基于光伏生電原理對(duì)氙燈輻照度的測(cè)量研究

葉崗，劉澤璞，張美玲，林兆耀，文樹坡

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣州 510663）

引言

氙燈是目前公認(rèn)的對(duì)太陽(yáng)光模擬應(yīng)用最為廣泛的人工老化光源。氙燈老化試驗(yàn)箱是利用氙燈作為人工光源，對(duì)高分子材料進(jìn)行照射，從而模擬高分子材料在自然環(huán)境中的老化過(guò)程，此方法為目前主流的老化試驗(yàn)方法之一，廣泛應(yīng)用于汽車、建材、光伏、涂料、塑料、紡織等多個(gè)行業(yè)。

氙燈老化試驗(yàn)箱試驗(yàn)主要的參數(shù)控制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和難點(diǎn)在于光照強(qiáng)度，即氙燈光源的輻照度及總輻照量的測(cè)量。因?yàn)殡療艄庠吹纳a(chǎn)一直受制于國(guó)外，存在一定的技術(shù)壁壘因此，目前國(guó)內(nèi)沒有合適的計(jì)量方法對(duì)氙燈光源進(jìn)行計(jì)量。

利用標(biāo)準(zhǔn)光伏電池片將光能轉(zhuǎn)化成電能，通過(guò)電信號(hào)的測(cè)量來(lái)測(cè)量氙燈老化試驗(yàn)箱在試驗(yàn)過(guò)程中的光照變化，可作為氙燈輻照度測(cè)量的一個(gè)新手段、新方法。

1 光伏電池工作原理

光伏電池的工作原理的基礎(chǔ)是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)：當(dāng)光照射到光伏板時(shí)光伏板吸收光能，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，在電池內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電池兩端產(chǎn)生異號(hào)電荷的積累，從而產(chǎn)生光生電壓，如圖1所示。

圖1 電池兩端產(chǎn)生光

當(dāng)光照射P-N結(jié)時(shí)，在半導(dǎo)體的電子由于獲得光能而釋放電子，相應(yīng)的便產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，并在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電子被趨向N型區(qū)，空穴被趨向P型區(qū)，從而在N區(qū)有過(guò)剩電子，P區(qū)有過(guò)剩空穴，于是在PN結(jié)附近形成了內(nèi)建電場(chǎng)相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)一部分低消內(nèi)建電場(chǎng)，其余部分即為光生伏特電動(dòng)勢(shì)（如圖2）。

圖2 光伏電池電路圖

2 光伏電池片響應(yīng)曲線與氙燈光譜匹配性

2.1 氙燈光譜分布

氙燈的光、電參數(shù)一致性好，在工作狀態(tài)受條件變化小。其發(fā)光原理是通過(guò)高頻高壓電施加于電極兩端，使燈管內(nèi)的氙氣激發(fā)電離產(chǎn)生弧光。

氙燈所發(fā)出的光經(jīng)過(guò)特殊濾鏡組合后是從近紫外、可見光、近紅外的連續(xù)光譜，在可見光范圍（300~800 nm）內(nèi)，光譜能量分布較均勻，氙燈發(fā)光譜色與太陽(yáng)光譜色（如圖3所示）較為相近，是一種接近太陽(yáng)光的人造光源。

圖3 氙燈光譜曲線

2.2 光伏電池光譜響應(yīng)

圖4 光伏電池相對(duì)光譜響應(yīng)

由上述兩個(gè)圖表可以得出：

1）氙燈光譜的能量分布主要集中于（300~800）nm間。

2）光伏電池在（300~1 100）nm波段的都具有較強(qiáng)的響應(yīng)值。

3）光伏電池的光譜響應(yīng)范圍很好的覆蓋了氙燈發(fā)出能量范圍。

根據(jù)上述三點(diǎn)理由，由于氙燈的光譜能量主要分布與（300~800）nm之間，而光伏電池的光譜響應(yīng)范圍正好在（300~1 100）nm，即氙燈發(fā)出的光能都能很好地被光伏板通過(guò)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能。理論上可以通過(guò)測(cè)量光伏電池的電流、電壓、功率等電參數(shù)從而測(cè)量氙燈的發(fā)光強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)試

根據(jù)上述理論分析，我們利用標(biāo)準(zhǔn)光伏電池和標(biāo)準(zhǔn)電阻及相關(guān)記錄設(shè)備搭建了一個(gè)探究氙燈光強(qiáng)與光伏電池的試驗(yàn)電路。對(duì)光伏電池穩(wěn)定性和與光強(qiáng)之間穩(wěn)定性進(jìn)行探究。

