ИМПУЛЬСНЫЙ ИМИТАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
PULSED SOLAR SIMULATOR

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к имитаторам солнечного излучения на основе импульсных газоразрядных ламп для измерения световых вольтамперных характеристик и других фотоэлектрических параметров солнечных фотоэлементов и фотоэлектрических модулей с концентраторами излучения.
Известно устройство для определения параметров солнечных элементов (см. патент US №6154034, МПК G01R 31/26, опубл. 20.10.1998), включающее в себя несколько импульсных ламп, электронный блок управления излучением импульсных ламп и электронную систему сбора и обработки данных для измерения вольтамперных характеристик солнечных элементов. Устройство позволяет записывать вольтамперные характеристики отдельных р-n-переходов в трехкаскадных солнечных элементах. В известном устройстве одна из импульсных ламп излучает свет узкого спектрального состава, поглощающийся в исследуемом р-n-переходе, а другие лампы, излучение от которых поглощается другими каскадами солнечного элемента, создают условия для протекания тока через трехкаскадный солнечный элемент.
В известном устройстве излучение большого количества ламп невозможно сфокусировать в световой поток с малой угловой расходимостью и большой площадью излучения, имитирующий солнечное излучение, который необходим для засветки фотоэлектрических модулей с концентраторами.
Известен импульсный имитатор солнечного излучения (см. патент US №6946858, МПК H01J 40/14, опубл. 20.09.2005), предназначенный для измерения характеристик фотоэлектрических преобразователей на основе единственной лампы-вспышки, с интенсивностью и спектральным составом, соответствующими классу А для имитаторов солнечного излучения. Имитатор включает в себя вспомогательный образцовый фотоэлемент, принимающий свет от того же источника и в то же самое время, что и исследуемый фотоэлектрический преобразователь и регистрирующее устройство, к которому подключен фотоэлектрический преобразователь и образцовый фотоэлемент, при этом постоянную времени переходных электрических процессов образцового фотоэлемента можно менять в широких пределах и устанавливать ее идентичной исследуемому фотоэлектрическому преобразователю.
Такая структура импульсного имитатора позволяет вносить поправки в результаты импульсных измерений и получать вольтамперные характеристики исследуемых фотоэлектрических преобразователей, соответствующие статическим условиям освещенности. Недостатками известного имитатора является то обстоятельство, что перед проведением измерений необходимо проведение статических испытаний образцового фотоэлемента, что предполагает наличие соответствующего оборудования, а также необходимость полной конструктивной идентичности образцового фотоэлемента и исследуемого фотоэлектрического преобразователя. В результате оказывается невозможным применение известного имитатора для исследования характеристик фотоэлектрических модулей с концентраторами излучения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является импульсный имитатор солнечного излучения (см. патент US №7411408, МПК G01R 31/302, опубл. 12.08.2008), принятый за прототип. Имитатор-прототип содержит оптическую систему и лампу-вспышку, контрольный фотоэлемент, электронное измерительное устройство, включающее блок измерителей тока и напряжения и устройство сбора и обработки информации на основе компьютера; и устройство питания лампы-вспышки, включающее регулируемый источник постоянного напряжения, блок поджига лампы-вспышки и формирователь импульса напряжения. Электронное измерительное устройство включает калиброванный резистор для измерения тока и управляемую электронную нагрузку. Формирователь импульса напряжения выполнен на основе большого количества соединенных последовательно LC-цепочек, что позволяет формировать световой импульс с плоской вершиной длительностью от 4 до 100 миллисекунд. Устройство имеет контрольный фотоэлемент, который расположен вблизи исследуемого фотоэлектрического преобразователя и включен в систему обратной связи устройства питания лампы-вспышки, сигнал от которого позволяет формировать световой импульс заданной интенсивности. Световой импульс заданной формы и интенсивности направляется на светочувствительную площадку фотоэлектрического преобразователя, а устройство сбора и обработки информации записывает значения тока и напряжения на клеммах фотоэлектрического преобразователя при заданном уровне параметров электронного устройства для измерения вольтамперных характеристик. Для записи вольтамперной характеристики фотоэлектрического преобразователя используется многократное повторение световых импульсов при изменении параметров в измерительной цепи электронного устройства для измерения вольтамперных характеристик.
