире, поэтому варианты экспресс-обработки, примененные в этой работе, далеки от совершенства. Не хватает встроенных математических возможностей даже DIAdem, необходимо использовать специализированные программы сторонних производителей. Естественно, такие расчеты потребуют значительно большего времени. Необходимо встроить в программу различные по сложности методы обработки с возможностью конкретного выбора пользователем через интерфейс. Использование плат сбора данных с интерфейсом PCMCIA или USB с питанием через интерфейс позволяет сделать вариант установки для тестирования солнечных модулей и энергетических установок в полевых условиях.

А если учесть, что мировой ежегодный прирост выпуска солнечных элементов и модулей более 40%, а измерение вольтамперных характеристик - основной метод оценки их качества и эксплуатационных характеристик на всех этапах - от лабораторной разработки до эксплуатации фотоэнергетических систем -востребованность в таких гибких и легко адаптируемых приборах обеспечена.

5. Используемое оборудование и ПО.

В данной работе использовались платы сбора данных фирмы National Instruments PCI-6521 и USB-6009, программа написана в среде LabVIEW 7.1 с выполнением части вычислений в DIAdem 10.0. Ввиду того, что математические возможности более поздних версий LabVIEW расширились, возможно, в них всю математическую обработку можно сделать, не передавая данные для расчетов в DIAdem.

Список литературы

1. Колтун М.М. «Солнечные элементы» М, :Наука, 1987-192с.

2. Евдокимов В.М. Расчет последовательного и шунтирующего сопротивлений по вольтамперной характеристике солнечного элемента//Гелиотехника. 1972, №6, С. 16-22

3. Егоров В. С, Зайцева А.-К. и др. Способ определения последовательного сопротивления фотопреобразователя, Авт. свид., № 268541, 1969

4. Andreas Wagner Peak-Power And Internal Series Resistance Measurement Under Natural Ambient Conditions // EuroSun 2000, June 19-22, 2000

5. Amit Jain, Avinashi Kapoor A new method to determine the diode ideality factor of real solar cell using Lambert W-function // Solar Energy Materials & Solar Cells, 85 (2005) p.p.391-396

6. Adelmo Ortiz-CondeD, Francisco J. Garcsra Sar’nchez, Juan Muci New method to extract the model parameters of solar cells from the explicit analytic solutions of their illuminated I-V characteristics// Solar Energy Materials & Solar Cells, 90 (2006) p.p.352-361