多波段LED太阳模拟器及其测试系统的研制

李 超，邵剑波，席 曦*，朱益清，刘桂林，王 晓，钱维莹，陈如龙，朱华新，李果华

(1. 江南大学 理学院，江苏 无锡 214000； 2. 江苏省轻工光电工程技术研究中心，江苏 无锡 214000；3. 无锡尚德太阳能电力有限公司，江苏 无锡 214000)

1 引 言

太阳模拟器作为一种人工光源，能够提供自然光所具有的辐照特性，广泛用于太阳能电池的检测与标定[1]。目前，太阳电池的测试光源大部分采用的是传统的氙灯[2-4]，这种光源经过光谱修正可以满足测试所需，但是它在近红外波段的光谱较强，且成本高、寿命短、功耗大[5-6]。发光二极管(LED)是一种成本低、能耗小、寿命长的光源，相比于氙灯，还具有光强可控的特点[5]。根据光谱叠加原理，通过调节不同LED光源的组分比例，可以实现对日光光谱的模拟[7-8]。2003年，日本东京农工大学的Kohraku和Kurokawa采用多种小功率LED，首次研制出了基于LED光源的太阳模拟器[9]。2008年，李果华发布了国内首个太阳模拟器[10]。自此，LED太阳模拟器开始受到关注并取得了巨大的研究进展。由于LED的可控性，该太阳模拟器兼具了单色光测试、稳态瞬态测试等功能，这是传统氙灯模拟器无法做到的，也正因为如此，开发一套新的测试系统就显得尤为必要。

本文设计出一种基于11种波段LED的太阳模拟器，经过交流-直流(AC-DC)变换以及降压电路之后，实现了各个波段LED的单独可调，最终在光谱匹配、辐照不均匀度和辐照不稳定度上均达到IEC60904-9-2007[11]规定的A级标准[12-13]。为了提供配套的测试系统，基于National InstrumentsTM公司的虚拟仪器开发软件Labview、数学软件MATLAB以及数据采集卡，开发出太阳电池测试系统。该系统可以实时获取太阳电池的I-V特性曲线、开路电压、短路电流、填充因子、光电转换效率等性能参数，同时可以对多波段的LED进行控制。此外，研究发现，测试过程中的环境温度、辐照温度等因素会对太阳电池的开路电压、短路电流等参数造成影响[14-15]，为了提高测试的准确性，需要修正温度带来的测试误差，因此编写了温度修正算法，将测试数据修正到标准测试条件。通过实验验证，系统可以对硅太阳电池片进行准确的测试。

2 系统组成

系统组成如图1所示，整体可以分为三部分。首先太阳模拟器作为光源，为太阳电池提供稳定可靠的辐照，且各参数均达到了AM1.5标准[11]。其中，直流稳压电源完成AC-DC变换，降压电路具有5A负载驱动能力，切合本系统的需求。

其次，采样电路将太阳电池的电流输出转化为电压信号，并通过仪表放大器进行滤波放大，数据采集卡对电压进行采集，并通过串口传送至PC端。

最后，在测试软件中进行数据处理，同时温度探测模块采集到的实时温度可用于太阳电池的参数修正。此外，软件可以通过继电器对LED进行开关控制，以满足不同条件的测试需求。

图1 系统组成

3 LED太阳模拟器设计

3.1 模拟器指标

太阳模拟器的指标主要涉及到光谱匹配、辐照不均匀度、长期不稳定度3个参数。中国太阳模拟器通用标准[16]与英国IEC60904-9-2007[11]中都对太阳模拟器的等级及其对应指标作出了明确规定。太阳电池的标准测试条件要求在辐照面上满足AM1.5太阳光谱辐照度分布，且达到1 000 W/m2的光功率。常规单晶硅太阳电池片的面积为159 mm×159 mm，因此本文选用该区域作为测试面。

