一种用于可变光强条件下模拟不同温湿度的环境试验装置

摘要

本发明提供一种用于可变光强条件下模拟不同温湿度的环境试验装置，包括温湿度控制系统、光照系统、正负直流电压源、Data Bus集中控制系统、控制单元、安全保护装置；温湿度控制系统、光照系统、正负直流电压源与控制单元相连；控制单元还分别连接到Data Bus集中控制系统、安全保护装置；温湿度控制系统用于精确控温控湿，包括制冷机组、蒸发器、加热器、加温装置、自动补水装置；光照系统用于精确控制光照强度和光谱形状的功；正负直流电压源包括三个部分：控制装置、电压范围调节单元、数据监控单元；Data Bus集中控制模块负责总体调度整个环境试验装置；所述控制单元，包括温湿度控制器、光路控制器、光感控制器、温湿度传感器、光传感器、光感探头六个部分组合而成。

说明书

技术领域

本发明属于光伏组件/电池加速老化环境试验装置设计领域，特别是涉及一种光强和温湿度均可调制的加速老化装置。

技术背景

经过几十年的发展，太阳电池的光电转换效率已经取得突飞猛进，每瓦的成本已经逼近传统火力发电成本。因此太阳电池的转换效率已经逐渐变得不再是最重要的研究课题。研究发现，任何一种太阳电池组件在实际安装环境中均存在效率衰减的现象。作为特例，钙钛矿太阳电池经过短短十年的发展，光电转换效率已经超过25％，然而，对于未封装的钙钛矿裸电池，在DH85条件下不到20分钟效率即衰减到0，且这个过程是不可逆的。在这样的背景下，钙钛矿太阳电池的封装性能对实用化的钙钛矿光伏技术变得十分关键。考察组件封装性能一种可行的方案是组件加速老化测试，加速老化需要对组件施加极端的外界条件，如高密度光强、高湿度、高温度、或三者之间的任意组合。除钙钛矿这种新型太阳电池技术，以上所述的极端条件也会对传统硅太阳电池组件造成显著冲击。据经验，高密度光强、高湿度、高温度、高电场、或四者之间的任意组合均可造成硅光伏组件的性能衰减。

发明内容

鉴于以上所述现有各种光伏组件对可变光强条件下模拟不同温湿度的环境试验装置的迫切需求，本发明提出针对光伏组件的一种用于可变光强条件下模拟不同温湿度的环境试验装置。装置包含了完整的温湿度控制系统、光照系统、正负直流电压源、Data Bus集中控制、控制单元、安全保护装置。本发明充分满足了大多数光伏组件加速老化的要求，又考虑了试验过程中高电压等外界施加因素可能带来的安全隐患。

本发明的技术方案为：一种用于可变光强条件下模拟不同温湿度的环境试验装置，其特征在于，包括温湿度控制系统、光照系统、正负直流电压源、Data Bus集中控制系统、控制单元、安全保护装置；所述温湿度控制系统、光照系统、正负直流电压源与控制单元相连；所述控制单元还分别连接到Data Bus集中控制系统、安全保护装置；

所述温湿度控制系统用于精确控温控湿，包括制冷机组、蒸发器、加热器、加温装置、自动补水装置；

所述光照系统用于精确控制光照强度和光谱形状的功能，包括5个单元：单一/复合光源单元、均匀度调节单元、光反馈单元、滤光系统、辐照度范围调节单元；

所述正负直流电压源包括三个部分：控制装置、电压范围调节单元、数据监控单元；

所述Data Bus集中控制模块负责总体调度整个环境试验装置；

所述控制单元，包括温湿度控制器、光路控制器、光感控制器、温湿度传感器、光传感器、光感探头六个部分组合而成；

所述安全保护装置，包括温湿度模块、光照模块、喷淋雾模块、控制模块四个部分。

进一步的，所述温湿度控制系统包括加热器，用于产生热量，从而提高温度，加温装置采取PID温控策略，进行温度设定；还包括自动补水箱和蒸发器，蒸发器通过蒸发水蒸气增加试验箱的湿度，蒸发器也设置了PID反馈自动控制功能；蒸发器配合加热器实现最高温度90℃，湿度范围2-99％相对湿度。