試驗(yàn)方法如下：

在非常規(guī)水資源利用技術(shù)方面，分別安排了海水入侵動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)、高原城市雨水綜合利用等非常規(guī)水資源開發(fā)利用技術(shù)，結(jié)合我國(guó)水資源開源的實(shí)際需求，集成了雨水高效利用綜合技術(shù)模式，并在我國(guó)西部山區(qū)、黃土高原等缺水地區(qū)進(jìn)行成功應(yīng)用，促進(jìn)了我國(guó)海水、雨水等非常規(guī)水資源利用技術(shù)的提升。

1）將單邊長(zhǎng)100 mm的光伏電池板，并聯(lián)一個(gè)10 Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻，安裝在氙燈老化試驗(yàn)箱試樣架中間層上，其余位置采用惰性不反光金屬板進(jìn)行覆蓋，禁止樣品架旋轉(zhuǎn)。保證光伏板正對(duì)氙燈燈管，且光路無(wú)遮擋。試驗(yàn)示意圖如圖5。

圖5 試驗(yàn)搭建示意圖

氙燈光源設(shè)備設(shè)置具體參數(shù)如下：

光源設(shè)備：氙燈老化試驗(yàn)；

設(shè)備型號(hào)：ATLAS CI4000；

內(nèi)/外濾管：TYPE S BORO/TYPE S BORO（日光濾管）；

箱體溫度：（40±3）℃；

黑板溫度：（60±3）℃；

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

關(guān)閉氙燈老化箱艙門，打開氙燈光源并設(shè)置輻照強(qiáng)度，觀察氙燈輻照度到達(dá)并穩(wěn)定在設(shè)定值，記錄此時(shí)光伏電池板輸出電壓。

通過(guò)調(diào)整氙燈輻照度設(shè)定值逐漸增大氙燈光源強(qiáng)度，并在輻照度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)記錄此時(shí)光伏板輸出電壓（見表1）。

考慮到氙燈光強(qiáng)較大，若將電池板長(zhǎng)時(shí)間放置在試驗(yàn)箱，溫度會(huì)影響電池板的發(fā)電效率，因此根據(jù)上述理由，采用長(zhǎng)時(shí)間恒定輻照度照射對(duì)光伏電池板發(fā)電效率進(jìn)行探究。

試驗(yàn)操作方法與之前類似，僅將氙燈輻照度設(shè)置在0.35W/m2@340nm，當(dāng)燈管點(diǎn)亮后且輻照度值達(dá)到穩(wěn)定后記錄當(dāng)前光伏板輸出電壓值，之后每10 min記錄一次，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為100 min，計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)電壓值與初始值之間的變化量，結(jié)果見表2。

表2 長(zhǎng)時(shí)間光照發(fā)電量

4 結(jié)果和討論

測(cè)得的輸出電壓與輻照度強(qiáng)度見表1，輻照度與光伏發(fā)電量曲線見圖6。

表1 在不同輻照度下測(cè)得光伏板輸出值

圖6 氙燈輻照度與光伏發(fā)電量

長(zhǎng)時(shí)間光照對(duì)光伏板發(fā)電影響曲線見圖7。

圖7 長(zhǎng)時(shí)間光照對(duì)光伏板發(fā)電影響曲線

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以得出：

在（0.30W/m2@340nm~0.70W/m2@340nm）范圍內(nèi)，隨著輻照度增大，發(fā)電量也隨之增大，根據(jù)輻照度與發(fā)電量曲線觀察，氙燈輻照強(qiáng)度與光伏發(fā)電量存在正相關(guān)關(guān)系。

考慮到氙燈試驗(yàn)箱體內(nèi)溫度是可以通過(guò)氣流進(jìn)行調(diào)節(jié)的，在長(zhǎng)時(shí)間光照時(shí)箱體溫度仍能夠保持在一個(gè)恒定的溫度值，光伏板表面不會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間光照導(dǎo)致表面溫度出現(xiàn)過(guò)度上升，從曲線上看一開始其發(fā)電量有隨著時(shí)間，但其變化量仍在可接受范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)探究光伏電池板的光譜響應(yīng)與氙燈發(fā)光光譜的切合程度，分析得出可以通過(guò)光光生伏特的特性間利用測(cè)量光伏板的發(fā)電量間接測(cè)量出氙燈發(fā)光強(qiáng)度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析，探究光強(qiáng)與發(fā)電量的相關(guān)性并且研究了長(zhǎng)時(shí)間的光照對(duì)發(fā)電量的影響程度。通過(guò)上述探究有利于后續(xù)對(duì)氙燈光強(qiáng)探測(cè)器的探索和研發(fā)。