3.2 光谱匹配实现

为了实现各个波段范围的光谱匹配，采用11种单色大功率LED作为光源，组合成对称的LED阵列。本设计采用的LED型号为欧司朗SOLERIQ单色系列。由于LED可控性强，光强可以通过调节驱动电流进行控制，最终将各个波段范围的比重调节至满足A级标准，测试结果如图2所示。

图2 太阳模拟器光谱分布

3.3 不均匀度实现

辐照不均匀度的计算公式为：

E=[(Emax-Emin)/(Emax+Emin)]×100%,

(1)

其中，Emax是有效辐照范围内测得的最大辐照强度，Emin是有效辐照范围内测得的最小辐照强度。辐照不稳定度是指在指定测试点上辐照强度的波动。由于太阳电池的短路电流可以直接反映辐照光的强度，因此调节过程中，利用规格为2 cm×2 cm且标定过的硅太阳电池片进行短路电流测试，将辐照面划分为64个面积相同的区域，根据测试结果绘制了分布热图，如图3所示。经计算，在辐照面上的不均匀度为1.81%，满足A级标准。

图3 不均匀度测试结果

3.4 长期不稳定度

IEC60904-9-2007标准规定的3个不稳定度测试点如图4(a)所示,P1点位于测试面中心，P3点位于测试面顶点，P2点为P1、P3连线上的任意一点。在辐照面上用标定过的太阳电池片测试短路电流的波动情况，测试结果如图4(b)。P1、P2、P3 3个点的长期不稳定度分别为0.997%、0.630%、0.875%。

图4 辐照不稳定度。(a)测试点分布示意图；(b)测试结果。

Fig.4 Instability of the irradiance. (a) Distribution point of instability test of irradiance. (b) Test result.

4 硬件设计

4.1 测试方法

太阳电池是恒流源[17]，测试过程中，通过不断改变外加负载可以达到改变测试回路电流的目的[18]，从而得到回路的I、V数据。由图5所示的伏安特性曲线可知，当负载为0时，等效为太阳电池的短路状态，此时的回路电流即为短路电流；当负载趋近于∞时，等效为太阳电池的开路状态，此时的负载电压值即为开路电压。

图5 测试过程示意图

但是，直接改变负载的测试方法存在如下问题：负载变化通常不连续，且不存在理想状态下阻值为0的负载。因此，可以采用外加偏压的方法，用于抵消光电压，这种方法具有以下优点：

(1)实现了电压的连续变化，等效于负载的变化过程；

(2)负载电压可以由程序控制，且步长、方向可调，能够满足不同条件下的电池片测试需要(如正反向扫描)。

设回路电流为I，数据采集卡的输入电压为Ui，则：

Ui=kIR,

(2)

其中，k为采样电路的放大倍数，R为采样电阻的阻值。当外加偏压U0从0增大到直至回路电流为0时，即完成了一次测试扫描。

4.2 采样电路

本系统中采样电路完成了电流采集的功能，兼具硬件滤波作用。原理图如图6所示。

图6 采样电路原理图

5 软件设计

软件设计流程图如图7所示。主要过程包括：参数设定、采样、数据处理、参数计算和修正。

图7 软件设计流程图

5.1 数据处理

为了得到更为精确的太阳电池参数，首先要对数据进行软件滤波，以去除数据噪点，得到更为理想的测试数据。使用MATLAB的移动平均滤波算法可以实现数据的去噪和平滑化，有利于进行参数计算。其次，进行回路电流的还原。数据采集卡采集到的是经过放大后的采样电阻电压值，因此利用公式(2)可将其还原为电流值。信号采集过程中，利用移位寄存器，不断更新采集数据并同步显示，最终将处理后的数据保存至本地，方便后续的参数计算。各参数的具体计算方法在MATLAB script中实现。