进一步的，所述光照系统包括多个氙灯，或三基色LED密集阵列；其中氙灯是单一光源阵列，LED是三基色复合光源，前者光谱形状是固定不可调的，后者能够根据需要组合LED点阵调制出不同光谱形状；通过滤光系统获取不同波段范围的特殊光束；由于每个独立小光源随着使用时间增长存在光强衰退的风险，通过单一光源和复合光源之间互相组合调制出均匀的光源；辐照度调控单元与光反馈单元配合使用能够准确控制准直光束的强度；光照强度可调范围为0-5040W，有效测试面积范围为0-2m

进一步的，所述正负直流电压源，用于光伏组件PID衰减测试，电压范围在-2000V到2000V之间调节；对组件施加电压过程中采用数据监控模块实时显示电压的数值大小和波动情况；与电压源匹配的配备了电流测试接口，用于监测PID过程中组件电阻变化，电流密度测试范围为0-500mA/cm

进一步的，所述Data Bus集中控制模块，负责总体调度整个环境试验装置，与DataBus集中控制模块连接的可控部分包括：温湿度控制器、光路控制器、光感控制器、温湿度传感器、光传感器、光感探头，控制模块采用的芯片为STC、ARM、STM系列中的一种或任意组合。

进一步的，所述控制单元，包括温湿度控制器、光路控制器、光感控制器、温湿度传感器、光传感器、光感探头，这一部分是整个装置中电路和光路的中枢控制部分，协调试验装置的总体运行，其中三个控制器和三个传感器需要做表面防腐蚀处理，具体采用宽带隙高分子有机物涂布在表面保护控制器以及光传感器、光感探讨；温湿度传感器不能将表面完全涂布其他物质，否则不能测量湿度，选用耐腐蚀的温湿度传感器，对酸碱的耐受范围为PH值从3到10。

进一步的，所述安全保护装置，包括温湿度模块、光照模块、喷淋雾模块、控制模块；所述试验装置配备的安全保护装置包括防电、防火、防有毒气体三个方面：

(1)所有的电学部分一旦出现短路等异常现象，装置中的反馈电路立刻切断所有电源，终止工作；

(2)一旦发生明火，光探测器会立刻探测到光照异常现象，试验装置迅速开启喷水淋雾进行灭火措施；

(3)试验装置内部安装了有毒有害气体探测器，一旦发现有毒有害气体，立刻开启抽气装置，及时排除相关气体；以上任意安全事故发生，均伴随着闹铃报警声音产生，并分成三个等级，由不同颜色的报警灯表示，每种颜色代表一种事故类型。

有益效果：

本发明所述的一种用于可变光强条件下模拟不同温湿度的环境试验装置，为光伏组件加速老化测试提供了一种良好的解决方案。本发明装置作为整体可以方便集成于其他更大的测试系统之中，为后续相关测试，如I-V、PL、EL、QE等，提供良好的外界条件基础。本发明的特别之处在于：

(1)采用了一种大面积(2.6米×1.5米)平面氙灯阵列或三基色LED密排阵列构成准直、均匀光束。平面氙灯阵列光谱分布在各波长的相对强度近似等同于AM1.5g；

(2)考虑到光源的边缘效应，测试面积限制在整个组合光束的中间1米×2米区域；

(3)本光源装置主要用于大面积太阳电池组件衰减行为检测，同时兼容电池片的可靠性研究；

(4)光源由84个60瓦的氙灯或LED灯均匀排布组成，所述设计一个重要优点在于其光照强度可调，通过104/105控制单元决定哪些灯开启，同时其他灯关闭，这对于弱光和强光条件下不同类型光伏组件和器件的可靠性研究具有重要价值。

附图说明

图1显示为本发明所述的一种用于可变光强条件下模拟不同温湿度的环境试验装置示意图；

图2显示为本发明所述的光源平面示意图。

元件标号说明：

101 温湿度控制系统

102 光照系统

103 正负直流电压源

104 Data Bus集中控制模块

105 控制单元

106 安全保护装置

201 布灯面

202 测量面

203 独立小灯单元

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，其实际实施时各步骤的具体布局型态和参数设置也可能更为复杂。