К недостаткам известного импульсного имитатора-прототипа следует отнести невозможность записи вольтамперной характеристики фотоэлектрического преобразователя за один световой импульс. Кроме того, следует отметить техническую сложность управления с помощью системы обратной связи высоковольтным источником питания импульсной лампы-вспышки.
Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, являлась разработка такого импульсного имитатора солнечного излучения, который бы позволил уменьшить время измерения вольтамперных характеристик фотоэлектрического преобразователя (солнечного фотоэлемента или фотоэлектрического модуля с концентраторами излучения), а также повысить точности измерения характеристик фотоэлектрического преобразователя при упрощении измерительных систем имитатора.
Поставленная задача решается тем, что импульсный имитатор солнечного излучения содержит импульсное осветительное устройство, которое включает оптическую систему и лампу-вспышку, контрольный фотоэлемент, электронное измерительное устройство, включающее блок измерителей тока и напряжения, генератор пилообразного напряжения и устройство сбора и обработки информации на основе компьютера; а также блок питания лампы-вспышки, включающее регулируемый источник постоянного напряжения, блок поджига лампы-вспышки и формирователь импульса напряжения. Контрольный фотоэлемент подключен к первому входу блока измерителей тока и напряжения, первый и второй выход которого соединены соответственно с первым и вторым входами генератора пилообразного напряжения, вход/выход которого предназначен для подключения к входу/выходу тестируемого фотоэлектрического преобразователя, а третий выход подключен ко второму входу блока измерителей тока и напряжения. Вход/выход блока измерителей тока и напряжения соединен с входом/выходом устройства сбора и обработки информации, выход которого подключен к первому входу блока поджига лампы-вспышки, выход которого соединен с поджигающим электродом лампы-вспышки, а второй вход соединен с первым выходом регулируемого источника постоянного напряжения, второй выход которого подключен к входу формирователя импульса напряжения, выход которого соединен с электродом лампы-вспышки. Генератор пилообразного напряжения содержит первый и второй конденсаторы, через соответственно первое сопротивление и второе сопротивление соединенные с первым и вторым выходами блока измерителей тока и напряжения, а через переключатель и третье сопротивление подключенные к третьему конденсатору, четвертому сопротивлению, второму входу блока измерителей тока и напряжения и к входу/выходу тестируемого фотоэлектрического преобразователя. Емкости первого и второго конденсаторов выбираются в 5-10 раз больше емкости третьего конденсатора, а емкость третьего конденсатора определяется из соотношения:
3
С=(10-20)·I·N·τ/U, Ф,
где I - ток короткого замыкания тестируемого фотоэлектрического преобразователя, А;
U - напряжение холостого хода тестируемого фотоэлектрического преобразователя, В;
N - заданное количество измерений тока и напряжения в измерительном канале электронного измерительного устройства за время одного импульса;
τ - время измерения значений тока и напряжения в одной точке вольтамперной характеристики, с.
Формирователь импульса напряжения содержит RC-цепочку и LC-цепочку, подключенные к электроду лампы-вспышки и через зарядное сопротивление к регулируемому источнику постоянного напряжения.
Зарядное сопротивление может быть выполнено в виде одной или нескольких ламп накаливания, соединенных последовательно или параллельно. Это дает возможность сократить время заряда конденсаторов за счет уменьшения сопротивления нити накала ламп при уменьшении силы протекающего тока.
Перезарядка третьего конденсатора в генераторе пилообразного напряжения при попеременном подключении к первому и второму конденсаторам обеспечивает развертку по напряжению на выводах тестируемого фотоэлектрического преобразователя.