5.2 修复算法

太阳电池的参数会随温度变化，具体表现为：随着温度的升高，开路电压减小，短路电流增加，太阳电池效率降低[19-20]。机理为：温度上升时，禁带宽度下降，导致暗电流增加，开路电压降低，同时更多的光生载流子被激发，串联电阻下降，短路电流增加。两者共同作用下，效率产生衰减[20]。由此可见，如何克服温度带来的影响就显得至关重要。此外，测试参数还会由于光谱失配产生误差[21]，但是由于本文所用的LED太阳模拟器光源的光谱匹配度满足A级标准，所以产生的误差可以忽略不计。

太阳电池测试过程中，引起温度变化的因素主要是模拟器辐照。通过温度采集模块可以实时获取测试面的温度，进而通过计算，将测试数据修正到25 ℃条件下。光伏器件实测特性和辐照度修正方法标准(IEC 60891-2009)提出的修正公式[22]为：

I2=I1+α(T2-T1),

(3)

V2=V1+β(T2-T1)-kI2(T2-T1),

(4)

其中，α是短路电流的温度系数，β是开路电压的温度系数，k是曲线修正因子。对于本测试系统，I1、V1分别是标准温度(25 ℃)下的测试数据，I2、V2分别是将T2条件下的数据修正后的结果。

经过不同温度下的测试以及MATLAB程序的拟合，得到开路电压、短路电流与温度的关系如图8所示。

调整k的值，使得8组I-V曲线最大功率的极差最小。结果证明，不同温度下的数据可以很好地修正到25 ℃条件下，如图9所示。

图8 Voc、Isc与温度的关系。(a)V-T；(b)I-T。

Fig.8 Relationship betweenVoc，Iscand temperature. (a)V-T. (b)I-T.

最终确定的修正公式如下：

I2=I1+0.0005(T2-25),

(5)

V2=V1-(2.4357e-4)(T2-25)-

(3.8e-6)I2(T2-25).

(6)

图9 温度修正结果。(a)修正前；(b)修正后。

Fig.9 Temperature calibration result. (a) Before calibration. (b) After calibration.

6 测试结果

使用LED太阳模拟器和测试软件对159 mm×159 mm的单晶硅太阳电池片进行测试，测试界面如图10。

对电池片在同一条件下进行5组测试，结果如表1(电池片为无锡尚德太阳能电力有限公司提供的单晶PERC电池)。

对电池片分别在25,35,45,55 ℃4个不同温度下进行4组测试，结果如表2。

由表1可知，各项参数测试结果的标准差均在0.205%以内，说明测试结果稳定，验证了测试系统的稳定性。由表2可知电池效率的相对误差最大为0.64%，相比于图9(a)中未修正的结果，各参数误差均有所降低，说明系统可以在短时间内对曲线进行修正和参数计算，证明实验所用的光源是稳定的，且测试软件的修复算法可以达到预期目的。

图10 测试界面

组别开路电压/V短路电流/A最大功率/W填充因子效率/%10.6779.4194.9810.78120.54120.6789.4194.9820.78020.57130.6789.4214.9850.78020.57640.6789.4184.9810.78020.56950.6779.4184.9850.78220.539标准差0.000 550.001 220.002 050.000 890.000 31

表2 测试结果2

7 结 论

本文利用多种波段组成的LED阵列、光学系统以及自主设计的LED驱动电路，开发出满足太阳电池测试所需的太阳模拟器，且在光谱匹配、不均匀度、不稳定度上满足IEC60904-9-2007规定的A级标准。同时，自主设计了配套的测试系统，兼具光源控制、数据处理、温度修正、参数计算功能。经实验测试，光源和测试系统均可以稳定运行，且测试结果的误差很小，完全可以满足实际测试要求。此外，相比于传统的测试系统，成本大大降低，可满足实际工业和生产中的测试需求。

致谢：感谢南京黛傲光电科技公司对本文工作提供的支持，感谢无锡尚德太阳能电力有限公司为本文实验提供的电池片。