基于AM0太阳模拟器3波段光谱独立可调的设计.pdf
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1、太阳能第 10 期总第 354 期2023 年 10 月No.10Total No.354Oct.,2023SOLAR ENERGY950 引言太阳能作为一种新兴清洁的可再生能源,其应用范围日益扩大,其中,光伏发电可以有效地降低国家能源成本及实现可持续发展战略目标,得到世界各国政府的高度重视,市场前景广阔。随着中国航天事业稳健快速发展,光伏发电应用范围也越来越宽泛。太阳电池技术中,三结砷化镓太阳电池由于具备高能量密度、高光电转换效率及低损耗的特点得到广泛关注,被认为是未来最有前途的高效太阳能应用之一,目前已有多个国家开展相关研究,中国亦有相关产业。随着空间太阳电池技术的发展,三结砷化镓太阳电池
2、已经逐渐取代了晶硅太阳电池,其能隙与太阳光谱的匹配较适合。与晶硅太阳电池相比,三结砷化镓太阳电池具有高光电转换效率、高可靠性、耐高温、抗辐照能力强等优点,产品已广泛应用于遥感、气象和科学试验等卫星,这类卫星在轨道运行状态良好,适用于空间各轨道飞行器。目前,太阳电池电源是航天器主要的电源,其可靠性和稳定性对任务的成功非常关键,特别是对于需要长时间在太空中运行的任务,例如卫星和空间站,对太阳电池可靠性要求更加严格。太阳电池的研制、航天器电池阵列的设计、太阳电池光电转换效率等核心电性能参数的准确评估对于航天器的安全运行至关重要。但传统太阳电池按照 AM1.5G 的标准太阳光谱,与空间三结太阳电池工作
3、标准 AM0 光谱存在差异,因此传统太阳电池测试使用的太阳模拟器无法满足空间三结砷化镓太阳电池的测试要求。空间三结砷化镓太阳电池测试使用的太阳模拟器应符合空间太阳电池工作标准,确保太阳模拟器光谱与 AM0 光谱一致或接近,从而提高对于空间太阳电池的测试准确度。为更符合 AM0光谱,满足空间三结砷化镓太阳电池的测试需求,本文设计出一种满足 350760 nm、760950 nm、9501800 nm 3 波段光谱独立可调的太阳模拟器光源系统,以氙灯和卤素灯作为混合光DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20230519.02 文章编号:1003-0417(2023)10-95-
4、06基于 AM0 太阳模拟器 3 波段光谱 独立可调的设计冯云峰,张鹤仙,黄国保,刘皎,冯晓莹*(陕西众森电能科技有限公司,西安 710018)摘 要:为满足空间三结砷化镓太阳电池的测试要求,设计并研制出一种 AM0 太阳模拟器,采用氙灯和卤素灯混合光源,提供了满足 AM0 光谱标准的光谱范围,并且可同时独立调整 3 个波段(350760 nm、760950 nm、9501800 nm)的相对能量,便于提高三结太阳电池的电性能测试准确度。光谱测试结果表明:本文设计 AM0 太阳模拟器满足 A 级光谱匹配标准要求,且 3 个波段互相独立,可以满足三结砷化镓太阳电池对不同波段的修正校准要求。关键词
5、:太阳模拟器;AM0;光谱可调;三结砷化镓太阳电池中图分类号:TM615 文献标志码:A收稿日期:2023-05-19通信作者:冯晓莹(2000),女,本科、工程师,主要从事太阳模拟器电性能测试方面的研究。2023-10杂志.indd 952023-10杂志.indd 952023/10/26 14:28:382023/10/26 14:28:382023 年太阳能源,可使调整后的光谱特征与 AM0 光谱非常接近,并对其进行测试及校准调。1 AM0 太阳模拟器设计标准根据 GB/T 64942017航天用太阳电池电性能测试方法,多结砷化镓太阳电池测试用太阳模拟器光谱失配误差评价范围为光谱区间
6、3501800 nm,要求太阳模拟器总辐照度至少在 0.81.2 个太阳常数范围内连续可调,太阳模拟器分别从 3 个核心性能指标进行测试评级,包括光谱失配误差、辐照度不均匀度、辐照度不稳定度,等级划分标准具体如表 1 所示。表 1 太阳模拟器的等级划分Table 1 Grading of solar simulators特性光谱区间/nm总光谱区间 3501800 nm、总辐照度 120.3 MW/cm 时,该光谱区间辐照度占总辐照度的百分比/%A 级B 级C 级光谱失配误差35050019.9-25%,25%-35%,35%-50%,50%50060015.460070013.3700800
