用於測試聚光光伏模塊的方法與流程

2024-03-23 22:28:05 2

本發明涉及用於測試聚光光伏模塊的方法和裝置。

背景技術：

聚光光伏模塊(CPV)主要包括(例如多結)光伏電池和聚光器，該聚光器被設計成使太陽輻射朝向所述電池聚光。

在多結電池的情況下，不同的結串聯布置，每個結均適應太陽光譜的特定光譜帶。

大小小於由矽製成的常規太陽電池的多結電池的優點是提供更好的效率，但需要更高的光強度來運行。

在CPV模塊中，電池與例如菲涅爾透鏡的聚光器關聯，該聚光器使太陽輻射朝向電池聚光。

另外，光伏模塊被設計成安裝在太陽跟隨系統(也被稱為「跟蹤器」)上，以使模塊根據太陽軌跡而最佳取向，使得聚光器將太陽的光線聚焦在電池上。

在製造這樣的光伏模塊期間，經常驗證每個模塊的操作和性能，為的是檢測任何一個結的任何故障、聚光器的質量或定位缺陷或模塊在加快之前的任何其它異常。

模塊通過完全或部分串聯安裝而頻繁組合。在這種情況下，整體系統的性能將受限於最弱的元件。因此可以證明有用的是在組合模塊之前選擇模塊，使得模塊的響應是均質的。為此，重要的是能夠測量該模塊的性能。

出於該目的，已知藉助一般稱為「閃光器」的照明裝置來模擬太陽的照明，該照明裝置生成的光束具有接近太陽的光照強度、光譜功率分布和角發散度。待測試模塊的整個表面都符合這些特性。

