ADI太陽能模擬器方案

近年來隨著太陽能應(yīng)用的不斷發(fā)展，關(guān)于太陽能利用、轉(zhuǎn)換的相關(guān)產(chǎn)品，尤其是太陽能電池板的使用量也逐漸增加。過去，這些產(chǎn)品都是在自然環(huán)境下進行測試，受制于氣候條件，因此存在測試周期長、數(shù)據(jù)的可重現(xiàn)性差等不足。太陽能模擬器是模擬太陽光譜和光強的一種光源設(shè)備，可以在高精度擬合太陽光譜分布的前提下，實現(xiàn)不同的太陽輻照度等條件，滿足測試研究對太陽輻照的特殊需求。使用太陽能模擬器能夠克服氣候多變性所造成的不便，全年24小時在室內(nèi)對太陽能產(chǎn)品進行測試。

太陽能模擬器概述

1、太陽能模擬器簡介

太陽能模擬器是在室內(nèi)環(huán)境中，模擬不同大氣質(zhì)量條件下、太陽光輻照特性的試驗平臺或定標設(shè)備。一般來講，太陽能模擬器可分為兩類：一類是穩(wěn)態(tài)模擬器，主要由光源、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、濾光器等組成，多用于單體太陽能電池板與小型設(shè)備的測試。另一類是脈沖模擬器，由一個或多個長弧脈沖氙氣燈組成。該種模擬器的輻照度在一定范圍內(nèi)的均勻性非常好，經(jīng)常用于大尺寸設(shè)備的測試。在太陽能技術(shù)的不斷推進下，近幾年各種大面積太陽能模擬器被陸續(xù)開發(fā)出來，其輻照面積可達2-5平方米，輻照度均勻性與輻照度穩(wěn)定性等指標也控制得很好，主要應(yīng)用于各種太陽能技術(shù)的測試方面。如下圖1所示。

圖1 太陽能模擬器

2、太陽能模擬器性能指標

太陽能模擬器的性能指標一般包括：一定范圍內(nèi)的總輻照度、輻照光譜匹配度、輻照均勻度與輻照穩(wěn)定度。

總輻照度

太陽能模擬器的總輻照度是指太陽能模擬器能夠在測試平面上提供的最大輻照度值，一般來說根據(jù)應(yīng)用場合的不同，對總輻照度的要求也不同。

光譜匹配度

太陽能模擬器的光譜匹配度是指太陽能模擬器的光譜輻照度分布與太陽光的標準光譜分布的匹配程度，一般用太陽能模擬器在每個波長范圍內(nèi)輻射的能量百分比與標準太陽光在同樣波長范圍內(nèi)輻射的能量的百分比的比率表示。太陽光標準光譜輻照度分布情況見圖2。

圖2 標準光譜輻照度分布

輻照均勻度

太陽能模擬器在照射光伏板時，如果輻照不均勻會使得被照射的光伏板面上各區(qū)域接收的輻照不相同，而我們通常假定自然光是平行光，當不均勻度超過一定的限制，電池組件的伏安曲線就與它在接收自然光照時的曲線，即實際工作曲線產(chǎn)生了差異。每一個串聯(lián)電路輸出的電流取決于光照最弱的那一塊電池，這樣，一個弱斑將影響一整串電路的輸出特性，可能會導致光伏板測量效率或分級的錯誤。因此，輻照均勻性是太陽能模擬器的主要技術(shù)指標之一，其計算公式為：

式中：Nu表示太陽能模擬器輻照度不均勻度；Emax表示測試平面有效測量范圍內(nèi)測得的最大輻照度，單位為W/m2；Emin表示測試平面有效測量范圍內(nèi)測得的最小輻照度，單位為W/m2。

輻照穩(wěn)定度

太陽能模擬器輻照度穩(wěn)定度是指在測試平面上的指定區(qū)域內(nèi)的輻照度值的穩(wěn)定程度，一般用輻照度不穩(wěn)定度來評價。在測試平面上的指定區(qū)域內(nèi)任取一坐標，記錄該點的輻照度值在一定時間內(nèi)的變化情況，在測試時間內(nèi)測取的輻照度最大值記作E'max，輻照度最小值記作E'min，太陽能模擬器輻照度不穩(wěn)度的計算公式如下：

式中：Ns表示太陽能模擬器輻照度不穩(wěn)定度；E'max表示數(shù)據(jù)采集期間任意測量點在測試平面內(nèi)的最大輻照度，單位為W/m2； E'min表示數(shù)據(jù)采集期間任意測量點在測試平面內(nèi)的最小輻照度，單位為W/m2。

