TWI556570B - 太陽能電池特性的量測裝置及使用其之量測方法 - Google Patents

Description

太陽能電池特性的量測裝置及使用其之量測方法

本發明是有關於一種太陽能電池特性的量測裝置及使用其之量測方法，且特別是有關於一種太陽能電池特性的量測裝置及使用其之量測方法。

太陽能電池可將光能轉換成電能。在使用太陽能電池前須先了解太陽能電池的特性，以提供適當的電氣訊號給太陽能電池而獲得對應的照度及/或發光色溫。因此，如何精確地獲得太陽能電池的特性曲線是本技術領域業者努力的方向之一。

因此，本發明提出一種量測裝置及應用其之量測方法，可獲得精確的太陽能電池特性曲線。

根據本發明之一實施例，提出一種量測裝置。量測裝置用以量測一太陽能電池的特性。量測裝置包括數種光源、一回授控制模組及一電源量測單元。各光源的色光係相異，且各光源包括數個對稱配置的發光元件。回授控制模組用以控制此些發 光元件所發射光線的一照度。回授控制模組用以判斷照度的不穩定性是否小於一第一預設比例。若照度的不穩定性小於第一預設比例，電源量測單元在該照度下量測太陽能電池的特性。

根據本發明之另一實施例，提出一種量測方法。量測方法用以量測一太陽能電池的特性。量測方法包括以下步驟。提供一量測裝置，其中量測裝置包括數種光源、一回授控制模組及一電源量測單元。回授控制模組以回授控制的方式，控制光線的一照度；判斷照度的不穩定性是否小於一第一預設比例；以及，若照度的不穩定性小於第一預設比例，在該照度下量測太陽能電池的特性。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

10‧‧‧太陽能電池

100‧‧‧量測裝置

110‧‧‧容置部

120‧‧‧燈座

120b‧‧‧下表面

130、140‧‧‧光源

131‧‧‧第一光源

1311‧‧‧發光元件

132‧‧‧第二光源

133‧‧‧第三光源

134‧‧‧第四光源

135‧‧‧第五光源

136‧‧‧第六光源

150‧‧‧載板

150u‧‧‧上表面

160‧‧‧回授控制模組

161‧‧‧光感測器

162‧‧‧回授控制器

163‧‧‧照度均勻性計算器

170‧‧‧電源量測單元

a、b、c、d、e、f‧‧‧點

C1、C2、C3、C4‧‧‧曲線

C5、C6‧‧‧線性方程式

e(t)‧‧‧誤差訊號

FF‧‧‧填充因數

Isc‧‧‧短路電流

L1‧‧‧光線

M₀‧‧‧初始照度

M_a‧‧‧照度平均值

M_av‧‧‧照度不均勻性

M_max‧‧‧最大照度值

M_min‧‧‧最小照度值

M_t‧‧‧照度不穩定性

r(t)‧‧‧初始值

R1‧‧‧區域

S1‧‧‧封閉空間

S110至S150‧‧‧步驟

S_d‧‧‧照度標準差

t₀、t₁、t₂‧‧‧時間點

△t‧‧‧時間區間

u(t)‧‧‧輸入訊號

第1圖繪示依照本發明一實施例之量測方法的流程圖。

第2圖繪示依照本發明一實施例之量測裝置的示意圖。

第3圖繪示第2圖之燈座與光源的底視圖。

第4A圖繪示使用第2圖之量測裝置界定一區域的示意圖。

第4B圖繪示第4A圖之量測裝置的俯視圖(未繪示燈座及光源)。

第5A圖繪示使用第2圖之量測裝置控制光源之照度的示意圖。

第5B圖繪示第5A圖之量測裝置的俯視圖(未繪示燈座及光源)。

第6圖繪示第2圖之回授控制器的功能方塊圖。

第7圖繪示第5A圖之光源所發出光線的照度變化圖。

第8圖繪示第5A圖之太陽能電池之電壓與電流關係的特性曲線圖。

第9圖繪示第5A圖之太陽能電池之照度與短路電流關係的特性曲線圖。

第10圖繪示第5A圖之太陽能電池之溫度與填充因數關係的特性曲線圖。

第1圖繪示依照本發明一實施例之量測方法的流程圖。

在步驟S110中，提供量測裝置100。

請參照第2及3圖，第2圖繪示依照本發明一實施例之量測裝置100的示意圖，第3圖繪示第2圖之燈座120與光源130的底視圖。量測裝置100包括容置部110、燈座120、數種光源130、光源140、載板150、回授控制模組160及電源量測單元170。

