本發(fā)明涉及一種基于交流阻抗測試的太陽能電池串聯(lián)電阻的測量方法，屬于新能源與高效節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

pn型太陽能電池包括晶硅類電池和非晶硅類電池，晶體硅太陽能電池主要分為單晶硅、多晶硅電池，非晶體硅類包括iii-v族太陽能電池如砷化鎵、磷化鎵銦、磷化銦等、ii-vi族如硒化銦銅、碲化鎘等。一般pn結(jié)太陽能電池光照下的直流等效模型如圖1所示。其中iph是恒流源，表示光照下電池產(chǎn)生的光電流；rsh是電池的并聯(lián)電阻，也被稱為漏電阻，表示因為工藝等原因產(chǎn)生的漏電流的大?。籸s是電池的串聯(lián)電阻，表示電池的接線電阻及接觸電阻。串聯(lián)電阻的大小直接影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率，在太陽能電池的整個生命周期中，串聯(lián)電阻的增大在一定程度上反映了電池的老化程度。

傳統(tǒng)的太陽能串聯(lián)等效電阻的測量方法主要有兩類：曲線擬合法、i-v特性曲線法。曲線擬合法是基于太陽能電池的雙二極管模型，利用無光條件下的電壓與電流值擬合獲得電池參數(shù)，由于其誤差較大，計算量大，一般較少使用。i-v特性曲線法是利用光照下太陽能電池的i-v特性曲線求得串并聯(lián)電阻，主要有明暗曲線比較法、斜率法、面積法、最大功率點(diǎn)法等。i-v特性曲線法首先是精確的測量太陽能電池的i-v特性曲線，對測試條件和實驗設(shè)備的要求都比較高，需要標(biāo)準(zhǔn)光源，測試設(shè)備昂貴，一般無法在實驗室外進(jìn)行。其次，具體的實施也有限制，以較為常用的斜率法為例，當(dāng)太陽電池因為老化或碎裂等原因?qū)е耰-v特性曲線不光滑時，斜率法就不再適用；再比如明暗曲線比較法，通過平移黑暗和光照環(huán)境下測量得到的i-v特性曲線，使曲線零點(diǎn)附近坐標(biāo)點(diǎn)重合，利用曲線之間電壓的差值求得串聯(lián)電阻，這種方法測量過程復(fù)雜，推導(dǎo)過程也進(jìn)了近似，誤差較大，后來的改進(jìn)方法雖然提高了精確度，但測量過程更為繁雜。以上測量方法一般應(yīng)用于離線并且在實驗室內(nèi)的測量研究，難以在戶外環(huán)境測量。

交流阻抗譜的測試原理是在穩(wěn)定直流偏壓的基礎(chǔ)上，給穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)疊加一個小振幅的交流擾動信號，并觀察系統(tǒng)在不同頻率下的響應(yīng)。對太陽能電池來說，通過在電極兩端疊加穩(wěn)態(tài)直流偏置電壓和一定頻率范圍的小信號正弦電壓，記錄不同頻率下電池的阻抗值，即可得到太陽能電池在該直流偏置電壓阻抗譜。最新的阻抗譜測量技術(shù)通過一次在穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)疊加多個頻率的交流信號，可實現(xiàn)阻抗譜的快速測量，由于任何光源包括自然光在短時間內(nèi)都可以認(rèn)為是穩(wěn)定的，快速測量技術(shù)實際上進(jìn)一步降低了阻抗譜測試對穩(wěn)定光源的要求。

截止2015年，中國的太陽能電站總裝機(jī)容量已成為世界第一。通過測量電池參數(shù)監(jiān)控太陽能電池的工作狀態(tài)，精確定位故障并進(jìn)行精細(xì)化的維護(hù)和維修，將會極大的減少運(yùn)營成本，提高發(fā)電效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種基于交流阻抗測試的太陽能電池等效電阻的測量方法，以克服傳統(tǒng)的測量方法在太陽能電站難以實施的缺點(diǎn)，使太陽能電池參數(shù)的測量更為簡單便捷，通過測量電池參數(shù)監(jiān)控太陽能電池的工作狀態(tài)，精確定位故障并進(jìn)行精細(xì)化的維護(hù)和維修，減少運(yùn)營成本，提高發(fā)電效率。

