基恩士光照探針測量方法

『壹』 地溫場測量方法

根據測溫鑽孔的深度一般把地溫測量方法分為以下3類:①米測溫法(深1～3m);②淺孔測溫法(深10～30m);③深孔測溫法(深度＞30m)。前兩種統稱淺層測溫法,它具有較好的經濟性(特別是米測溫法),而且對地熱異常區一般有良好的異常顯示,故淺層測溫法是勘探地熱田的主要地溫測量方法。

地溫測量的深度應根據儲熱構造的埋深、溫度及當地的水文地質、氣候條件而定。在埋深較小的高溫地熱區,由於地表地熱異常明顯,可採用淺層測溫法。在地熱普查階段可使用成本低的米溫測量,測量1～2m的表層地溫。深孔測溫法孔深一般在50～200m之間,鑽孔間距取決於地熱異常的范圍。其優點在於不受氣候變化的影響,但鑽井費用較高。一般為地熱勘查的詳查階段要使用。

測溫勘探過程中,應盡量避免自然因素和人為因素的影響,包括日照、地形、大氣降水、地下水活動和人工熱源對溫度測量的干擾。諸如地下水活動可能帶走傳導熱流,而導致梯度測量數值的假象,過淺的地溫測量應該校正因氣溫帶來的數據偏差等。所以,測溫勘探最好選擇構造特徵相近地段、氣溫變化不大時間段進行測量,以增加測量數據的准確性。

(一)米測溫法的方法與技術

理論計算和實測資料表明,米測溫法在普查工作中是合適的。理論計算表明,一般受構造控制(溫度60～70℃,埋深300m左右)或盆地蓋層較薄的地熱異常區用米測溫法不難發現。作為地熱資源的普查階段,只需了解地溫分布的大致趨勢,米測溫法基本可以滿足要求。

1.工作布置

(1)測區和測網

布置測區范圍時應考慮:①地質任務的要求;②工區地熱地質條件;③前人工作成果;④兼顧配套方法,使資料完整。

測網可分為規格網法與離散網點法。規格網法基線方向一般平行於所研究對象的走向,在有鑽孔的地方應盡量穿過鑽孔位置,測線方向垂直於基底構造線。離散網點法可直接利用地形圖定點,盡量沿公路與小路布點。

測網上的測點布設時,在研究對象走向的垂直方向上測點相應要密一些。實際點位應准確,測點分布應均勺,盡可能經濟、施工方便。

(2)工作比例尺和觀測網度

工作比例尺和觀測網度根據地質任務、探測對象規模及特點確定。普查性勘測工作線距不應大於最小探測對象的長度,點距應保證至少有3個測點能反映異常。由於地熱流體受斷裂構造控制的居多,其異常寬度往往較窄,因此點距應相對密一些。常用比例尺的線、點距應遵循下述原則:線距為工作比例尺的1/100,點距可等於或小於線距的1/10。線距最大變動范圍不得超過20%。例如在1∶5萬普查工作中,線距應為500m,最大不能超過600m,點距應大致為50m。對於離散網點,測點密度一般約為10個/km²,山區或工作實在困難處可適當放稀。

(3)測溫精度

測溫精度應根據地質任務要求、工區地熱地質情況,由探測對象可能引起的溫度異常強度、形態以及干擾等因素綜合確定。測溫儀器精度一般不超過±0.2℃,即可滿足普查工作需要。

(4)基點網

當測區范圍較大、工作用地較長時,為減小各工區間地溫場聯系誤差,提高測溫精度,並便於野外生產,應根據需要設計基點網。基點可分為總基點和分基點二級。基點數以實際工作要求確定。當基點數不止一個時,必須進行基點聯測。聯測工作最好一月一次,野外工作開始和結束時必須進行聯測。

2.野外工作方法

(1)基點的選擇

所有的基點均應滿足下列要求:①位於地溫場正常區;②基點附近不應存在明顯干擾因素,光照、植被等條件至少應與大多數測點相似;③易於保護,不易受人為破壞;④便於保存。為工作方便,總基點一般選在駐地附近,分基點在施工現場選定。