量測裝置100用以量測太陽能電池10的特性。太陽能電池10設於載板150的上表面150u。太陽能電池10電連接於電源量測單元170，電源量測單元(Source Measurement Unit,SMU)170可依據太陽能電池10的電氣訊號計算太陽能電池10的各種特性，如電壓與電流特性曲線、照度與短路電流特性曲線、 溫度與填充因數(Fill Factor，FF)特性曲線或其它特性。

容置部110設於燈座120與載板150之間。容置部110、燈座120與載板150形成一封閉空間S1，其中光源130可設於封閉空間S1內，可減少或甚至避免光源130所發出光線的漏光量。一實施例中，容置部110可呈封閉環狀，其剖面可以是圓形、多邊形或其它外形。

燈座120可受控於回授控制模組160，使設於燈座120上的光源130可受到回授控制模組160的控制。

光源130設於燈座120的下表面120b。各光源130可以是符合室內或戶外照明的標準光源，如符合國際照明委員會所制定的ISO/CIE 8995-1、北美照明協會IESNA、英國BS EN 12464-1、德國prEN 12464-1、日本JIS Z0125-2007、新加坡SS531-2006、澳洲AS/NZS 1680-2006、美國ASHARE90.1-2007等的光源。具體來說，各光源130可以是發出色溫6500K的D65光源(可模擬藍天日光)、色溫7500K的D75光源(可模擬北方平均太陽光)、色溫5000K的D50光源(可模擬自然太陽光)、色溫4000K的TL84光源(可模擬歐洲商店燈光)、色溫4100K的D65光源(可模擬藍天日光)、色溫6500K的CWF光源(可模擬美國商店燈光)、色溫3000K的U30光源(可模擬另一種美國商店燈光)、色溫3500K的U35光源(可模擬指定的商店燈光)、色溫2700K的F光源(可模擬家庭酒店暖色燈光)或色溫2856K的白熱(Incandescent)光源(可模擬展示廳投射燈)。

各光源130可以發出不同色溫的可見光，例如是可發出介於2700K至7500K之間的一色溫的可見光，然亦可為其它色光範圍。此外，另一光源140設於燈座120的中心位置上，其可發出不可見光，例如是紫外光源。

光源130可以是點光源或線光源。數個光源130的至少一者可以是點光源，而其它者可以是線光源。例如，光源130可包含第一光源131、第二光源132、第三光源133、第四光源134、第五光源135及第六光源136，其中第一光源131、第二光源132、第三光源133、第四光源134、第五光源135與第六光源136可以是點光源，而第三光源133及第六光源136可為點光源。

此外，各光源130包括數個對稱配置的發光元件。以第一光源131舉例來說，其包括數個對稱配置的發光元件1311，此些發光元件1311相對燈座120的中心位置呈對稱配置。由於各光源130的數個發光元件對稱設置，因此可增加整體照光均勻性。

回授控制模組160包括光感測器161、回授控制器162及照度均勻性計算器163，其中光感測器161可設於封閉空間S1內且可偵測光源130的發光元件所發射的光線L1的照度，回授控制器162可控制數個光源130之至少一者發出光線，而照度均勻性計算器163可依據光感測器161的照度偵測訊號界定符合特定照度均勻性的一區域。回授控制器162可控制照度穩定性。此外，回授控制器162及/或照度均勻性計算器163可以是半 導體電路、軟體及/或韌體，二者可以整合或個別配置。此外，回授控制器162與照度均勻性計算器163可設於桌上型電腦、伺服器、筆記型電腦或其它類型的電子裝置。