Лампа-вспышка имеет время t постоянного свечения, равное или превышающее N·τ, где N - заданное количество измерений тока и напряжения в измерительном канале электронного измерительного устройства за время одного импульса, τ - время измерения значений тока и напряжения в одной точке вольтамперной характеристики. Время постоянного свечения лампы-вспышки выбирается равным или большим N·τ для обеспечения квазистационарного режима измерения пар «ток-напряжение» в каждой точке вольтамперной характеристики.
R, L и С параметры RC-цепочки и LC-цепочки подбираются так, чтобы интенсивность свечения лампы-вспышки за заданный период времени менялась не более чем на ±5%. При этом значения R, L и С должны удовлетворять условию R·C=L/r, a L=r·t, Гн, где r - сопротивление лампы-вспышки в подожженном состоянии, Ом.
Таким образом, обеспечивается форма светового импульса с плоской вершиной при минимальном количестве конструктивных элементов.
В генераторе пилообразного напряжения на основе трех конденсаторов перезарядка первого из них при попеременном подключении к двум другим обеспечивает развертку по напряжению на выводах измеряемого фотоэлемента или ФЭ модуля. Первый и второй конденсаторы, заряженные от регулируемого источника напряжения, при поочередном подключении к третьему конденсатору обеспечивают изменение напряжения на тестируемом фотоэлектрическом преобразователе по экспоненциальному закону в течение времени измерения вольтамперной характеристики. Емкость третьего конденсатора, присоединенного к фотоэлектрическому преобразователю, выбирается достаточно большой, чтобы электрический заряд, поступающий от тестируемого фотоэлектрического преобразователя за время светового импульса, не изменял существенно напряжение на этом конденсаторе. Емкости первого и второго конденсаторов выбираются со значениями еще большими, с тем, чтобы накопленные в них заряды существенно превышали заряд третьего конденсатора при данном напряжении.
Если емкость третьего конденсатора выбрать меньше величины 10·I·N·τ/U, то фототок, генерируемый тестируемым фотоэлектрическим преобразователем, за время светового импульса будет влиять на процесс перезарядки третьего конденсатора и искажать ход изменения напряжения на тестируемом фотоэлектрическом преобразователе. Увеличение емкости третьего конденсатора больше величины 20·I·N·τ/U нецелесообразно, поскольку это приведет к усложнению устройства без существенных улучшений параметров. Выбор емкостей первого и второго конденсаторов меньше пятикратного значения емкости третьего конденсатора приводит к заметному изменению накопленных в них зарядов при подключении к ним третьего конденсатора и изменению задаваемых значений амплитуды пилообразного напряжения. Увеличение емкостей первого и второго конденсаторов выше десятикратного значения емкости третьего конденсатора не ведет к существенному улучшению параметров устройства.
Сигнал от контрольного фотоэлемента используется для электронной компенсации остаточной неплоскостности части импульса света, предназначенной для измерений вольтамперных характеристик фотоэлементов и ФЭ модулей с концентраторами.
Сигнал от контрольного фотоэлемента вводится в электронное измерительное устройство, измеряющее и записывающее вольтамперные характеристики фотоэлектрического преобразователя таким образом, чтобы компенсировать нестабильность интенсивности светового потока лампы-вспышки в течение импульса.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показана блок-схема импульсного имитатора солнечного излучения;
на фиг.2 показана принципиальная электрическая схема питания лампы-вспышки;
на фиг.3 приведена принципиальная электрическая схема электронного измерительного устройства;
на фиг.4 изображены диаграммы разрядного тока через лампу-вспышку;
на фиг.5 показана диаграмма изменения напряжения на клеммах фотоэлектрического преобразователя;
На фиг.6 приведена фотография экрана компьютера с установочными параметрами и результатами измерений вольтамперных характеристик фотоэлектрического преобразователя.