本發(fā)明提出的基于交流阻抗測試的太陽能電池串聯(lián)電阻的測量方法，有兩種不同方法，第一種基于交流阻抗測試的太陽能電池串聯(lián)電阻的測量方法，包括以下步驟：

(1)將一束光照強(qiáng)度穩(wěn)定的光源持續(xù)照射至待測太陽能電池，測量太陽能電池的阻抗譜以及太陽能電池的開路電壓voc；

(2)關(guān)閉光源，將太陽能電池置于無光環(huán)境下，對太陽能電池施加一個直流偏置電壓，測量太陽能電池在無光環(huán)境下的阻抗譜，調(diào)整直流偏置電壓的大小，使無光環(huán)境下測量的太陽能電池阻抗譜與上述步驟(1)的太陽能電池的阻抗譜相重合，并將兩個阻抗譜相重合后的太陽能電池兩端的電壓記為vbias，電流記為ibias；

(3)計算太陽能電池在上述阻抗譜相重合時直流偏置電壓下的串聯(lián)電阻值(vbias-voc)/ibias。

其中的第二種基于交流阻抗測試的太陽能電池串聯(lián)電阻的測量方法，包括以下步驟：

(1)將一束光照強(qiáng)度穩(wěn)定的光源持續(xù)照射至待測太陽能電池，測量太陽能電池的阻抗譜以及太陽能電池的開路電壓voc；

(2)增大上述光源的光照強(qiáng)度，對太陽能電池施加一個直流偏置電壓，使該直流偏置電壓小于上述步驟(1)的太陽能電池的開路電壓voc，測量太陽能電池的阻抗譜，調(diào)整直流偏置電壓的大小，使測量的太陽能電池阻抗譜與上述步驟(1)的太陽能電池的阻抗譜相重合，并將兩個阻抗譜相重合后的太陽能電池兩端的電壓記為vout，電流記為iout；

(3)計算太陽能電池在光照下的串聯(lián)電阻值(voc-vout)/iout。

本發(fā)明提出的基于交流阻抗測試的太陽能電池串聯(lián)電阻的測量方法，其優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明方法是一種不再依賴i-v特性曲線的太陽能電池串聯(lián)電阻的測量方法，因此降低了測量成本，減少測量時對測量環(huán)境的依賴。本發(fā)明的測量方法，測量過程簡單便捷，使太陽能電池串聯(lián)電阻的測量步驟更為簡單，測量的數(shù)據(jù)少，計算簡單，在戶外環(huán)境下可以很方便的實現(xiàn)。本發(fā)明測量方法可以測量太陽能電池在任意老化階段的串聯(lián)電阻，也可以測量太陽能電池的光照環(huán)境下或者無光環(huán)境下的串聯(lián)電阻，因此適用范圍廣。

附圖說明

圖1是光照下pn型太陽能電池在開路時的等效電路示意圖。

圖2是太陽能電池的動態(tài)模型示意圖。

圖3是實測的太陽能電池的結(jié)電容及動態(tài)體電阻示意圖。

圖4是無光下pn型太陽能電池的等效電路示意圖。

圖5是光照下pn型太陽能電池在有負(fù)載時的等效電路示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出的基于交流阻抗測試的太陽能電池串聯(lián)電阻的測量方法，有兩種不同方法，第一種基于交流阻抗測試的太陽能電池串聯(lián)電阻的測量方法，包括以下步驟：

(1)將一束光照強(qiáng)度穩(wěn)定的光源持續(xù)照射至待測太陽能電池，測量太陽能電池的阻抗譜以及太陽能電池的開路電壓voc；

(2)關(guān)閉光源，將太陽能電池置于無光環(huán)境下，對太陽能電池施加一個直流偏置電壓，測量太陽能電池在無光環(huán)境下的阻抗譜，調(diào)整直流偏置電壓的大小，使無光環(huán)境下測量的太陽能電池阻抗譜與上述步驟(1)的太陽能電池的阻抗譜相重合，并將兩個阻抗譜相重合后的太陽能電池兩端的電壓記為vbias，電流記為ibias；