(2)定點

測點的位置要盡景避開地形的突變地帶,避免明顯人為活動干擾或不適宜測溫的地段;選擇地勢較平緩、光照條件一致,並且植被較單一處定點。

(3)打孔

打孔方式不拘,但必須控制孔徑和孔深,孔徑不宜大於5cm,成孔後應清理孔口。

(4)測量

打孔半小時後,鑽井干擾已基本消除,可進行測量。測量時小心放入探頭,使其與孔底緊密接觸,待儀器數值平穩後進行讀數。

(5)記錄

認真記錄測量時間、地點、天氣、孔深、土質及測溫值,應注意記錄可能導致溫度場畸變的其他因素及其大致位置。

(6)質量檢查與評價

質量檢查可採取均勻抽樣、選若干剖面重復觀測、檢變異常3種方式進行。測溫質量檢查率不少於5%。以均方誤差作為評價全區觀測結果的主要標准。

3.數據整理

地溫測量取得的數據是極其重要的第一手資料。為了獲得有關地熱異常空間分布及其規模的正確結論,必須對所收集的與地熱場有關的原始資料和原始測溫數據進行全面分析,分類評價。

對米測溫而言,室內需要做的工作:①檢查、驗收原始數據;②標定儀器,計算基點網聯測及測點觀測的結果;③檢查觀測精度;④測算有關校正數據;⑤必要時對原始數據進行地形和地表植被等影響校正、氣溫變化校正等數據處理;⑥編日記錄表冊;⑦繪制有關圖件。

提供圖件目錄:①交通位置圖;②實際工作材料圖;③溫度剖面平面圖;④溫度等值線平面圖;⑤典型剖面圖;⑥推斷成果圖;⑦其他有關圖件。

(二)較深鑽孔測溫的工作方法

1.測溫孔選擇

近地表地溫勘探雖然成本低、效率高,但由於干擾因素多,信噪比小,往往只能用相對異常來推測地下熱源的分布。在覆蓋層較厚的地熱區,地表沒有地熱異常顯示或顯示微弱的情況下,多採用鑽孔測溫方法。鑽孔測溫由於避開了地表溫度周期變化、地表狀況的影響,特別是避開了近地表地下水的干擾,獲得的溫度資料更好地反映了深部地溫場的分布。由於鑽井成本隨深度增加而迅速增加,因此地溫勘探鑽孔深度常在30～200m之間。為了節約地熱勘探成本,應當盡量利用其他勘探目的(如地下水、石油、煤田等)施工的鑽孔以及水文長期觀測孔進行井溫測量。

2.鑽孔測溫類型

鑽孔測溫不同於其他項目的物探測井,因此,在終孔後,鑽孔靜止不同時間的測溫結果,精度有大的差別。依靜止時間的不同,鑽孔測溫分為瞬態測溫、准穩態測溫和穩態測溫3類。瞬態測溫是在停鑽後不久,鑽孔溫度遠未恢復到平衡條件下進行的測溫。簡易測溫規定在終孔後,物探測井前後進行兩次測溫,第一次測溫距停鑽約12小時。第二次測溫是鑽孔靜止3～5天時的測溫,屆時全井段溫度已達准穩態。在地質勘探中的近似穩態測溫屬於此類。穩態測溫是在長期保留的鑽孔中進行的,是鑽孔中的流體與地層溫度已達穩定狀態下的測溫。

3.數據整理

在勘探中取得的原始測溫資料,一方面由於鑽孔測溫類型的不同,使其質量各異。對於簡易測溫資料以及部分近似穩態測溫資料,經校正後才能用於地溫場評定。另一方面原始的測溫資料,彼此是孤立分散的,須經集中、分析、歸納,使之系統化,才能全面反映地溫場面貌。因此,資料整理是地溫場研究的重要步驟,這里就資料整理中帶有普遍性的問題作必要的討論。