目前市售的CPV模塊具有相對較小的尺寸(具有0.5到1.5m2的量級)。存在著在這種類型的模塊上模擬太陽照明的照明裝置。

Soitec公司銷售大尺寸太陽模塊，具有若干m2的表面，包括由單個機殼連接的若干CPV模塊。

所以例如，8m2的模塊可以由可以任選地串聯連接的兩行各六個子模塊形成。

因此，能夠測試大尺寸模塊是成問題的。事實上，因為子模塊完全或部分串聯地連接並且其機械完整性由單個機殼保證，所以子模塊不能單獨地測試。

另一方面，重要的是在安裝之前確保組件的操作。

因此有必要能夠通過模擬最接近太陽輻射的照明來驗證完整模塊的性能。

為此，照明裝置必須考慮的約束如下：

-比得上太陽在地面水平產生的光照強度，即1kW/m2量級；

-通過考慮光譜密度再現從紫外到紅外的完整太陽光譜；

-接近太陽光的角發散度，即0.5°(±0.25°)；

-光照強度的相當大的空間均勻性(目的是光照強度的不均質性小於或等於5％)。

已知照明裝置不響應於大尺寸模塊的這些需求。

事實上，這些裝置提供更減少的領域或特性(尤其是角發散度)(太遠難以從太陽中除去)。

單個光源在一平方米到幾平方米量級的延伸領域的這樣的特性可以用閃光燈僅再現很短的周期。

事實上，在m2量級的表面上產生1kW/m2量級的光照強度的必要功率太大難以繼續(功率消耗然後將非常高，隨之會加熱所述系統)。

閃光燈一般用在這種類型的照明裝置中，因為閃光燈達到足夠的強度來測試光伏模塊。

設計照明裝置時考慮的另一約束是測試設施的緊湊。

所以，將光源遠離模塊放置以獲得較低角發散度是不可行的，因為給定模塊的表面，這將暗示數十米的距離，與工業設施不兼容。

可能可行的是使用將照射模塊的每個部分的若干已知裝置。

然而，使包括產生不同射束的閃光燈的光源同步的問題出現。

事實上，光源產生光脈衝，並且在這些脈衝期間記錄模塊性能的測量結果。

這樣，可以進行測量，脈衝因此對所有光源而言在同一時刻產生，即，所述源在幾百μs量級的範圍內同步。

光源的閃光燈由聚光器電池供電。

因此，在所述源的觸發與脈衝的發射之間存在延遲，其大於優選的同步範圍。

該延遲從一個源到另一個源是可變的。

可能是由於電觸發電路的阻抗，或者由於觸發卡的時鐘差導致延遲。

技術實現要素：

本發明的目的是設計一種用於測試大尺寸聚光光伏模塊的裝置，該裝置考慮上文提到的約束，並且提供尤其精確的光源同步。根據本發明，提出了一種用於測試聚光光伏模塊的方法，所述聚光光伏模塊包括多個子模塊，每個子模塊均包括多個由光伏電池和聚光器構成的組件，所述聚光器相對於所述電池布置成將以正交入射抵達的輻射朝向所述電池聚光，所述方法的特徵在於：

-藉助聯接到相應拋物面反射鏡的多個光源朝向所述模塊發送多個幾乎準直的光束，每個光源均包括適於發射光脈衝的燈並且包括適於向所述燈供電的供電裝置，每個光源均具有在所述供電裝置的觸發與燈的脈衝發射之間的接通延遲，所述延遲特別針對每個相應光源；

-在根據所述燈的接通延遲而確定的相應時刻觸發每個燈的所述供電裝置，使得所有燈的脈衝同時發射並被所述模塊同時接收；以及

-在所述同時脈衝期間測量所述模塊的響應。

通過脈衝的同時性，清楚的是，所述脈衝呈現了至少95％的光強度覆蓋(其發光特性)，可優選地至少為98.5％。

例如，對於1ms的測量周期，應確保兩個燈的脈衝的相應時刻之間的最大間隔小於或等於50μs，可優選地小於或等於15μs。

幾乎準直的射束在本文中指的是發散度低，通常小於1°的射束。在本發明中，為了再現太陽的發散，幾乎準直的射束具有+/-0.25°的發散度。

如本身已知的，通過將每個光源的孔放置在與之聯接的拋物面反射鏡的焦點處或焦點附近而獲得每個幾乎準直的射束，技術人員能夠限定孔的尺寸特性以及源–反射鏡對的尺寸特性，以獲得這樣的幾乎準直的射束。

藉助有利的方式，通過測量所述供電裝置的觸發時刻和所述脈衝的時刻來預先確定每個燈的所述接通延遲，所述接通延遲被確定為等於所述脈衝的時刻與所述觸發時刻之間的差。

根據一個實施方式，所述測量通過將每個子光伏模塊替換為包括單結光伏電池的測試部件而做出。

可優選地，所述燈是閃光燈。

根據一個實施方式，使用與光源一樣多的拋物面反射鏡，每個光源均布置在對應拋物面反射鏡的焦點處。

根據特定實施方式，使用與待測試光伏模塊的子模塊一樣多的特定光源和拋物面反射鏡，每個光源和每個拋物面反射鏡均被聯接以朝向對應子模塊發送幾乎準直的光束。

所述待測試模塊的表面可以大於或等於8m2。

另外，所述模塊的電池可以是多結電池。

本發明的另一目的是一種用於測試包括多個子模塊的聚光光伏模塊的裝置，每個子模塊均包括多個由光伏電池和聚光器構成的組件，所述聚光器相對於電池布置成將以正交入射抵達的輻射朝向所述電池聚光，所述測試裝置的特徵在於包括：

-多個光源，每個光源均包括適於發射光脈衝的燈並且包括適於向所述燈供電的供電裝置，每個光源均具有在所述供電裝置的觸發與燈的脈衝發射之間的接通延遲，所述延遲特別針對每個相應光源；