Заявляемый импульсный имитатор солнечного излучения (см. фиг.1) содержит импульсное осветительное устройство 1, включающее оптическую систему 2 и лампу-вспышку 3; контрольный фотоэлемент 4; электронное измерительное устройство 5, включающее блок 6 измерителей тока и напряжения, генератор 7 пилообразного напряжения и устройство 8 сбора и обработки информации на основе компьютера; и устройство 9 питания лампы-вспышки 3, включающее регулируемый источник 10 постоянного напряжения, блок 11 поджига лампы-вспышки 3 и формирователь 12 импульса напряжения. Контрольный фотоэлемент 4 подключен к первому входу блока 6 измерителей тока и напряжения, первый и второй выход которого соединены, соответственно, с первым и вторым входами генератора 7 пилообразного напряжения. Вход/выход генератора 7 пилообразного напряжения предназначен для подключения к входу/выходу тестируемого фотоэлектрического преобразователя 13, а третий выход подключен ко второму входу блока 6 измерителей тока и напряжения. Вход/выход блока 6 измерителей тока и напряжения соединен с входом/выходом устройства 8 сбора и обработки информации, выход которого подключен к первому входу блока 11 поджига лампы-вспышки 3. Выход блока 11 поджига лампы-вспышки 3 соединен с поджигающим электродом 14 лампы-вспышки 3, а второй вход соединен с первым выходом регулируемого источника 10 постоянного напряжения, второй выход которого подключен к входу формирователю 12 импульса напряжения, выход которого соединен с электродом 15 лампы-вспышки 3. Генератор 7 пилообразного напряжения (см. фиг.2) содержит первый конденсатор 16 и второй конденсатор 17, через, соответственно, первое сопротивление 18 и второе сопротивление 19 соединенные с первым и вторым выходами блока 6 измерителей тока и напряжения, а через переключатель 20 и третье сопротивление 21 подключенные к третьему конденсатору 22, четвертому сопротивлению 23, второму входу блока 6 измерителей тока и напряжения и к входу/выходу тестируемого фотоэлектрического преобразователя 13. Формирователь 12 импульса напряжения (см. фиг.3) содержит RC-цепочку 24 и LC-цепочку 25, подключенные к электроду 15 лампы-вспышки и через зарядное сопротивление 26 - к регулируемому источнику постоянного напряжения.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
1
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
При работе заявляемого импульсного имитатора солнечного излучения в устройстве 9 питания лампы-вспышки 3 от регулируемого источника 10 постоянного напряжения через зарядное сопротивление 26 (см. фиг.1 и 3) происходит заряд двух накопительных конденсаторов C и С в RC-цепочке 24 и LC-цепочке 25. После подачи управляющего сигнала от устройства 8 сбора и обработки информации (например, компьютера) на вход блока 11 поджига лампы-вспышки 3 происходит поджиг лампы-вспышки 3, и конденсаторы C и С одновременно разряжаются через лампу-вспышку 3, соответственно, через сопротивление R и индуктивность L. Диаграммы протекания тока через лампу-вспышку 3 от RC-цепочки 24 и LC-цепочки 25 показаны на фиг.4 (кривые I и II, соответственно). Суммарный ток через лампу-вспышку 3 при соответствующем подборе значений R, L, C и С показан на фиг.4 (кривая III): импульс тока имеет плоскую вершину, отклонение от линейности при протекании тока в интервале времени от t до t не превышает ±5%. При этом время t - момент начала измерений значений пар ток-напряжение при записи вольтамперной характеристики фотоэлектрического преобразователя 13. Интервал времени от t до t должен быть не меньше N·τ, где N - заданное количество измерений тока и напряжения в измерительном канале для снятия вольтамперной характеристики за время одного импульса, τ - время измерения значений тока и напряжения в одной точке вольтамперной характеристики. В электронном измерительном устройстве 5 (см. фиг.1 и 2), измеряющем и записывающем вольтамперные характеристики фотоэлектрического преобразователя 13, перед началом измерений точек вольтамперной характеристики по сигналу от устройства 8 сбора и обработки информации в генераторе 7 пилообразного напряжения третий конденсатор 22, выводы которого присоединены к фотоэлектрическому преобразователю 13, подключается переключателем 20 через третье сопротивление 21 к заряженному через второе сопротивление 19 второму конденсатору 17, и к моменту времени t начала измерений точек вольтамперной характеристики напряжение на нем имеет значение U (см. фиг.5). В момент времени t происходит переключение переключателем 20 третьего конденсатора 22 к клеммам первого конденсатора 16, заряженного через первое сопротивление 18 до другого напряжения U, и начинается перезарядка третьего конденсатора 22, при этом напряжение на клеммах фотоэлектрического преобразователя 13 изменяется за время от t до t от значения U до значения U. В интервале времени от t до t в блоке 6 измерителей тока и напряжения происходит N измерений значений «ток-напряжение» на клеммах фотоэлектрического преобразователя 13. Сопротивление 23 служит для разрядки конденсатора 22 после окончания измерений вольтамперной характеристики. Контрольный фотоэлемент 4 в те же моменты времени фиксирует фактические значения интенсивности свечения лампы-вспышки 3, и отклонения фактических значений интенсивности лампы-вспышки 3 от среднего значения интенсивности за время t-t вводятся в виде поправочных коэффициентов к измеренным значениям «ток-напряжение» в устройство 8 сбора и обработки информации, уменьшая погрешность при построении вольтамперной характеристики.