(1)非穩態測溫資料的校正

關於鑽孔非穩態測溫結果的校正方法,總的原則是利用恆溫帶溫度和井底溫度作為摹本依據,對非穩態測溫曲線作合理的修正。

(2)簡易測溫的井底溫度的校正

簡易測溫是鑽孔終止大約12小時內進行的兩次測溫,這類資料在勘探中是大量的,對此類井底溫度的校正作法各異。實踐表明,採用井底溫度對數回歸推算72小時溫度的方法簡便易行且有良好的精度。

該方法基於統計確認,井底溫度恢復過程中,溫度變化與時間的對數有線性關系,即

Δθ=θ-θ₀=Blnt 2-6

式中:θ為停鑽後某一時間t的井底溫度;θ₀為鑽孔終止瞬間的井底溫度;t為從停鑽時算起的時間;B為溫度恢復系數,為常數。基於上式,對於簡易測溫的不同時間的兩次井底溫度,可以寫出兩個方程式並聯立從而可求得常數B值為

B=(θ₂-θ₁)/ln(t₂/t₁) 2-7

式中:t₁,t₂分別為第一次及第二次測溫時間;θ₁,θ₂分別為第一次及第二次測得的井底溫度。

當B值已知時,就可利用簡易測溫的井底溫度推算出預期達到穩定時間的溫度。經論證,停鑽3天(72小時)的井底溫度,在一般條件下已達穩定,其時的溫度即為原始岩溫。

於是有:θ_r=θ_i+Bln(72/t_i),其中,θ_r為井底岩溫(72h的井底溫度),θ_i為簡易測溫中的某一次的井底溫度,t_i為簡易測溫中某一次的測溫時間(h)。這一方法所得結果,經過與大量穩態、准穩態測溫孔資料的驗算和對比,誤差不超過±0.3～0.5℃。

如果地熱井為溢流井,溢流狀態時井底流體溫度將很快與熱儲層溫度達到平衡,而非滲流或弱滲流地段地溫恢復則相對要慢一些(徐世光等.2009)。

(三)海底地熱探測主要步驟

1)航次開始前,通常需要對溫度感測器進行標定,以校正因漂移引起的誤差。

2)儀器下放前,需要量好各溫度記錄器與同一參照點的距離。

3)入水後離海底約100m處停止下放,這樣可以讓探針與船體保持垂直,並且使得溫度記錄器穩定,約3min後,高速下放(如115m/s)並插入沉積物中,探針插入時因與沉積物間的摩擦生熱,溫度記錄顯示有突然升高現象。

4)插入後需保持探針不受擾動。

5)大約7～8min後,拔出探針,如果載體為取樣管,例如,神戶海域HS82站位和西沙海域HX129站位的作業方式,則需要把探針收回到甲板上以便回收溫度記錄器和沉積物樣品;如果載體為鋼矛,則收到離海底一定高度後,慢速移動到下個站位繼續下放測量;在每次收回探針時需再次測量各溫度記錄器與參照點的距離,確認探針在插入和起拔過程中相互之間沒有發生位移,若出現溫度記錄器移動,該設備的測量數據無效。插入後記錄的溫度變化取決於摩擦熱引起的溫度變化是否高於原來未受擾動的環境溫度,如果高於環境溫度,則記錄溫度逐漸衰減,否則逐漸增高到環境溫度。溫度記錄器的采樣率可編程修改。

(四)編圖過程中需注意的幾點技術問題

根據區域內測量的地溫資料,經氣溫校正、地形校正、地下水熱量傳遞計算處理後,可以通過區域內的等溫線平面圖、地溫剖面圖、地溫梯度圖來反映地溫場的空間分布。這些圖件對於了解地熱異常區的平面分布形態,尋找和圈定地熱勘探靶區具有重要意義。

編圖過程中需注意的幾點技術問題:

1)反映地溫場空間的剖面圖和平面圖,必須以穩態和近似穩態測溫資料為基礎,簡易測溫資料須經適當校正處理後進行使用。

2)在有強承壓含水層分布的地區,要對承壓含水層揭穿前、後的測溫資料加以區分。揭穿強承壓含水層後有水上涌的鑽孔,其溫度與含水層揭穿前的溫度狀況迥然不同,前者由於有水上涌,井孔的溫度是水的流溫,不代表原始岩溫。

