基于光伏生电原理对氙灯辐照度的测量研究

叶岗，刘泽璞，张美玲，林兆耀，文树坡

（威凯检测技术有限公司，广州 510663）

引言

氙灯是目前公认的对太阳光模拟应用最为广泛的人工老化光源。氙灯老化试验箱是利用氙灯作为人工光源，对高分子材料进行照射，从而模拟高分子材料在自然环境中的老化过程，此方法为目前主流的老化试验方法之一，广泛应用于汽车、建材、光伏、涂料、塑料、纺织等多个行业。

氙灯老化试验箱试验主要的参数控制关键节点和难点在于光照强度，即氙灯光源的辐照度及总辐照量的测量。因为氙灯光源的生产一直受制于国外，存在一定的技术壁垒因此，目前国内没有合适的计量方法对氙灯光源进行计量。

利用标准光伏电池片将光能转化成电能，通过电信号的测量来测量氙灯老化试验箱在试验过程中的光照变化，可作为氙灯辐照度测量的一个新手段、新方法。

1 光伏电池工作原理

光伏电池的工作原理的基础是利用半导体PN结的光生伏打效应：当光照射到光伏板时光伏板吸收光能，产生光生电子-空穴对，在电池内建电场作用下，电池两端产生异号电荷的积累，从而产生光生电压，如图1所示。

图1 电池两端产生光

当光照射P-N结时，在半导体的电子由于获得光能而释放电子，相应的便产生电子-空穴对，并在内建电场作用下，电子被趋向N型区，空穴被趋向P型区，从而在N区有过剩电子，P区有过剩空穴，于是在PN结附近形成了内建电场相反的光生电场。光生电场一部分低消内建电场，其余部分即为光生伏特电动势（如图2）。

图2 光伏电池电路图

2 光伏电池片响应曲线与氙灯光谱匹配性

2.1 氙灯光谱分布

氙灯的光、电参数一致性好，在工作状态受条件变化小。其发光原理是通过高频高压电施加于电极两端，使灯管内的氙气激发电离产生弧光。

氙灯所发出的光经过特殊滤镜组合后是从近紫外、可见光、近红外的连续光谱，在可见光范围（300~800 nm）内，光谱能量分布较均匀，氙灯发光谱色与太阳光谱色（如图3所示）较为相近，是一种接近太阳光的人造光源。

图3 氙灯光谱曲线

2.2 光伏电池光谱响应

图4 光伏电池相对光谱响应

由上述两个图表可以得出：

1）氙灯光谱的能量分布主要集中于（300~800）nm间。

2）光伏电池在（300~1 100）nm波段的都具有较强的响应值。

3）光伏电池的光谱响应范围很好的覆盖了氙灯发出能量范围。

根据上述三点理由，由于氙灯的光谱能量主要分布与（300~800）nm之间，而光伏电池的光谱响应范围正好在（300~1 100）nm，即氙灯发出的光能都能很好地被光伏板通过光电效应转化为电能。理论上可以通过测量光伏电池的电流、电压、功率等电参数从而测量氙灯的发光强度。

3 试验设计和测试

根据上述理论分析，我们利用标准光伏电池和标准电阻及相关记录设备搭建了一个探究氙灯光强与光伏电池的试验电路。对光伏电池稳定性和与光强之间稳定性进行探究。

试验方法如下：

在非常规水资源利用技术方面，分别安排了海水入侵动态监测与预测、高原城市雨水综合利用等非常规水资源开发利用技术，结合我国水资源开源的实际需求，集成了雨水高效利用综合技术模式，并在我国西部山区、黄土高原等缺水地区进行成功应用，促进了我国海水、雨水等非常规水资源利用技术的提升。

1）将单边长100 mm的光伏电池板，并联一个10 Ω的标准电阻，安装在氙灯老化试验箱试样架中间层上，其余位置采用惰性不反光金属板进行覆盖，禁止样品架旋转。保证光伏板正对氙灯灯管，且光路无遮挡。试验示意图如图5。

图5 试验搭建示意图

氙灯光源设备设置具体参数如下：

光源设备：氙灯老化试验；

设备型号：ATLAS CI4000；

内/外滤管：TYPE S BORO/TYPE S BORO（日光滤管）；

箱体温度：（40±3）℃；

黑板温度：（60±3）℃；

辐照度：0.30W/m2@340nm~0.70 W/m2@340nm[5,6]。

关闭氙灯老化箱舱门，打开氙灯光源并设置辐照强度，观察氙灯辐照度到达并稳定在设定值，记录此时光伏电池板输出电压。

通过调整氙灯辐照度设定值逐渐增大氙灯光源强度，并在辐照度达到稳定时记录此时光伏板输出电压（见表1）。

考虑到氙灯光强较大，若将电池板长时间放置在试验箱，温度会影响电池板的发电效率，因此根据上述理由，采用长时间恒定辐照度照射对光伏电池板发电效率进行探究。

试验操作方法与之前类似，仅将氙灯辐照度设置在0.35W/m2@340nm，当灯管点亮后且辐照度值达到稳定后记录当前光伏板输出电压值，之后每10 min记录一次，试验时长为100 min，计算每个时间点电压值与初始值之间的变化量，结果见表2。

表2 长时间光照发电量

4 结果和讨论

测得的输出电压与辐照度强度见表1，辐照度与光伏发电量曲线见图6。

表1 在不同辐照度下测得光伏板输出值

图6 氙灯辐照度与光伏发电量

长时间光照对光伏板发电影响曲线见图7。

图7 长时间光照对光伏板发电影响曲线

根据上述数据可以得出：

在（0.30W/m2@340nm~0.70W/m2@340nm）范围内，随着辐照度增大，发电量也随之增大，根据辐照度与发电量曲线观察，氙灯辐照强度与光伏发电量存在正相关关系。

考虑到氙灯试验箱体内温度是可以通过气流进行调节的，在长时间光照时箱体温度仍能够保持在一个恒定的温度值，光伏板表面不会因长时间光照导致表面温度出现过度上升，从曲线上看一开始其发电量有随着时间，但其变化量仍在可接受范围内。

5 结束语

本文通过探究光伏电池板的光谱响应与氙灯发光光谱的切合程度，分析得出可以通过光光生伏特的特性间利用测量光伏板的发电量间接测量出氙灯发光强度，并通过实验数据整理分析，探究光强与发电量的相关性并且研究了长时间的光照对发电量的影响程度。通过上述探究有利于后续对氙灯光强探测器的探索和研发。