在步驟S120中，照度均勻性計算器163可界定光源130之發光元件所發射的光線L1的照度不均勻性小於第二預設比例的區域R1，其中第二預設比例例如是1%或其它合適比例值。

舉例來說，請參照第4A及4B圖，第4A圖繪示使用第2圖之量測裝置100界定區域R1的示意圖，第4B圖繪示第4A圖之量測裝置100的俯視圖(未繪示燈座120及光源130)。數個光感測器161可以陣列形式排列在載板150的上表面150u，此些光感測器161可電連接照度均勻性計算器163。然後，各光感測器161將偵測到的光線L1的照度偵測訊號傳送給照度均勻性計算器163。照度均勻性計算器163依據此些光感測器161的照度偵測訊號去計算照度不均勻性M_av小於第二預設比例的區域R1的範圍。

本實施例之照度不均勻性M_av的計算公式如下式(1)。式(1)中，M_max表示區域R1內的最大照度值，M_min表示區域R1內的最小照度值。

在步驟S130中，可以回授控制的方式，控制光源130所發射光線L1的照度，使照度穩定性小於一第一預設比 例，以增加量測裝置100所量得的太陽能電池特性的精確度。此處的”精確度”係指本發明實施例之量測裝置100所量得的太陽能電池特性曲線能精確地反應太陽能電池10本身固有特性。以下進一步說明。

請參照第5A及5B圖，第5A圖繪示使用第2圖之量測裝置100控制光源130之照度的示意圖，第5B圖繪示第5A圖之量測裝置100的俯視圖(未繪示燈座120及光源130)。本步驟中，可將太陽能電池10及光感測器161設於區域R1內。由於區域R1的照度不均勻性M_av小於第二預設比例，因此可增加電源量測單元170量測太陽能電池10的特性的精確度。

第6圖繪示第2圖之回授控制器162的功能方塊圖。回授控制器162以回授控制的方式，控制此些發光元件所發射光線L1的照度不穩定性小於一第一預設比例，以增加電源量測單元170量測太陽能電池10的特性的精確度，其中第一預設比例例如是1%或其它合適比例值。

本實施例中，回授控制器162例如是比例-積分-微分(proportional-integral-differential,PID)控制器，其由比例單元、積分單元和微分單元組成，其分別通過Kp、Ki及Kd三個參數設定。本實施例中，回授控制器162是5參數的PID控制器。例如，回授控制器162的參數除了上述Kp、Ki及Kd三個參數外，更包含Td及Ti參數，其中參數Td等於Kd/Kp(Kd與Kp的商或比值)，而參數Ti等於Kp/Ki(Kd與Ki的商或比值)。第6圖的回授控制 器162可以輸出訊號u(t)，以控制光源130的發光照度，其中輸出訊號u(t)、誤差訊號e(t)與5參數的關係如下式(2)。

由於5參數的設計，可減小光線L1的照度不穩定性，如此可彌補光感測器161的感測誤差。進一步地說，一般而言，光感測器161都有一定的感測誤差。感測誤差愈小的，電路設計愈複雜且成本愈高；反之則電路設計較簡單且成本較低。由於本發明實施例的量測裝置100透過回授控制將照度不穩定性控制在一預設比例下，因此即使採用感測誤差量大的光感測器161，仍可使所量得的太陽能電池10的特性的精確度維持在一容許誤差範圍內。

第7圖繪示第5A圖之光源130所發出光線的照度變化圖。曲線CI表示光線L1的照度隨時間的變化趨勢。在時間點t₀時，輸入回授控制器162的初始值為r(t)，使光源130發出初始照度為M₀的光線L1。由於回授控制器162持續接收光感測器161的照度偵測訊號，因此可以回授控制方式，依據最新的照度偵測訊號，控制光線L1的照度往更穩定方向發展。例如，透過回授控制方式，光線L1的照度從時間點t₀至時間點t₁的期間係逐漸穩定。一實施例中，時間點t₀至時間點t₁的期間約20分鐘至30分鐘。在回授控制下，時間點t₁之後的照度不穩定性M_t小於第一預設比例，如此可增加電源量測單元170量測太陽能電 池10的特性的精確度。