3)在編圖時,常遇到某些鑽孔測溫深度不夠的情況,以致某些地段得不到資料控制,這時應對測溫資料作一些必要的外推,以獲得編圖所需的數據,其方法如下:

① 由淺推深。即利用實測溫度資料向深處外推,如果外推段的岩層性質和上段相同或基本相似,可據實測穩態溫度曲線或經校正的近穩態曲線,按自然梯度,直延至目的深度,求得溫度值。

② 對比法。如果外推的深度段岩性與測溫段有明顯差異,可根據該地區相同構造部位、相同岩性段的已知地溫梯度值計算下段的溫度。

③ 估演算法。若所研究的鑽孔,其溫度場符合或基本符合一維熱傳導條件下,由深部而來的垂向熱流在各層段都是相同的特點,即可根據淺部段實測地溫梯度值與岩石熱導率資料,以及深部預測段岩石熱性質的變化,按照熱流值相等原理,求出待測段的地溫梯度和溫度。

④ 編圖過程中,應注意可能引起溫度場變化的地質構造特點。如蓋層厚薄的變化,基底起伏及構造形態,斷裂帶位置、性質及斷距等,同時也要注意水文地質條件的變化,以便使編制的圖件更好地反映客觀實際。

『貳』 光伏電池的評測方法

一、等效電路模型
PV電池的等效電路模型（如圖1所示）能夠幫助我們深入了解這種器件的工作原理。理想PV電池的模型可以表示為一個感光電流源並聯一個二極體。光源中的光子被太陽能電池材料吸收。如果光子的能量高於電池材料的能帶，那麼電子就被激發到導帶中。如果將一個外部負載連接到PV電池的輸出端，那麼就會產生電流。
圖1. 由一個串聯電阻（RS）和一個分流電阻（rsh）和一個光碟機電流源構成的光伏電池等效電路。
由於電池襯底材料及其金屬導線和接觸點中存在材料缺陷和歐姆損耗，PV電池模型必須分別用串聯電阻（RS）和分流電阻（rsh）表示這些損耗。串聯電阻是一個關鍵參數，因為它限制了PV電池的最大可用功率（PMAX）和短路電流（ISC）。
PV電池的串聯電阻（rs）與電池上的金屬觸點電阻、電池前表面的歐姆損耗、雜質濃度和結深有關。在理想情況下，串聯電阻應該為零。分流電阻表示由於沿電池邊緣的表面漏流或晶格缺陷造成的損耗。在理想情況下，分流電阻應該為無窮大。
要提取光伏電池的重要測試參數，需要進行各種電氣測量工作。這些測量通常包含直流電流和電壓、電容以及脈沖I-V。
二、PV電池的直流電流-電壓（I-V）測量
可以利用直流I-V[9]曲線圖對PV電池進行評測，I-V圖通常表示太陽能電池產生的電流與電壓的函數關系（如圖2所示）。電池能夠產生的最大功率（PMAX）出現在最大電流（IMAX）和電壓（VMAX）點，曲線下方的面積表示不同電壓下電池能夠產生的最大輸出功率。我們可以利用基本的測量工具（例如安培計和電壓源），或者集成了電源和測量功能的儀器（例如數字源表[10]或者源測量單元SMU[11]），生成這種I-V曲線圖[12]。為了適應這類應用的需求，測試設備必須能夠在PV電池測量可用的量程范圍內提供電壓源並吸收電流，同時，提供分析功能以准確測量電流和電壓。簡化的測量配置如圖3所示。
圖2. 該曲線給出了PV電池的典型正偏特性，其中最大功率（PMAX）出現在最大電流（IMAX）和最大電壓（VMAX）的交叉點。
圖3. 對太陽能電池進行I-V曲線測量的典型系統，由一個電流源和一個伏特計組成。
測量系統應該支持四線測量模式。採用四線測量技術能夠解決引線電阻影響測量精度的問題。例如，可以用其中一對測試引線提供電壓源，用另一對引線測量流過電池的電流。重要的是要把測試引線放在距離電池盡可能近一些的地方。 圖4給出了利用SMU測出的一種被照射的硅太陽能電池的真實直流I-V曲線。由於SMU能夠吸收電流，因此該曲線通過第四象限，並且支持器件析出功率。