-多個拋物面反射鏡，所述拋物面反射鏡聯接到所述光源，以在垂直於所述模塊的表面的方向上朝向待測試模塊以多個幾乎準直的光束將從每個光源始發的光往回發送；

-所述光源的同步系統，所述同步系統被構造成在根據所述燈的接通延遲確定的相應時刻觸發每個燈的供電裝置，使得所述燈的脈衝同時發射並被所述子模塊同時接收；以及

-測量裝置，所述測量裝置用於測量所述模塊在所述同時脈衝期間的響應。

附圖說明

本發明的其它特性和優點將參考附圖從以下詳細描述中出現，其中：

圖1A是包括串聯連接的若干子模塊的聚光光伏模塊的示意圖；

圖1B是屬於這樣的模塊的子模塊的光伏電池—聚光器組件的示意圖；

圖2是根據本發明的測試裝置的組裝圖；

圖3圖示了光脈衝；

圖4圖示了三個光源的同步原理。

具體實施方式

圖1A是本發明測試的光伏模塊的示意圖。

待測試的所述模塊1包括多個聚光子光伏模塊10。

每個子模塊10均包括多個電池—聚光器組件。

如圖1B中圖示的，每個組件100主要包括(例如多結)光伏電池101和聚光器102，該聚光器102被設計成將以正交入射抵達的太陽輻射朝向所述電池101聚光。任選地，電池101放置在散熱器103上以限制其溫度上升。

例如，聚光器102包括菲涅爾透鏡。

在本文中，待測試模塊的表面是聚光器的表面。

任選地，形成模塊1的子模塊10可以串聯或並聯地電連接。

每個子模塊10的表面一般具有矩形形狀，其寬度和高度分別在以下範圍中：寬度介於30到80cm之間，例如為60cm；並且高度介於60到150cm之間，例如為120cm。

子模塊10通常布置成行和/或列的形式以形成所述模塊。

例如，8m2的模塊可以由兩行各六個子模塊形成，每個子模塊具有約0.7m2的表面。

圖2是根據本發明的測試裝置的組裝圖。

所述裝置包括用於待測試模塊1的支撐件3。

可優選地，支撐件3被布置成使得待測試模塊的表面是豎直的。

本文中的「豎直」指的是垂直於供測試裝置安裝的建築物的地板的方向。

所述模塊聯接到測量裝置(未圖示)，該測量裝置測量所述模塊對光束照明的響應。

在確定的周期(例如1ms量級)期間執行測量。

在支撐件3前面，測試裝置包括多個光源2和多個拋物面反射鏡4，該拋物面反射鏡4聯接到光源，以便在垂直於模塊表面的方向上以幾乎準直的光束反射從每個源始發的光。

根據優選實施方式，每個源均布置在對應拋物面反射鏡的焦點處。

在這種情況下，測試裝置因此包括與反射鏡一樣多的源。

這利用多個相同的反射鏡，其位置和取向被調整為朝向待測試模塊往回發送垂直於所述模塊的表面的幾乎準直的射束。

根據另一實施方式，每個光源均可以聯接到若干反射鏡，在一定程度上這些反射鏡被布置成使其焦點被組合，所述源布置在放置這些焦點的地方。

在圖2圖示的實施方式中，模塊1包括水平兩行各六個子模塊10，測試裝置包括位於模塊1任一側的根據水平兩行放置的十二個光源2，並且包括面對模塊1的根據水平兩行放置的十二個拋物面反射鏡4。

