Hogyan csökkentsük a költségeket a rugalmasság szerint felépített mérőrendszerben? A napenergiát hasznosító rendszerek iránt növekedő kereslet nyomán nő az igény a diszkrét napelemcellák és -modulok elektronikai tesztelésére. A kulcsrakész tesztrendszerek előnye, hogy gyorsan munkára foghatók, azonban ennek meg is kérik az árát, és megvan az a kockázat is, hogy a teljes rendszer a technológiák gyors fejlődése miatt gyorsan elavul. Ezzel szemben a rendszer elemekből való felépítése kevesebbe kerül, az elemek több tesztrendszerben is felhasználhatók, és is a követelmények alakulása nyomán igény szerint cserélhetők

Cikkünkben bemutatjuk az Agilent Technologies kínálatában nagy választékban szerepelő tápegységeket, mérőműszereket és kapcsolókat, amelyek alkalmasak arra, hogy építőelemként használják fel őket egy ilyen rendszer építése során.

1. ábra. Napelemcella I-V görbéje

A cellaszintű tesztelésre a K+F-ben, minőségbiztosításban és gyártásban egyaránt szükség van. Az iparszerte elérhető megoldások pontosságban, sebességben és mérési paraméterek tekintetében különböznek, azonban van néhány paraméter, amelyek mérése minden esetben alapkövetelménynek tekinthető (a teljesség igénye nélkül: üresjárati feszültség, rövidzárlati áram, maximális kimeneti teljesítmény és a hozzá tartozó feszültség és áram, konverziós hatásfok, celladióda-jellemzők, cella-soros ellenállás és cella-söntellenállás). Az 1. ábrán a napelemcellát jellemző feszültség-áram görbét láthatjuk.

Napelemcellák tesztelése két- és négynegyedes tápegységekkel

2. ábra. Napelemcella ekvivalens áramköri modellje

A kétnegyedes tápegység egy DC tápegység és egy elektronikus terhelés egyben, vagyis képes elektromos áram elnyelésére és kibocsátására is. Ezzel a maximális kimeneti teljesítmény, az üresjárati feszültség, a rövidzárlati áram és az I-V karakterisztika meghatározható, amennyiben a műszer kiemelten fontos pontossága és szabályozhatósága megfelelő. A négynegyedes tápegységek bipoláris áram- és feszültségforrásként is tudnak működni (tehát a negatív értéktartományban is), használatuk napelemcellák elektronikus tesztelésekor elsősorban a cella soros ellenállásának kiküszöbölése okán ajánlott (lásd 2. ábra).

A négynegyedes tápegység használata mellett szól az is, hogy szükség lehet a cella előfeszítési polaritásának megváltoztatására. Az ellenirányban előfeszített cellánál mérhető a szivárgási áram függvényében változó feszültség a lineáris tartományban, amely alapján a cella söntvagy párhuzamos ellenállása számítható. Továbbá, a cella letörési tartománybeli viselkedése szintén karakterizálható az ellenirányú előfeszítéssel.

A kétnegyedes tápegységek nem képesek negatív tartományban működni, ez azonban egy egyszerű kapcsolórendszerrel áthidalható (lásd 3. ábra). A 3. a) ábrán látható összeállításban a DC-forrás kimenetét és külső érzékelővonalait kapcsoljuk a napelemcellára egy kapcsolómátrixon keresztül, így ez az elrendezés alkalmas a cella I-V karakterisztikájának felvételére. A 3. b) ábrán a DC-forrást és a mátrixot úgy konfiguráltuk, hogy negatív feszültség álljon rendelkezésre negatív és pozitív áram mellett, így a cella ellenirányú előfeszítésű karakterisztikáit határozhatjuk meg. Ezzel az egyszerű módszerrel igen költséghatékonyan valósítható meg a négynegyedes tesztelés.

3. ábra. Napelemcella I-V görbés (a) és ellenirányú előfeszítéses (b) karakterizálása kétnegyedes tápegységgel és kapcsolómátrixszal

4. ábra. Agilent 661xC (fent) és 663xB (lent) sorozatú kétnegyedes tápegységek

Az Agilent kínálatában két család is szerepel kétnegyedes tápegységekből, amelyek kifejezetten alkalmasak napelemcellák bemérésére. A 661xC-sorozat 50 W, a 663xB-sorozat pedig 100 W teljesítményre képes (lásd 4. ábra), és mindkét családnál elérhető a polaritásfordító relé is, amely lehetővé teszi a négynegyedes működést kapcsolómátrix használata nélkül is. (A polaritásfordítást nem ismerő kétnegyedes tápegységeket használóknak javasolja erre az alkalmazásra az Agilent a széles választékban kapható kapcsolómátrixait.)

Napelemcellák és -modulok tesztelése elektronikus terhelésekkel

A napelemmodulokat általában egynél több, egymással összekötött, tokozott cellacsoportként definiálják. Ezek többféle feszültségű és áramú változatban érhetők el, teljesítményük pedig általában 50 ... 300 W tartományba esik. Az elektronikus terhelések széles teljesítménytartományuk (akár 1800 W) és tekintélyes áramnyelő képességük okán kiváló eszközei a napelemcellák elektronikai tesztelésének. Az Agilent elektronikus terhelések állandó feszültségű (CV) üzemmódja leginkább a modulok I-V karakterizálására alkalmas, hiszen ekkor a feszültség kis lépésekben szabályozható, és ezáltal mérhető a modul hozzá tartozó kimeneti árama.