圖4. 正偏（被照射的）PV電池的這種典型I-V曲線表示輸出電流隨電壓升高而快速上升的情形。
三、總體效率的測量參數
其它一些可以從PV電池直流I-V曲線中得出的數據表徵了它的總體效率——將光能轉換為電能的好快程度——可以用一些參數來定義，包括它的能量轉換效率、最大功率性能和填充因數。最大功率點是最大電池電流和電壓的乘積，這個位置的電池輸出功率是最大的。
填充因數（FF）是將PV電池的I-V特性與理想電池I-V特性進行比較的一種方式。理想情況下，它應該等於1，但在實際的PV電池中，它一般是小於1的。它實際上等於太陽能電池產生的最大功率（PMAX=IMAXVMAX）除以理想PV電池產生的功率。填充因數定義如下：
FF = IMAXVMAX/(ISCVOC)
其中IMAX=最大輸出功率時的電流，VMAX =最大輸出功率時的電壓，ISC =短路電流，VOC=開路電壓。
轉換效率（h）是光伏電池最大輸出功率（PMAX）與輸入功率（PIN）的比值，即：
h = PMAX/PIN
PV電池的I-V測量可以在正偏（光照下）或反偏（黑暗中）兩種情況下進行。正偏測量是在PV電池照明受控的情況下進行的，光照能量表示電池的輸入功率。用一段載入電壓掃描電池，並測量電池產生的電流。一般情況下，載入到PV電池上的電壓可以從0V到該電池的開路電壓（VOC）進行掃描。在0V下，電流應該等於短路電流（ISC）。當電壓為VOC時，電流應該為零。在如圖1所示的模型中，ISC近似等於負載電流（IL）。
PV電池的串聯電阻（rs）可以從至少兩條在不同光強下測量的正偏I-V曲線中得出。光強的大小並不重要，因為它是電壓變化與電流變化的比值，即曲線的斜率，就一切情況而論這才是有意義的。記住，曲線的斜率從開始到最後變化很大，我們所關心的數據出現在曲線的遠正偏區域（far-forward region），這時曲線開始表現出線性特徵。在這一點，電流變化的倒數與電壓的函數關系就得出串聯電阻的值：
rs = ΔV/ΔI
到目前為止本文所討論的測量都是對暴露在發光輸出功率下，即處於正偏條件下的PV電池進行的測量。但是PV器件的某些特徵，例如分流電阻（rsh）和漏電流，恰恰是在PV電池避光即工作在反偏情況下得到的。對於這些I-V曲線，測量是在暗室中進行的，從起始電壓為0V到PV電池開始擊穿的點，測量輸出電流並繪制其與載入電壓的關系曲線。利用PV電池反偏I-V曲線的斜率也可以得到分流電阻的大小（如圖5所示）。從該曲線的線性區，可以按下列公式計算出分流電阻：
rsh = ΔV Reverse Bias/ΔI Reverse Bias
圖5. 利用PV電池反偏I-V曲線的斜率可以得到PV電池的分流電阻。
除了在沒有任何光源的情況下進行這些測量之外，我們還應該對PV電池進行正確地屏蔽，並在測試配置中使用低雜訊線纜。
四、電容測量
與I-V測量類似，電容測量也用於太陽能電池的特徵分析。根據所需測量的電池參數，我們可以測出電容與直流電壓、頻率、時間或交流電壓的關系。例如，測量PV電池的電容與電壓的關系有助於我們研究電池的摻雜濃度或者半導體結的內建電壓。電容-頻率掃描則能夠為我們尋找PV襯底耗盡區中的電荷陷阱提供信息。電池的電容與器件的面積直接相關，因此對測量而言具有較大面積的器件將具有較大的電容。