2
Пример. Был изготовлен опытный образец заявляемого импульсного имитатора солнечного излучения. Импульсное осветительное устройство имитатора было выполнено на основе импульсной ксеноновой лампы-вспышки 3 и линзы 2 Френеля размерами 50×50 см и фокусным расстоянием 780 мм. Первый и второй конденсаторы 16, 17 заряжаются до напряжений - 1,92 В и +4,26 В, соответственно, величины которых можно задавать на экране компьютера 8. В качестве переключателя 20 использовались два полевых транзистора, управляющие сигналы на затворы которых также поступали от компьютера 8. В заданные моменты времени третий конденсатор 22 поочередно подключался через третье сопротивление 21 к конденсаторам 16 и 17, и на его клеммах, которые соединены с клеммами фотоэлектрического преобразователя 13, значения напряжения менялись от - 1,92 В до +4,26 В. Напряжение от регулируемого источника 10 постоянного напряжения подавалось на RC-цепочку 24 и LC-цепочку 25. В качестве зарядного сопротивления 26 конденсаторов RC-цепочки 24 и LC-цепочки 25 были использованы две соединенных последовательно лампы накаливания. При подаче поджигающего импульса на лампу-вспышку 3 от блока 11 поджига происходил электрический пробой межэлектродного пространства лампы-вспышки 3, и через сопротивление R и индуктивность L осуществлялся разряд конденсаторов на лампу-вспышку 3. При этом величины R, L и С были подобраны такими, чтобы импульс разрядного тока имел плоскую вершину длительностью 1,7 миллисекунды. За это время на клеммы тестируемого фотоэлектрического преобразователя 3 подавалось изменяющееся напряжение и блоком 6 измерителей тока и напряжения производилось измерение 110 пар значений «ток-напряжение». Контрольный фотоэлемент 4 в те же моменты времени фиксировал фактические значения интенсивности свечения лампы-вспышки 3, и отклонения фактических значений интенсивности лампы-вспышки 3 от среднего значения интенсивности за время измерения вводились в виде поправочных коэффициентов к измеренным значениям «ток-напряжение» в компьютере 8, уменьшая тем самым погрешность при построении вольтамперной характеристики. На фиг.6 показана фотография экрана компьютера, в верхней части которого представлены три кривые, записанные в течение одной из вспышек импульсной лампы: интенсивности свечения лампы-вспышки 3, величины напряжения на клеммах фотоэлектрического преобразователя 13 и значения фототока, генерируемого фотоэлектрическим преобразователем 13 при освещении импульсом света. В средней правой части экрана изображена серия вольтамперных характеристик фотоэлектрического преобразователя 13, измеренных при разных значениях интенсивности свечения лампы-вспышки. Каждая вольтамперная характеристика была измерена и записана за время одного светового импульса лампы-вспышки.