5. ábra. A hatfoglalatos Agilent N3300A elektronikus terhelés mainframe (balra) és a 606xB elektronikus terhelés (jobbra)

Az Agilent N3300A-sorozatú elektronikus terhelés mainframe (lásd 5. ábra) hat, az N3301A két foglalattal rendelkezik, és mindkettő kompatibilis az N330x-sorozatú, 150 ... 600 W teljesítményű terhelésmodulokkal. A rendszer teljes vezérlése egyetlen GPIB-címen keresztül lehetséges, és kifejezetten alkalmas nagy sorozatú gyártásban történő használatra, valamint szükség esetén párhuzamosíthatók is. A CV-módban használt N330xA terheléseknél a feszültség akár nagyon kis lépésekben is változtatható programból az elvárások szerint, az elnyelt áram az Agilent egyedi implementációja alapján mérhető, sőt az N330xA belső tranziensgenerátora dinamikus tesztelést is lehetővé tesz. Szerényebb igényekre ajánlja az Agilent a 300, ill. 250 W teljesítményű, kedvezőbb árú 6060B és 6063B elektronikus terheléseit (lásd 6. ábra), amelyek a legtöbb tekintetben teljesítik az N330xA-család specifikációit.

6. ábra. Az Agilent által javasolt kapcsolómodulok napelemes alkalmazásra: 34980A (balra), 3497xA (középen), L44xxA (jobbra)

Kapcsolómátrixok napelemcellák és -modulok tesztelésére

A napelemcellák és -modulok tesztelésekor gyakran többre van szükség, mint pusztán az I-V görbék felvételére, hiszen a hőmérsékleti és kalibrált referenciákon végzett mérések is kellhetnek. A hőmérsékletnek a kimeneti teljesítményre közvetlen hatása van, a kalibrált referenciacellák mérésével pedig felmérhető a használt fényforrás hatásfoka.

Egy ilyen összetett tesztrendszernél szempont, hogy ne legyen redundáns a rendszer a költségek miatt, így ajánlott egy kapcsolóegység használata, amely lehetővé teszi több cella vagy modul párhuzamos mérését. Az Agilent kapcsolómátrix-kínálatában három típus szerepel, amelyek maradéktalanul alkalmasak napelemek tesztelésére is: ezek a 34980A multifunkciós kapcsoló/mérő egység, a 3497xA adatgyűjtő kapcsoló, valamint az L44xxA diszkrét kapcsolómodul-család (lásd 6. ábra).

A 34980A egy nyolcfoglalatos main­frame, amely kiegészíthető integrált, 6½ digites digitális multiméter-funkcionalitással is. A mainframe ethernet, GPIB és USB2.0 interfésszel is rendelkezik, és 21-féle kapcsolómodullal kompatibilis. Az 34980A-val kompakt, de igen nagy funkcionalitású, 8 A áram kapcsolására képes kapcsolórendszer építhető, akár 560 kétvezetékes multiplexercsatornával vagy 4096 mátrixkeresztponttal.

A 3497xA adatgyűjtő kapcsolók háromfoglalatos mainframe-ek beépített 6½ digites digitális multiméter-funkcionalitással. A foglalatok mindegyikébe illeszthető a választható nyolcféle közül egy-egy többcsatornás beépülőmodul, és minden csatorna függetlenül konfigurálható a 11 funkció egyikének mérésére. A költséghatékonyság jegyében a modulok integrált, csavaros rögzítésű csatlakozóblokkot tartalmaznak. A 34970A GPIB és RS-232, a 34972A pedig USB és LXI interfészekkel rendelkezik, és mindkét műszer ideális kis vonalsűrűségű kapcsolóként és adatnaplózóként történő használatra.

Az L44xxA-sorozatú, mainframe nélküli LXI kapcsolók legnagyobb előnye a kicsi, 1U magasságú félrackes méret és az ethernet­interfész. Az L4412A típus egy 40 csatornás armatúra-multiplexer, az L4433A egy két-/négycsatornás, 4×8-as Reed-mátrix, az L4437A pedig egy 32 csatornás Form A/Form C általános célú kapcsoló.

Napelemcellák és -modulok sötétkamrás tesztelése többkimenetű rendszerekkel

A napelemek fénymentes I-V karakterizálása során a cella ellenállása és diódatulajdonságai kerülnek pontos bemérésre minőségmeghatározási céllal. A napelemcellák sötétkamrában valójában ellenállás-karakterisztikára emlékeztető diódaként működnek. A fénygerjesztés nélküli cella teszteléséhez elegendő egy egynegyedes tápegység is, amely megfelel a magas pontossági követelményeknek.

7. ábra. Az Agilent N6700sorozatú moduláris tápegység és moduljai

Az Agilent N6700 moduláris tápegységcsaládja (lásd 7. ábra) megfelel ezeknek a kívánalmaknak, és alkalmas a sötétkamrás tesztelésre. Az 1U méretű rackbe illeszkedő tápegység maximális kimeneteinek száma négy, elősegítve a párhuzamos tesztelést, a foglalatokba pedig összesen húszféle, különféle specifikációt teljesítő modul illeszthető. Az opcionálisan elérhető, polaritásfordító relékkel pozitív és negatív feszültségek is rendelkezésre állnak, így nyitó- és ellenirányban is végezhető mérés.

Összefoglalás

Ha kulcsrakész rendszer megvásárlása helyett a diszkrét elemekből építkezés mellett döntünk napelemes alkalmazásban, tekintélyes mennyiségű pénzt takaríthatunk meg, továbbá fennáll a lehetőség az egyes építőelemek kívánság szerinti cseréjére, illetve más rendszerekben történő felhasználására is. Az Agilent Technologies ez utóbbi megközelítést szorgalmazza, és a világ első számú elektronikai teszt- és mérőműszergyártójaként minden napelemes alkalmazásra csúcsminőségű termékekkel áll a rendszerépítők rendelkezésére.

Az Agilent honlapja