(3)計算太陽能電池在上述阻抗譜相重合時直流偏置電壓下的串聯(lián)電阻值(vbias-voc)/ibias。

其中的第二種基于交流阻抗測試的太陽能電池串聯(lián)電阻的測量方法，包括以下步驟：

(1)將一束光照強(qiáng)度穩(wěn)定的光源持續(xù)照射至待測太陽能電池，測量太陽能電池的阻抗譜以及太陽能電池的開路電壓voc；

(2)增大上述光源的光照強(qiáng)度，對太陽能電池施加一個直流偏置電壓，使該直流偏置電壓小于上述步驟(1)的太陽能電池的開路電壓voc，測量太陽能電池的阻抗譜，調(diào)整直流偏置電壓的大小，使測量的太陽能電池阻抗譜與上述步驟(1)的太陽能電池的阻抗譜相重合，并將兩個阻抗譜相重合后的太陽能電池兩端的電壓記為vout，電流記為iout；

(3)計算太陽能電池在光照下的串聯(lián)電阻值(voc-vout)/iout。

以下詳細(xì)介紹本發(fā)明方法的工作原理：

太陽能電池的實際工況環(huán)境包含以下三類：一是穩(wěn)定光照下電路為開路；二是穩(wěn)定光照下電池帶有負(fù)載；三是黑暗無光環(huán)境。在阻抗測試中，通過調(diào)整直流偏置電壓來模擬以上三種不同狀態(tài)，利用交流擾動信號測量阻抗。穩(wěn)定光照下，若直流偏置電壓等于太陽能電池的開路電壓，此時測量的是開路時太陽能電池的阻抗譜；若直流偏置電壓小于太陽能電池的開路電壓，則此時測量的是太陽能電池在帶負(fù)載時的阻抗譜，偏置電壓即太陽能電池的輸出電壓，偏置電流即太陽能電池的輸出電流。無光環(huán)境下，調(diào)整直流偏置電壓，即可測得太陽能電池在此偏置電壓下的阻抗譜。通過測得的阻抗譜，使用已有的交流動態(tài)模型擬合可得到太陽能電池在不同工況下的動態(tài)參數(shù)。

太陽能電池的動態(tài)模型如圖2所示，其中rdp是動態(tài)體電阻，由二極管動態(tài)電阻和并聯(lián)電阻組成；cp是電池的結(jié)電容，由耗盡層電容及擴(kuò)散電容組成；rds是電池在動態(tài)模型下的串聯(lián)電阻。需要明確的是，動態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)是有區(qū)別的，動態(tài)交流模型中的串聯(lián)電阻和靜態(tài)直流模型中的串聯(lián)電阻并不相等。圖3是無光條件下多晶硅太陽電池結(jié)電容及動態(tài)體電阻的實測數(shù)據(jù)，可以看出電池的電容及動態(tài)體電阻與偏置電壓是一一映射的關(guān)系，偏置電壓和pn結(jié)電壓也一一對應(yīng)。太陽能電池的電容及動態(tài)體電阻與pn結(jié)電壓可以表示為以下函數(shù)：

(rdp,cp)＝f(v)(1)

對于同一塊電池來說，無論是在光照條件下還是黑暗條件下，只要pn結(jié)端電壓相同，太陽能電池的動態(tài)體電阻及電容相等。同樣，當(dāng)太陽能電池的動態(tài)體電阻及電容相等時，太陽能電池的pn結(jié)端電壓相同。若不同環(huán)境下太陽能電池的阻抗譜重合，即z(f)＝z’(f)時，曲線擬合所得的太陽能電池的動態(tài)體電阻及電容相等，此時：

vpn＝vp'n＝voc(2)

vpn、v’pn是電池不同環(huán)境下的pn結(jié)端電壓，z(f)、z’(f)分別是指不同環(huán)境下電池的阻抗，是頻率的函數(shù)。在精度要求不高的情況下，z(f)、z’(f)也可以用某一頻率下的阻抗來代替。利用pn結(jié)的這種特性，若限定其中一個環(huán)境為光照且開路，則pn結(jié)端電壓等于開路電壓，進(jìn)而利用等效電路中的電壓電流關(guān)系求得串聯(lián)電阻，這就是阻抗標(biāo)尺法的測量原理。