本實施例之照度不穩定性M_t的計算公式如下式(3)。式(3)中，S_d表示區域R1內一時間區間的照度標準差(Standard Deviation)，而M_a表示區域R1內該時間區間的照度平均值。例如，時間點t2的照度不穩定性M_t為時間區間△t內的照度標準差S_d與照度平均值M_a的商值，其中時間區間△t例如是從時間點t2往前追溯的一段時間，其可以是十分鐘或任意時間區間。

此外，由於本發明實施例之量測裝置100採用回授控制方式自動調整光源130所發出光線L1的照度，因此不需手動調整光源照度，且不需透過調整太陽能電池10與光源130之間距的方式來調整照度。

在步驟S140中，回授控制器162判斷照度不穩定性M_t是否小於第一預設比例，若是，進入步驟S150；若否，回到步驟S130，直到照度不穩定性M_t控制在小於第一預設比例。

在步驟S150中，電源量測單元170在照度不穩定性M_t小於第一預設比例下，量測太陽能電池10的特性，如電壓與電流關係曲線、照度與短路電流關係曲線及/或溫度與填充係數關係曲線。

第8圖繪示第5A圖之太陽能電池10之電壓與電流關係的特性曲線圖。曲線C2係使用第5A圖之量測裝置100所量 測出太陽能電池10的電壓與電流的特性曲線。由於本發明實施例的量測裝置100的設計，使光線L1的照度不穩定性小於第一預設比例及/或照度不均勻性小於第二預設比例，因此在不同時間(或不同量測批次)所量測的數條曲線趨勢大致上一致或重疊，如曲線C2。相較之下，若光線L1的照度不穩定性大於第一預設比例及/或照度不均勻性變化大於第一預設比例，則不同時間所量測的數條曲線都會不一致，如一個時間點量得曲線C3，而另一時間點卻量得不同的曲線C4。

第9圖繪示第5A圖之太陽能電池10之照度與短路電流Isc關係的特性曲線圖。第9圖的點a、b及c係使用第5A圖之量測裝置100所量測出太陽能電池10的特性點。點a、b及c表示太陽能電池10在同一溫度下，太陽能電池10的短路電流Isc隨照度變化的趨勢。在不同照度下，各點的短路電流Isc不同。例如，以點a來說，在照度為50勒克斯(lux)的光線L1的照射下，太陽能電池10的短路電流約為0.08毫安培(mA)；以點b來說，在照度為200 lux的光線L1的照射下，太陽能電池10的短路電流約為0.21mA；以點c來說，在照度為1000 lux的光線L1的照射下，太陽能電池10的短路電流約為0.83mA。透過多項式擬合曲線的數學方法，可獲得點a、b及c的線性方程式C5，此線性方程式C5可視為太陽能電池10的照度與短路電流特性曲線。

在另一實施例中，第5A圖的載板150可以是溫控板，例如，載板150具有加熱器及冷卻器，其可透過加熱及/或冷 卻方式，控制太陽能電池10的溫度。由於載板150可控制太陽能電池10的溫度維持在一溫度值或變化至另一溫度值。

透過載板150的溫控，可獲得太陽能電池10的溫度與填充因數的特性曲線，以下以第10圖進一步說明。

第10圖繪示第5A圖之太陽能電池10之溫度與填充因數關係的特性曲線圖。第10圖的點d、e及f係使用第5A圖之量測裝置100所量測出太陽能電池10的特性點。點d、e及f表示同一種光源130且同一照度下，太陽能電池10的填充因數FF隨溫度變化的趨勢。在不同溫度下，各點的填充因數FF不同。例如，以點d來說，在太陽能電池10的溫度為攝氏15度時，太陽能電池10的填充因數約為44.5%；以點e來說，在太陽能電池10的溫度為攝氏26度下，太陽能電池10的填充因數約為45.7%；以點f來說，在太陽能電池10的溫度為攝氏35度下，太陽能電池10的填充因數約為46.2%。透過多項式擬合曲線的數學方法，可獲得點d、e及f的線性方程式C6，此線性方程式C6可視為太陽能電池10的溫度與填充因數特性曲線。