3、太陽能模擬器光源

太陽能模擬器最重要的組成部分是模擬器光源，作為一種人造光源器件，太陽能模擬器的各項性能與所選光源緊密相關(guān)。所選光源的能量分布需要盡可能與太陽輻射的能量分布接近，太陽能模擬器常用光源一般是稀有氣體燈（如固體燈、LED 燈、氙氣燈等）、高壓汞燈、超高壓汞燈、金屬鹵化物燈等。

碳弧燈是早期太陽能模擬器常用的光源。其光譜由炙熱電極的連續(xù)輻射和金屬蒸汽特征譜線組成，分布形式接近太陽光譜。碳弧燈有封閉式碳弧燈和日光碳弧燈兩種。碳棒是封閉式碳弧燈內(nèi)的發(fā)光體，電流通過碳棒發(fā)出弧光。但弧光的光譜能量分布(SPD)與自然日光的SPD相差較大，不僅不包含短波紫外輻射，而且在400－800nm 波段光譜能量強度也無法與同波段的日光相匹配。日光型碳弧燈的 SPD在匹配度上有了一定提高，但目前在我國應(yīng)用得較少。

氙燈光源的原理是氙氣放電發(fā)光。用耐高溫、熱膨脹系數(shù)小的全透明石英制作燈管，在管內(nèi)充有高純度的氙氣。氙燈的電光轉(zhuǎn)化效率很高，色溫在6000K左右，與太陽的色溫相當。氙燈的輻射光譜分布范圍很寬，自然光的紫外波段、可見光波段和近紅外波段均能覆蓋，另外在近紅外有些分立的譜線。連續(xù)光譜部分的分布比較穩(wěn)定，輸入功率的變化幾乎不會改變光譜特性；在壽命期內(nèi)光譜能量分布也幾乎不變。 氙燈是現(xiàn)今最新、最常用的光源，通過增加濾光片或更換濾光罩，可以較好模擬戶外自然太陽光和透過窗玻璃的太陽光，并且發(fā)光效率高，壽命長。

鹵鎢燈是被簡易型太陽能模擬器最多使用的光源。鹵鎢白熾燈是一種熱輻射光源，發(fā)光原理是燈泡通過加熱鎢絲到高溫來發(fā)光。溫度越高，光線就越亮。鹵鎢燈燈泡內(nèi)的氣體為惰性氣體（氙氣或氪氣）和鹵素氣體（溴氣或碘蒸汽）；在高溫下，燈泡壁上的鎢絲與鹵素作用，蒸發(fā)的鎢會重新凝固在鎢絲上，形成一個平衡的循環(huán)，這種熱化學過程被稱為“鹵素循環(huán)”。這個過程延長了燈絲的壽命，使電能到光能的轉(zhuǎn)換效率也較高。鹵鎢燈光源有以下四個特點：（1）鹵鎢燈的光譜集中在可見光和近紅外光部分，即 300-2500nm 波段；（2）能產(chǎn)生平滑的光譜曲線；（3）輸出穩(wěn)定；（4）色溫在3000K以上。

太陽能模擬器數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

太陽能模擬器主要由光源、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、濾光器等組成。一套精密的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)是太陽能模擬器實現(xiàn)高效運轉(zhuǎn)的保障，也是穩(wěn)定均勻的光照輸出環(huán)境的保障。目前市面上大部分太陽能模擬器的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)精度不高，光照度不均勻。嚴重影響測試效率。許多企業(yè)在提高數(shù)據(jù)采集的精度和控制光源電流的精度上投入了高額成本和巨大的精力。技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Galen Zhang介紹了ADI太陽能數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)相關(guān)方案。

1、系統(tǒng)框圖

圖3為ADI的太陽能模擬器數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)框圖。主控部分為Maxim低功耗MCU MAX32660。選用精密DAC和精密功率運算放大器來控制MOS管為光源提供可調(diào)節(jié)的電流。光源在照射太陽能電池板后，太陽能電池板進行光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電流和電壓。使用ADI精密儀表放大器，運算放大器和精密ADC采集該電流電壓。根據(jù)電流電壓的大小再調(diào)節(jié)光源電流控制光強，以此形成一個閉環(huán)。

圖3 系統(tǒng)框圖

2、重點型號介紹

圖4所示為ADI太陽能模擬器信號鏈中型號特性描述。

圖4 型號參數(shù)

