Точное измерение вольтамперных характеристик фотоэлектрических модулей

Введение

Фотоэлектрические модули являются популярными и доступными источниками возобновляемой энергии. Большинство фотоэлектрических модулей служат около 20 лет, но тепловые нагрузки и попадание влаги, среди прочих причин, могут со временем снизить выходную мощность модуля. Для целей наладки деградация параметров модуля может быть оценена по изменению его вольтамперной характеристики.

Поскольку выходная мощность фотоэлектрических модулей существенно зависит от температуры, важно измерять их характеристики в типичных условиях эксплуатации. Обычно это открытые солнечные площадки, такие как крыши домов или открытые незастроенные пространства, где бывает сложно обеспечить питание измерительного оборудования или контролировать температуру.

Поэтому важно, чтобы параметры измерительного оборудования, используемого для определения характеристик модуля, не менялись в зависимости от температуры. Идеальное решение для измерения вольтамперной характеристики также должно быть портативным и потреблять минимум энергии.

Однополярное питание и режим отключения микросхемы LTC2058 позволяют работать от батареи, максимально увеличивая срок ее службы. Два содержащихся в ней усилителя дают возможность одновременно измерять два параметра, например ток и напряжение. В приложениях, где температура изменяется в широких пределах, например, при измерении характеристик фотоэлектрических модулей, чрезвычайно низкий максимальный температурный дрейф входного напряжения смещения (0.025 мкВ/°C) позволяет LTC2058 сохранять точность измерений, несмотря на значительные колебания рабочей температуры. Например, температура окружающей среды в очень солнечном месте может достигать 45 °C, что на 20 °C выше обычных условий эксплуатации при комнатной температуре. Максимальный дополнительный дрейф входного смещения, вносимый усилителем LTC2058 в таких экстремальных условиях, составляет всего 0.5 мкВ.

Измерение вольтамперных характеристик фотоэлектрического модуля

Вольтамперная характеристика фотоэлектрического модуля создается путем подключения к модулю диапазона нагрузок от короткого замыкания до холостого хода и измерения результирующего тока (I_PV) и напряжения (V_PV) при каждой нагрузке. Один из методов заключается в многократных настройках мощного потенциометра или в использовании магазина нагрузочных сопротивлений и выполнении измерений в каждой точке. Недостатком этого подхода является то, что кратковременное затенение или увеличение освещенности от пролетающей над головой птицы, облака или яркого отражающего объекта могут вызвать кратковременные провалы или скачки выходной мощности, которые вносят погрешность в вольтамперную характеристику. Более быстрый метод заключается в размыкании переключателя, параллельного конденсатору большой емкости, поскольку, заряжаясь в течение сотен миллисекунд, конденсатор будет эффективно менять свой импеданс от короткого замыкания до обрыва, сводя к минимуму вероятность появления на кривой переходных эффектов.

Помимо очевидных преимуществ этого метода, а именно скорости, простоты и удобства измерения, использование быстрой емкостной развертки требует минимального количества мощных компонентов. Компоненты не подвергаются воздействию высокой мощности в течение более чем нескольких сотен миллисекунд. Таким образом, при правильном выборе нагрузочного конденсатора и токоизмерительного резистора эту точную измерительную схему можно использовать для широкого диапазона напряжений холостого хода и токов короткого замыкания модуля, например, в тестерах крупногабаритных фотоэлектрических модулей.

Тестовая схема развертки для измерения вольтамперной характеристики фотоэлектрического модуля

На Рисунке 1 показана реализация емкостной развертки для снятия вольтамперной характеристики фотоэлектрического модуля. Конденсатор C2 – это основная емкостная нагрузка, величина которой является компромиссом между скоростью измерения и точностью: при меньшей емкости C2 развертка происходит быстрее, снижая риск ошибки; при большей – медленнее, что позволяет получить более точную выборку измерений.

Рисунок 1.	Схема развертки для измерения характеристик фотоэлектрического модуля.