1、阻抗標(biāo)尺法測量無光條件下太陽能電池的串聯(lián)電阻：

首先，將一束光照強(qiáng)度穩(wěn)定的光源持續(xù)照射至待測太陽能電池，測量太陽能電池的阻抗譜以及太陽能電池的開路電壓voc。阻抗譜測試設(shè)備的參數(shù)設(shè)定為：相對電壓設(shè)定為0v或者將直流偏壓設(shè)定為v＝voc、交流信號的范圍在0.1mv-20mv之間，頻率范圍0.1hz-300khz。本步驟所使用的光源可以使用任意強(qiáng)度的穩(wěn)定光源來實施。在戶外條件下，因為測量時間非常短，可以利用天氣晴朗時的太陽光來代替穩(wěn)定光源。

此時，太陽能電池的直流等效電路如圖1所示。v’為pn結(jié)兩端的電壓，阻抗測試設(shè)備的端電壓等于voc或者相對電壓為0v時，端口相當(dāng)于是開路：

v'＝voc(3)

然后，關(guān)閉光源，將太陽能電池置于無光環(huán)境下，對太陽能電池施加一個直流偏置電壓，測量太陽能電池在無光環(huán)境下的阻抗譜，調(diào)整直流偏置電壓的大小，使無光環(huán)境下測量的太陽能電池阻抗譜與步驟1開路時測得的太陽能電池的阻抗譜相重合，并將兩個阻抗譜相重合后的太陽能電池兩端的電壓記為vbias，電流記為ibias。此時下，太陽能電池的靜態(tài)直流模型如圖4所示，vbais與pn結(jié)兩端電壓v的關(guān)系可以用如下公式表示：

v＝vbias-ibiasrs-dark(4)

由于在以上兩種環(huán)境下，測量所得的太陽能電池的阻抗譜重合，說明兩種環(huán)境下的動態(tài)體電阻及電容相等，由公式2-4可得電池的串聯(lián)等效電阻為：

rs-dark＝(vbias-voc)/ibias(5)

2、阻抗標(biāo)尺法測量光照條件下太陽能電池的串聯(lián)電阻：

首先，將一束光照強(qiáng)度穩(wěn)定的光源持續(xù)照射至待測太陽能電池，測量太陽能電池的阻抗譜，同時測量太陽能電池的開路電壓voc。阻抗譜測試設(shè)備的參數(shù)設(shè)定為：相對電壓設(shè)定為0v或者將直流偏壓設(shè)定為v＝voc、交流信號的范圍在0.1mv-20mv之間，頻率范圍0.1hz-300khz。本步驟所使用的光源可以使用任意強(qiáng)度的穩(wěn)定光源來實施。在戶外條件下，因為測量時間非常短，可以利用天氣晴朗時的太陽光來代替穩(wěn)定光源。

此時太陽電池的直流等效模型如圖1所示。太陽能電池pn結(jié)電壓等于電池的開路電壓，由公式(3)所示。

然后，增大光源的光照強(qiáng)度，對太陽能電池施加一個直流偏置電壓，使該直流偏置電壓小于步驟1中太陽能電池的開路電壓voc，測量太陽能電池的阻抗譜。保持其它參數(shù)不變，調(diào)整阻抗測試設(shè)備的相對直流偏壓的大小(模擬電池負(fù)載改變時輸出電壓的改變)，測量太陽能電池在有負(fù)載時的阻抗譜，使測量的太陽能電池阻抗譜與步驟1開路時測得的阻抗譜相重合。此時太陽電池的等效電路如圖5所示，電池兩端的電壓記為vout，電流記為iout，vout與pn結(jié)兩端電壓v的關(guān)系可以用如下公式表示：

v＝vout-ioutrs-light(6)

由于在以上兩種環(huán)境下，測量所得的太陽能電池的阻抗譜重合，說明兩種環(huán)境下的動態(tài)體電阻及電容相等，由公式2、3、6可得電池的串聯(lián)等效電阻為：

rs-light＝(voc-vout)/iout(7)。