C-V測量測得的是待測電池的電容與所載入的直流電壓的函數關系。與I-V測量一樣，電容測量也採用四線技術以補償引線電阻。電池必須保持四線連接。測試配置應該包含帶屏蔽的同軸線纜，其屏蔽層連接要盡可能靠近PV電池以最大限度減少線纜的誤差。基於開路和短路測量的校正技術能夠減少線纜電容對測量精度的影響。C-V測量可以在正偏也可以在反偏情況下進行。反偏情況下電容與掃描電壓的典型曲線（如圖6所示）表明在向擊穿電壓掃描時電容會迅速增大。
圖6. PV電池電容與電壓關系的典型曲線。
另外一種基於電容的測量是激勵電平電容壓型（DLCP），可在某些薄膜太陽能電池（例如CIGS）上用於判斷PV電池缺陷密度與深度的關系。這種測量要載入一個掃描峰-峰交流電壓並改變直流電壓，同時進行電容測量[20]。必須調整這兩種電壓使得即使在掃描交流電壓時也保持總載入電壓（交流+直流）不變。通過這種方式，材料內部一定區域中暴露的電荷密度將保持不變，我們就可以得到缺陷密度與距離的函數關系。
五、電阻率與霍爾電壓的測量
PV電池材料的電阻率可以採用四針探測的方式，通過載入電流源並測量電壓進行測量，其中可以採用四點共線探測技術或者范德堡方法。
在使用四點共線探測技術進行測量時，其中兩個探針用於連接電流源，另兩個探針用於測量光伏材料上電壓降。在已知PV材料厚度的情況下，體積電阻率（ρ）可以根據下列公式計算得到：
ρ = (π/ln2)(V/I)(tk)
其中，ρ =體積電阻率，單位是Ωcm，V=測得的電壓，單位是V，I=源電流，單位是A，t=樣本厚度，單位是cm，k=校正系數，取決於探針與晶圓直徑的比例以及晶圓厚度與探針間距的比例。
六、范德堡電阻率測量方法
測量PV材料電阻率的另外一種技術是范德堡方法。這種方法利用平板四周四個小觸點載入電流並測量產生的電壓，待測平板可以是厚度均勻任意形狀的PV材料樣本。
范德堡電阻率測量方法需要測量8個電壓。測量V1到 V8是圍繞材料樣本的四周進行的，如圖7所示。
圖7. 范德堡電阻率常用測量方法
按照下列公式可以利用上述8個測量結果計算出兩個電阻率的值：
ρA = (π/ln2)(fAts)[(V1 – V2 +V3 – V4)/4I]
ρB = (π/ln2)(fBts)[(V5 – V6 +V7 – V8)/4I]
其中，ρA和 ρB分別是兩個體積電阻率的值，ts =樣本厚度，單位是cm，V1 – V8是測得的電壓，單位是V，I=流過光伏材料樣品的電流，單位是A，fA和 fB是基於樣本對稱性的幾何系數，它們與兩個電阻比值QA和 QB相關，如下所示：
QA = (V1 – V2)/(V3 – V4)
QB = (V5 – V6)/(V7 – V8)
當已知ρA和 ρB的值時，可以根據下列公式計算出平均電阻率（ρAVG）：
ρAVG = (ρA + ρB)/2
高電阻率測量中的誤差可能來源於多個方面，包括靜電干擾、漏電流、溫度和載流子注入。當把某個帶電的物理拿到樣本附近時就會產生靜電干擾。要想最大限度減少這些影響，應該對樣本進行適當的屏蔽以避免外部電荷。這種屏蔽可以採用導電材料製作，應該通過將屏蔽層連接到測量儀器的低電勢端進行正確的接地。電壓測量中還應該使用低雜訊屏蔽線纜。漏電流會影響高電阻樣本的測量精度。漏電流來源於線纜、探針和測試夾具，通過使用高質量絕緣體，最大限度降低濕度，啟用防護式測量，包括使用三軸線纜等方式可以盡量減少漏電流。
七、脈沖式I-V測量
除了直流I-V和電容測量，脈沖式I-V測量也可用於得出太陽能電池的某些參數。特別是，脈沖式I-V測量在判斷轉換效率、最短載流子壽命和電池電容的影響時一直非常有用。