В исходном состоянии оба переключателя SW1 и SW2 замкнуты, поэтому напряжение на конденсаторе C2 отсутствует. Чтобы запустить развертку измерений, которая длится 150 мс и заканчивается зарядкой C2 до полного напряжения модуля, необходимо разомкнуть оба переключателя – сначала SW2, а затем SW1. Разрядка C2 после окончания измерения для подготовки к следующему циклу включает в себя сначала замыкание SW2, где включенный последовательно 2-ваттный резистор R3 снижает риск искрения, а затем замыкание SW1 для обеспечения истинного закорачивания (сопротивлением 0.3 Ом) конденсатора C2 и снижения напряжения на C2 до нуля. Для реализации полноценной системы в качестве этих переключателей могут быть использованы мощные MOSFET, управляемые цифровыми сигналами, которые контролируют время и последовательность переключений.

Гарантированное для микросхемы LTC2058 значение произведения усиления на полосу пропускания, равное 2.5 МГц, очень важно для точного отслеживания скорости развертки тока фотоэлектрического модуля на измерительном резисторе R_SENSE. Наибольшая ошибка измерения тока возникает в середине цикла развертки во время самого быстрого изменения тока. Хотя входное напряжение на резисторе R_SENSE имеет относительно низкую скорость изменения 3.6 В/с (см. Рисунок 2), групповая задержка операционного усилителя приводит к ошибке в реальном времени на выходе измерителя тока. Кроме того, поскольку сопротивление токоизмерительного резистора R_SENSE довольно велико, для того, чтобы при максимальном токе короткого замыкания (I_SC), равном 0.5 А, обеспечить выходной сигнал 2 В, достаточно коэффициента усиления замкнутого контура схемы измерения тока всего 4 В/В. Такой небольшой коэффициент усиления не является проблемой благодаря устойчивости LTC2058 при единичном коэффициенте усиления. Таким образом, большое произведение усиления на полосу пропускания микросхемы LTC2058 и низкое требование к коэффициенту усиления замкнутого контура обеспечивают быстрый отклик, минимизируя ошибку из-за групповой задержки.

Рисунок 2.	Напряжение на токоизмерительном резисторе изменяется со скоростью порядка 3.6 В/с.

Конденсатор большой емкости C2 в сочетании с большим сопротивлением токоизмерительного резистора R_SENSE определяют скорость изменения измеряемого параметра и, следовательно, ошибку из-за фиксированной задержки.

Компромисс, связанный с выбором C2, заключается в том, что при большей емкости измерение вольтамперной характеристики занимает больше времени.

Диод D1 позволяет выходному сигналу канала измерения тока достигать 0 В, чтобы точно измерять ток в условиях обрыва нагрузки в самом конце цикла развертки. Стабилитрон D2 и резистор R8 сопротивлением 200 Ом помогают защитить неинвертирующий вход усилителя измерителя тока от электрических перегрузок.

В канале измерения напряжения резисторы R1 и R2 делят полное напряжение модуля таким образом, чтобы напряжение на выходе V_PV после усиления каскада 5 В/В находилось в пределах напряжения шины питания 5 В. Сопротивления резисторов R1 и R2 можно подобрать для снижения любого напряжения холостого хода модуля (V_OC), при условии, что потребляемый делителем ток незначителен по сравнению с током I_SC модуля. В этой конструкции ток через резисторы R1 и R2 вносит погрешность 19 мкА или 0.0038% от I_SC.

Рисунок 3.	Зависимости тока и мощности фотоэлектрического модуля от выходного напряжения модуля, полученные с помощью схемы развертки измерения на основе усилителя LTC2058.

Зависимости тока и мощности фотоэлектрического модуля от выходного напряжения приведены на Рисунке 3. Подключение схемы емкостной развертки показано на Рисунке 4.

Рисунок 4.	Схема емкостной развертки для снятия характеристик фотоэлектрического модуля; подключение модуля слева, конденсатор C2 справа.

Заключение

Если измерительное устройство расположено вблизи фотоэлектрического модуля, оно, также как и модуль, будет подвергаться воздействию экстремальных температур окружающей среды, таких как холод, яркий солнечный свет или жаркий климат пустыни. При этом оно должно сохранять свою точность, чтобы фиксировать изменение параметров фотоэлектрического модуля в зависимости от температуры. Максимальный средний температурный дрейф входного смещения LTC2058, составляющий всего 0.025 мкВ/°C, позволяет точно измерять характеристики солнечных панелей в широком диапазоне температур.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices LTC2058