每個源及對應的拋物面反射鏡相對於彼此取向，使得由反射鏡發送回的光束垂直於對應子模塊的表面。

所述源與拋物面反射鏡之間的距離被限定成使得由每個反射鏡發送回的幾乎準直的光束以優選的特性照射對應子模塊的整個表面。

該距離以及反射鏡的表面因此取決於待測試模塊的子模塊的表面。

不希望限制，應考慮的是，拋物面反射鏡與光源之間的在地面處測量的2米到6米量級的距離是合理的，該距離確定了在測試裝置的地面處的大部分表面。

但並非必不可少的是，光源和拋物面反射鏡的數目與待測試光伏模塊的子模塊的數目相同。

事實上，如果每個子模塊的表面足夠低，則可以歸結為：光源—拋物面反射鏡對會照射若干子模塊並且保留對於測試裝置和反射鏡大小而言可接受的地面空間，這不損害其製造成本。

另一方面，在相鄰的幾乎準直的射束之間的邊界處可能存在強度不能滿足均勻性或發散標準的區域。

在這種情況下，光源和拋物面反射鏡有利地布置成使得未被反射鏡所發送的準直射束照射的區域與將子模塊從待測試模塊分離的區域重合，就光電轉換而言這是不實用的。

出於組裝模塊的原因，從圖1A中明顯的是，事實上在兩個相鄰的子模塊10之間存在空間，在該空間處，不發生光電轉換。

以這種方式，如果在這些區域中發生均勻性的任何缺陷，則這些缺陷對測試質量沒有負面影響。

為了允許這種調整，測試裝置被設計成使得可以調整每個反射鏡的位置和取向。

間隙有利地設置在反射鏡之間以實現這樣的調整。

每個光源均包括為了其產生優選光譜和光照強度的能力而選擇的燈，並且包括適於向所述燈供電的供電裝置。

一般來說，所述燈是閃光燈。

例如，所述燈是氙氣閃光燈。

如圖3中圖示的，這樣的適應的燈以光脈衝P的形式發射照明。

這樣的脈衝通過聚光器電池的突然放電而獲得。

脈衝P因此在時刻tP(在本文中認為是脈衝的時刻)具有最大強度，隨後強度緩慢降低直到時刻tF，在時刻tF，放電經由低電阻通過使之短路而中斷，以限制發送給燈的功率。

事實上，因為燈僅可以支撐低功率，脈衝的周期必須都是較短的，因為期望強脈衝。

為了保存圍繞最大強度的相對平坦形式的脈衝(脈衝類似於槽)，有利地使用聚光器的過大電池，並且一旦做出測量就中斷放電。

在模塊上做出的測量必須在每個燈的脈衝期間在時刻tP之後做出。

必要的話，對應於時刻tF與tP之間的差的脈衝周期ΔtP因此限定為至少等於可能存在於兩個燈的脈衝之間的最大時間偏移的必要測量周期與需要的安全餘量的和。

在實踐中，脈衝周期通常介於500μs到2ms之間。

根據本發明的實施方式，在1ms周期期間進行測量，每個燈的脈衝周期略微大於該周期。

自然地，可以在較短周期期間進行測量，例如如果使用產生更高強度的燈，則脈衝必須更短。

燈的供電裝置是常規的，因此不需要進一步描述，技術人員能夠選擇存在於市場上的任何充足的供電裝置。

由於供電裝置中使用的電子部件並且由於使用各包括不同時鐘的多個觸發卡，接通延遲經常發生在供電裝置的觸發與燈發射脈衝之間。

為了消除從一個源到另一個源可變的該延遲的存在，本發明提出了下文描述的不同燈的脈衝的同步方法。

在第一實例中，確定每個光源的接通延遲。

確定該延遲的步驟可以通過測量燈的觸發時刻還有最大脈衝強度發生的時刻來執行。

測量脈衝時刻可以通過放置例如包括單結電池的測試部件來代替子模塊而獲得。

這樣的部件對照明脈衝產生瞬態響應(或者在任何情況下，具有相對於測量的忽略不計的響應延遲)，使得可以直接測量脈衝的時刻。

接通延遲被定義為脈衝時刻與觸發時刻之間的差。

每個燈的接通延遲通過繼續如上文指出地測量。

一旦進行該測量，接通延遲就不可能變化，因為每個燈均運行著。

當替換測試裝置上的燈時，足以測量接通延遲。

測試裝置包括光源的同步系統，該同步系統包括記錄每個源的接通延遲的存儲器。

同步系統進一步包括處理器，當源的觸發順序發出時，所述處理器針對每個源確定每個燈的觸發時刻，等於必須發生同步脈衝的確定時刻與每個源的接通延遲之間的差。

然後，同步系統在該相應確定時刻觸發每個源。

所以，所有燈的脈衝是同時的。

該原理在圖4中示出，是在三個光源的情況下。

圖4示出了作為時間t的函數的脈衝的光強度I。

在此針對三個源同步的脈衝P的時刻記做tP。

第一光源具有接通延遲Δt1並且在時刻tD1＝tP-Δt1被觸發。

第二光源具有接通延遲Δt2並且在時刻tD2＝tP-Δt2被觸發。

第三光源具有接通延遲Δt3並且在時刻tD3＝tP-Δt3被觸發。

以這種方式，每個子模塊在同一時刻接收每個源的脈衝。