7、10.58009008.590010006.71000120010.1120014007.1140016005.0 160018003.5辐照度不均匀度-2%,2%-5%,5%-10%,10%辐照度不稳定度-1%,1%-2%,2%-5%,5%2 实现原理通常 1.9eV/1.42eV/1.0eV 带隙组合的三结太阳电池能实现更好的电流匹配,用于三结太阳电池常见的各结材料有 GaInP(禁带宽度为 1.90 eV,吸收光谱波段为 400650 nm)、GaAs(禁带宽度为 1.42 eV,吸收光谱波段为 600870 nm)、GaInAs(通过调节铟和镓元素比值,具有可调禁带宽度 0.351.4
8、2 eV,吸收光谱覆盖近红外-红外)、Ge(禁带宽度为 0.67 eV,吸收光谱波段为 8801850 nm)。组成的常见三结太阳电池有GaInP/GaAs/Ge、GaInP/GaAs/InGaAs等1。对空间三结砷化镓太阳电池的电性能测试同样采用传统太阳电池测试方法,使用太阳模拟器测试前,先用 1 个光谱响应与被测对象一致的标准太阳电池来校准太阳模拟器的辐照度。由于空间三结砷化镓太阳电池的光谱响应是由对应的 3个串联子电池的光谱响应组成,所以,对于空间三结砷化镓太阳电池,使用各子电池标准电池单独校准可使系统测试更加准确2。2.1 光谱可调原理与光源系统 氙灯是已知人造光源里最接近太阳光谱的光
9、源。氙灯光谱在紫外与可见光波段与太阳光谱十分接近,但在波段 8201010 nm 之间有许多峰状谱,辐照度较 AM0 光谱高出很多,因此,需要对该段特征谱进行修正,降低此波段过高的辐照度,确保其光谱符合 AM0 光谱的标准,使其满足空间技 术 应 用962023-10杂志.indd 962023-10杂志.indd 962023/10/26 14:28:382023/10/26 14:28:38第 10 期三结砷化镓太阳电池测试的需要。参考 AM1.5G太阳模拟器进行光谱匹配通常使用干涉滤光片对氙灯光谱进行修正,对于AM0光谱匹配同样适用。由于氙灯主要能量分布集中在波段 3001100 nm,
10、在波段 12001400 nm 相对能量很低,而AM0 光谱范围为波段 3501800 nm,若通过提升氙灯电流的方式来调整滤光片,降低可见光波长区间透过率,虽可满足整体各光谱波段的相对能量比例满足A级光谱要求,但此方案能效相对较低,且光谱范围较小,仅依靠氙灯很难实现满足 AM0 光谱标准的 3 波段光谱自由调节光源系统。加入卤素灯,就可利用卤素灯补偿近红外部分(波段 10001800 nm)的能量。将卤素灯集成吸收型截止滤光片,截止低于 1000 nm 波长的光谱范围,确保卤素灯输出到辐照面的能量仅包含近红外部分的能量。此方案既可避免氙灯能耗过大,又可确保太阳模拟器光谱的相对可调性。因此,本
11、设计采用氙灯与卤素灯混合光源,氙灯采用负反馈系统,可确保氙灯光能量输出在调整光谱能量后仍保持在特定辐照度条件下;卤素灯通过恒压控制系统实现特定辐照度与光谱特征输出。2.2 氙灯光谱调节与控制系统氙灯光谱覆盖 350760 nm、760950 nm 这两个波段,氙灯的光谱调节与控制系统采用负反馈系统,该系统电路采用晶硅太阳电池作为采集反馈器件,晶硅太阳电池的光谱响应范围为波段 3001200 nm,可以满足氙灯光谱波段的测量需求,负反馈系统要求反馈的电压信号与基准电压一致。因此,当插入滤光片修正氙灯输出光谱能量比例,降低 800900 nm 波段能量后,由相对能量比例可知,经负反馈系统控制后,为
12、使反馈电压信号一致,会调高氙灯输出,可见光部分(波段 300800 nm)的相对能量比例会提升,经此动态平衡调整控制,最终可以获得符合 AM0 光谱失配误差标准的前两个波段。2.3 卤素灯光谱调节与控制系统白炽灯灯管内部安装有金属钨灯丝,内部被抽成真空或充入少量惰性气体,而卤素灯就是充有卤素气体的钨丝白炽灯,在高温下,升华的钨丝与卤素进行化学作用,冷却后的钨会重新凝固在钨丝上,形成平衡的循环,避免钨丝过早断裂,因此卤素灯具有更长的使用寿命。通电后,通过加热钨丝,钨丝呈炽热状态并辐射发光,灯丝温度越高,辐射的可见光比例就越高,即卤素灯的转换率就越高。卤素灯需达到热平衡,辐照度才相对恒定,因此测试
13、时应提前打开卤素灯。为确保卤素灯仅输出波长 1000 nm 之后的近红外能量,将卤素灯集成吸收型截止滤光片。对于氙灯负反馈系统而言,其光谱响应区间波段为3001200 nm,其中卤素灯能量占比小于 10%,对该控制系统几乎无影响,因此第 3 波段(9501800 nm)仍可相对独立控制。卤素灯控制系统通过可编程开关电源(输出DC 250V12A)供电实现,本设计采用恒压输出模式,控制系统如图 1 所示。使用模拟量(010 V)太阳电池反馈电池光源系统单元光照滤光片微控制器基准电压光强数据恒光控制信号光源点亮控制信号恒光控制单元图 1 卤素灯控制系统图Fig.1 Control system d
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