AD/DA介紹

ADC AD7606系列產(chǎn)品包含AD7606、AD7606B、AD7606C-16、AD7606C-18，可提供八個同時采樣通道。AD7606x產(chǎn)品包含多個信號鏈模塊：可編程增益放大器（PGA）、抗混疊濾波器、ADC、基準電壓源、LDO、數(shù)字濾波器和數(shù)據(jù)通信接口。AD7606x只需要一個電源軌（5V），即可處理雙極性輸入信號，從而大大減少了支持電路，并提高了 PCB 密度。AD7606產(chǎn)品允許直接連接低阻抗和中阻抗傳感器，例如電流互感器和電力變壓器，通常用于保護繼電器。最快的吞吐率和更高分辨率的泛型支持自動化測試設(shè)備（ATE）應(yīng)用程序，高帶寬模式允許快速建立瞬態(tài)信號。

高輸入阻抗支持直接傳感器接口，而靈活的PGA支持各種模擬輸入范圍和類型：真差分、單端、雙極性和單極性。

高度優(yōu)化的噪聲和動態(tài)范圍性能，支持在數(shù)十kHz帶寬范圍內(nèi)采集更小的輸入信號。

過采樣功能允許在吞吐速率與噪聲性能之間求得平衡，以提高動態(tài)范圍。新的泛型還包括高級數(shù)字功能：失調(diào)、增益和相位校準，以及用于更高魯棒性解決方案的診斷功能。

圖5 AD7606x系列參數(shù)

DAC AD537X系列AD5372/AD5373分別是16-bit或14-bit DAC，采用64引腳LQFP封裝。器件提供4倍于基準電壓的緩沖電壓輸出范圍。每個DAC的增益和失調(diào)均能夠獨立調(diào)整，以去除誤差。更靈活的是，器件被分為4組，每組8個DAC。2個失調(diào)DAC用于調(diào)整每組的輸出范圍。第0組通過失調(diào)DAC 0進行調(diào)整，第1組到第3組通過失調(diào)DAC 1進行調(diào)整。

AD5372/AD5373提供VSS從-16.5 V 到-4.5 V、VDD從9 V 到16.5 V寬電壓范圍內(nèi)的可靠工作。負載電流為1mA時，輸出放大器的裕量需求為1.4 V。

AD5372/AD5373具有與SPI、QSPI?、MICROWIRE?和DSP接口標準兼容的高速串行接口，能夠處理高達50 MHz的時鐘速率。

DAC寄存器在接收新數(shù)據(jù)時更新。通過將LDAC輸入引腳拉低，所有輸出能夠同時更新。每個通道都具有可編程增益和失調(diào)調(diào)整寄存器。

每個DAC輸出能相對外部SIGGND輸入被放大和緩沖。DAC輸出也能夠通過CLR引腳切換到SIGGND。

圖6 AD537x系列參數(shù)

放大器介紹

儀表放大器AD8422是一款精密、低功耗、低噪聲軌到軌儀表放大器，具有業(yè)界優(yōu)質(zhì)的每單位微安性能。AD8422以超低失真性能處理信號，在整個輸出范圍內(nèi)負載不影響性能。

AD8422是業(yè)界標準AD620發(fā)展到第三代的產(chǎn)品。AD8422采用新式的處理技術(shù)和設(shè)計技巧，比歷代產(chǎn)品具有更高的動態(tài)范圍和更低的誤差，同時功耗不足三分之一。

AD8422具有極低的偏置電流，高源阻抗時不會產(chǎn)生誤差，允許多個傳感器多路復用至輸入端。低電壓噪聲和低電流噪聲特性使AD8422成為測量惠斯登電橋的理想選擇。

AD8422的寬輸入范圍和軌到軌輸出特性使其具有單電源應(yīng)用中高性能儀表放大器所能具有的全部優(yōu)勢。無論使用高電源電壓或低電源電壓，AD8422的節(jié)能特性使其成為極精密誤差預(yù)算的高通道數(shù)或功耗敏感型應(yīng)用的極佳選擇。

AD8422具有魯棒的輸入保護，確保穩(wěn)定性，并且不犧牲噪聲性能。AD8422具有高ESD抑制能力和針對來自相反供電軌、高達40 V的連續(xù)電壓輸入保護。

通過一個電阻可將增益設(shè)置為1至1000?；鶞室_可用來向輸出電壓施加精確失調(diào)。

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圖7 儀表放大器參數(shù)