根据本发明的实施例，提出一种用于可变光强条件下模拟不同温湿度的环境试验装置，包括温湿度控制系统101、光照系统102、正负直流电压源103、Data Bus集中控制系统104、控制单元105、安全保护装置105；所述温湿度控制系统、光照系统、正负直流电压源与控制单元相连；所述控制单元还分别连接到Data Bus集中控制系统、安全保护装置；

所述温湿度控制系统用于精确控温控湿，包括制冷机组、蒸发器、加热器、加温装置、自动补水装置；

所述光照系统用于精确控制光照强度和光谱形状的功能，包括5个单元：单一/复合光源单元、均匀度调节单元、光反馈单元、滤光系统、辐照度范围调节单元；

所述正负直流电压源包括三个部分：控制装置、电压范围调节单元、数据监控单元；

所述Data Bus集中控制模块负责总体调度整个环境试验装置；

所述控制单元，包括温湿度控制器、光路控制器、光感控制器、温湿度传感器、光传感器、光感探头六个部分组合而成；

所述安全保护装置，包括温湿度模块、光照模块、喷淋雾模块、控制模块四个部分。

具体的，所述控温湿度控制系统101，包括5个部分：制冷机组、蒸发器、加热器、加温装置、自动补水装置。温湿度控制系统包含了加热器，用于产生热量，从而提高温度，加温装置采取PID温控策略，对所述发明装置进行温度设定。另一个影响光伏组件可靠性的重要因素是环境湿度，水蒸气对众多光伏封装材料具有极强的穿透能力。所述发明配备了自动补水箱和蒸发器组合功能。蒸发器通过蒸发水蒸气增加试验箱的湿度，蒸发器也设置了PID反馈自动控制功能。蒸发器配合加热器可以实现最高温度90℃，湿度范围2-99％相对湿度。对于极端气候条件或极端工作环境，如南极、北极、或其他寒冷的地区、以及空间环境，光伏组件需要经历极端低温的考验，所述发明装置集成了制冷装置，控温低温极限为-40℃。对应的，在赤道附近安装的光伏组件需要经受极端炎热气候的考验，所述发明装置配备了加热器和加温装置，控温极限为90℃。其中加热器用于产生热量，从而提高温度，加温装置采取PID温控策略，对所述发明装置进行温度设定。除了温度这一必须考虑的因素外，另一个影响光伏组件可靠性的重要因素是环境湿度，水蒸气对众多光伏封装材料具有极强的穿透能力。为了精确控制试验箱中的湿度，所述发明装置配备了自动补水箱和蒸发器组合功能。蒸发器通过蒸发水蒸气增加试验箱的湿度，为了定量控制湿度，蒸发器也设置了PID反馈自动控制功能。考虑到光伏组件老化测试的周期通常长达几个月甚至更长时间，本试验箱中的补水装置具有自动补给功能。

进一步的，所述发明中光照系统102提供了一种精确控制光照强度和光谱形状的功能，包括5个部分：单一/复合光源单元、均匀度调节单元、光反馈单元、滤光系统、辐照度范围调节单元。

所述试验装置组装了独特的光源系统。光源由84个60W的小氙灯组成，根据需要也可以改装成三基色LED密集阵列。其中氙灯是单一光源阵列，LED是三基色复合光源，前者光谱形状是固定不可调的，后者可以根据需要组合LED点阵调制出不同光谱形状，这一点对于空间光谱调制非常重要，由于大气状态不同，光谱形状发生了很大的变化。所述装置还包括光谱形状调制的另一种方案：通过滤光系统可以获取不同波段范围的特殊光束，这对于研究不同波长光子与太阳电池内部结构之间的作用机制十分重要。由于每个独立小光源随着使用时间增长存在光强衰退的风险，本发明装置可以通过单一光源和复合光源之间互相组合调制出光强均匀的光源。辐照度调控与光反馈配合使用能够准确控制准直光束的强度。光照强度可调范围为0-5040W。有效测试面积范围为0-2m