在步驟S150的執行過程中，回授控制器162仍採用回授控制方法，持續地將照度不穩定性Mt控制在第一預設比例內，以維持所量測之太陽能電池10的特性的精確度。

綜合上述，由於本發明實施例的量測裝置採用回授控制方法自動控制光源所發出光線的照度，因此不需手動調整光源照度，也不需藉由改變光源與太陽能電池之間距的方式來調整 照度，且可提升所獲得的太陽能電池特性的精確度。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧太陽能電池

100‧‧‧量測裝置

110‧‧‧容置部

120‧‧‧燈座

120b‧‧‧下表面

130‧‧‧光源

150‧‧‧載板

150u‧‧‧上表面

160‧‧‧回授控制模組

161‧‧‧光感測器

162‧‧‧回授控制器

163‧‧‧照度均勻性計算器

170‧‧‧電源量測單元

Claims (16)

1. 一種量測裝置，用以量測一太陽能電池的特性，該量測裝置包括：複數種光源，各該種光源的色光係相異，且各該種光源包括複數個對稱配置的發光元件；一回授控制模組，用以控制該些發光元件所發射之一光線的一照度及判斷該照度的不穩定性是否小於一第一預設比例；以及一電源量測單元，若該照度的不穩定性小於該第一預設比例，該電源量測單元在該照度下量測該太陽能電池的特性。
2. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，其中該第一預設比例係1%。
3. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，其中該回授控制模組包括：一回授控制器；以及一光感測器，用以偵測該光線的該照度。
4. 如申請專利範圍第3項所述之量測裝置，其中該回授控制器係一比例-積分-微分(PID)控制器。
5. 如申請專利範圍第4項所述之量測裝置，其中該PID控 制器的參數數量係5個。
6. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，其中該太陽能電池位於該些光源的下方的一區域，該照度於該區域內的一不均勻性小於一第二預設比例。
7. 如申請專利範圍第6項所述之量測裝置，其中該第二預設比例係1%。
8. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，更包括：一燈座，該些光源設於該燈座上；一載板，用以承載該太陽能電池；以及一容置部，位於該燈座與該載板之間且用以容置該些光源及該太陽能電池。
9. 如申請專利範圍第8項所述之量測裝置，其中該載板係溫度控制板。
10. 一種量測方法，用以量測一太陽能電池的特性，該量測方法包括：提供一如申請專利範圍第1項所述之量測裝置；該回授控制模組以回授控制的方式，控制該些發光元件所發 射之一光線的一照度；該回授控制模組判斷該照度的不穩定性是否小於一第一預設比例；以及若該照度的不穩定性小於該第一預設比例，該電源量測單元在該照度下量測該太陽能電池的特性。
11. 如申請專利範圍第10項所述之量測方法，其中該第一預設比例係1%。
12. 如申請專利範圍第10項所述之量測方法，更包括：界定該照度的不均勻性小於一第二預設比例的一區域；其中，於量測該太陽能電池的特性的步驟中，該太陽能電池係位於該區域內。
13. 如申請專利範圍第12項所述之量測方法，其中該第二預設比例係1%。
14. 如申請專利範圍第10項所述之量測方法，其中該回授控制模組包括：一回授控制器；以及一光感測器，用以偵測該光線的該照度。
15. 如申請專利範圍第14項所述之量測方法，其中該回授控制器係一PID控制器。
16. 如申請專利範圍第15項所述之量測方法，其中該PID控制器的參數數量係5個。