基準源介紹

ADR4520/ADR4525/ADR4530/ADR4533/ADR4540/ADR4550器件均為高精度、低功耗、低噪聲(1uV p-p)、低溫漂(2ppm/°C)基準電壓源，最大初始誤差為±0.02%，并具有出色的溫度穩(wěn)定性和低輸出噪聲。
該系列基準電壓源使用創(chuàng)新的內(nèi)核拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高精度，同時提供業(yè)界領(lǐng)先的溫度穩(wěn)定性和噪聲性能。器件的低熱致輸出電壓滯后和低長期輸出電壓漂移也提高了壽命和溫度范圍內(nèi)的系統(tǒng)精度。
950 μA的最大工作電流和300 mV的最大低壓差使該器件適合便攜式設(shè)備。

溫度傳感器介紹

ADT7422是一款高精度數(shù)字 I2C 溫度傳感器。包含一個內(nèi)部帶隙基準電壓源、一個溫度傳感器和一個精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。ADT7422 提供16位溫度結(jié)果，在25°C 至50°C 的溫度范圍內(nèi)，分辨率為0.0078°C，精度高達±0.1°C。在以3.0 V 電壓運行時，平均電源電流通常為 210μA。關(guān)斷時電流通常為2μA。

MAX31865 是一款RTD至數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器。SPI接口。外接RTD一般為PT100或PT1000。內(nèi)部集成15位ADC，分辨率為0.031°C，具有±45V 輸入保護

MAX30208 是一款高精度I2C接口數(shù)字溫度傳感器。內(nèi)部包含一個16位ADC，分辨率可到0.0078°C，精度高達±0.1°C（25°C -50°C）。在以3.0 V 電壓運行時，平均電源電流通常為 47μA。關(guān)斷時電流通常為2μA。

電源介紹

ADP5071:

• 具有獨立正輸出和負輸出的2 A/1.2 A DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器
• 寬輸入電源電壓范圍：2.85 V至15 V
• 產(chǎn)生調(diào)節(jié)良好的獨立電阻可編程VPOS和VNEG輸出
• 升壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生VPOS輸出可調(diào)正輸出至39 V集成2.0 A主開關(guān)
• 反相穩(wěn)壓器產(chǎn)生VNEG輸出可調(diào)負輸出至VIN ? 39 V集成1.2 A主開關(guān)
• 正輸出和負輸出均能真正關(guān)斷
• 1.2 MHz/2.4 MHz開關(guān)頻率，可選外部頻率同步范圍為1.0 MHz至2.6 MHz
• 電阻可編程軟啟動定時器

LT3045:

• 超低RMS噪聲：0.8μVRMS（10Hz至100kHz）
• 超低散粒噪聲：2nV/√Hz（10kHz時）
• 超高PSRR：76dB（1MHz時）
• 寬輸入電壓范圍：1.8V至20V；輸出電壓范圍：0V至15V
• 輸出電流：500mA；可編程電流限值
• 單個電容改善了噪聲性能和PSRR
• 100μA SET引腳電流，初始精度：±1% 且單個電阻設(shè)置輸出電壓
• 低壓差：260mV
• 可并聯(lián)以實現(xiàn)較低的噪聲和較高的電流

LT3094：

• 超低 RMS 噪聲：0.8μVRMS (10Hz 至 100kHz)
• 超低點噪聲：在10kHz時，為2.2nV/√Hz
• 超高 PSRR:74dB (在 1MHz)
• 寬輸入電壓范圍：?1.8V 至 ?20V；輸出電壓范圍：0V 至 ?19.5V
• 輸出電流：500mA且可編程限流值
• 單電容器改善了噪聲和 PSRR 指標，最小輸出電容：10μF (陶瓷)
• 100μA SET 引腳電流：±1% 初始準確度且單個電阻器設(shè)置輸出電壓
• 低壓差電壓：235mV

ADI可以為太陽能模擬器數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)這類產(chǎn)品的應(yīng)用提供完整的方案。包括低功耗、低噪聲、高精度的AD/DA和儀表放大器；低功耗、高性能的MCU；高精度數(shù)字溫度傳感器和電壓基準源以及低噪聲電源。用戶可根據(jù)產(chǎn)品實際應(yīng)用環(huán)境選擇最合適器件以及最優(yōu)方案。其授權(quán)代理商Excelpoint世健能為客戶提供技術(shù)支持，有助于客戶縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，加快產(chǎn)品應(yīng)用部署。