根据本发明的一个实施例，正负直流电压源103包括三个部分：控制装置、电压范围调节单元、数据监控单元。

所述正负直流电压源103，用于光伏组件的PID衰减测试。电压范围可以在-2000V到2000V之间调节。对组件施加电压过程中可以采用数据监控模块实时显示电压的数值大小和波动情况。这里的控制装置采用了带负反馈的稳压电源控制设计，能够有效降低电压过冲风险。与电压源匹配，本装置配备了电流测试接口，用于监测PID过程中组件电阻变化，电流密度测试范围为0-500mA/cm

根据本发明的一个实施例，Data Bus集中控制模块104，负责总体调度整个环境试验装置，与其连接的可控部分包括：温湿度控制器、光路控制器、光感控制器、温湿度传感器、光传感器、光感探头。控制模块采用的芯片为STC、ARM、STM系列中的一种或任意组合。

根据本发明的一个实施例所述控制单元105，包括温湿度控制器、光路控制器、光感控制器、温湿度传感器、光传感器、光感探头六个部分而成。

控制单元是整个装置中电路和光路的中枢控制部分，协调试验装置的总体运行。这里的三个控制器和三个传感器需要做表面防腐蚀处理。在高温高湿环境下，试验箱运行的可靠性非常重要。这里采用宽带隙高分子有机物涂布在表面保护控制器以及光传感器、光感探讨；温湿度传感器不能将表面完全涂布其他物质，否则不能测量湿度，这里需要选用耐腐蚀的温湿度传感器，这里需要选用耐腐蚀的温湿度传感器，对酸碱的耐受范围为PH值从3到10。

根据本发明的一个实施例，安全保护装置，包括温湿度单元、光照单元、喷淋雾单元、控制单元四个部分。所述试验装置配备的安全保护装置包括防电、防火、防有毒气体三个方面：(1)所有的电学部分一旦出现短路等异常现象，装置中的反馈电路立刻切断所有电源，终止工作；(2)一旦发生明火，光探测器会立刻探测到光照异常现象，试验装置迅速开启喷水淋雾进行灭火措施；(3)试验装置内部安装了有毒有害气体探测器，一旦发现有毒有害气体，立刻开启抽气装置，及时排除相关气体。以上任意安全事故发生，均伴随着闹铃报警声音产生，并分成三个等级，由不同颜色表示，每种颜色代表一种事故类型。

实施例一

请参阅图1，本实施例提供一种用于可变光强条件下模拟不同温湿度的环境试验装置。作为特例，本实施例将图1环境试验装置用于硅异质结太阳电池加速老化测试，具体步骤包括：

1)采用标准的美国无线电公司(Radio Corporation of America，简称RCA)清洗工艺，清洗硅片表面的有机物和金属离子；

2)将步骤1)硅片置于5％的氢氟酸(HF)水溶液中1min，用于去除表面SiOx层；

3)在洁净的硅片两面分别沉积8纳米本征a-Si:H，生长过程采用PECVD；

4)在两侧a-Si:H表面沉积7纳米N型和P型a-Si:H，生长过程采用PECVD；

5)在掺杂a-Si:H表面分别沉积85纳米TCO薄膜，生长过程采用磁控溅射；

6)用低温银浆进行丝网印刷，然后在205℃退火，退火时间为50min。

经过上述步骤，制备完成标准的平面型硅异质结太阳电池。采用156mm边长的硅片制作36片硅异质结电池，封装成6×6的正方形组件。并测试组件初始状态的PL、IV特征。

将上述组件至于图2中201布灯面中202测量面的中心位置，同时打开所有84个60W的203独立小灯对组件进行光照。打开温湿度系统101，将温度调至85℃，相对湿度调至85％(简称DH85)。经过1000小时带光注入DH85模拟环境衰减。再次测试衰减后组件的PL、IV特征。

对比所述两组IV和PL数据，可以考察平面硅异质结太阳电池组件在3000小时极端工况下衰减的整体特征(IV曲线)和局域特征(PL二维分布特征)。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，例如，矩形布灯面也可以改装成其他形状，如圆形，本发明的设计思想也适用。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。