基恩士光照探针测量方法

‘壹’ 地温场测量方法

根据测温钻孔的深度一般把地温测量方法分为以下3类:①米测温法(深1～3m);②浅孔测温法(深10～30m);③深孔测温法(深度＞30m)。前两种统称浅层测温法,它具有较好的经济性(特别是米测温法),而且对地热异常区一般有良好的异常显示,故浅层测温法是勘探地热田的主要地温测量方法。

地温测量的深度应根据储热构造的埋深、温度及当地的水文地质、气候条件而定。在埋深较小的高温地热区,由于地表地热异常明显,可采用浅层测温法。在地热普查阶段可使用成本低的米温测量,测量1～2m的表层地温。深孔测温法孔深一般在50～200m之间,钻孔间距取决于地热异常的范围。其优点在于不受气候变化的影响,但钻井费用较高。一般为地热勘查的详查阶段要使用。

测温勘探过程中,应尽量避免自然因素和人为因素的影响,包括日照、地形、大气降水、地下水活动和人工热源对温度测量的干扰。诸如地下水活动可能带走传导热流,而导致梯度测量数值的假象,过浅的地温测量应该校正因气温带来的数据偏差等。所以,测温勘探最好选择构造特征相近地段、气温变化不大时间段进行测量,以增加测量数据的准确性。

(一)米测温法的方法与技术

理论计算和实测资料表明,米测温法在普查工作中是合适的。理论计算表明,一般受构造控制(温度60～70℃,埋深300m左右)或盆地盖层较薄的地热异常区用米测温法不难发现。作为地热资源的普查阶段,只需了解地温分布的大致趋势,米测温法基本可以满足要求。

1.工作布置

(1)测区和测网

布置测区范围时应考虑:①地质任务的要求;②工区地热地质条件;③前人工作成果;④兼顾配套方法,使资料完整。

测网可分为规格网法与离散网点法。规格网法基线方向一般平行于所研究对象的走向,在有钻孔的地方应尽量穿过钻孔位置,测线方向垂直于基底构造线。离散网点法可直接利用地形图定点,尽量沿公路与小路布点。

测网上的测点布设时,在研究对象走向的垂直方向上测点相应要密一些。实际点位应准确,测点分布应均勺,尽可能经济、施工方便。

(2)工作比例尺和观测网度

工作比例尺和观测网度根据地质任务、探测对象规模及特点确定。普查性勘测工作线距不应大于最小探测对象的长度,点距应保证至少有3个测点能反映异常。由于地热流体受断裂构造控制的居多,其异常宽度往往较窄,因此点距应相对密一些。常用比例尺的线、点距应遵循下述原则:线距为工作比例尺的1/100,点距可等于或小于线距的1/10。线距最大变动范围不得超过20%。例如在1∶5万普查工作中,线距应为500m,最大不能超过600m,点距应大致为50m。对于离散网点,测点密度一般约为10个/km²,山区或工作实在困难处可适当放稀。

(3)测温精度

测温精度应根据地质任务要求、工区地热地质情况,由探测对象可能引起的温度异常强度、形态以及干扰等因素综合确定。测温仪器精度一般不超过±0.2℃,即可满足普查工作需要。

(4)基点网

当测区范围较大、工作用地较长时,为减小各工区间地温场联系误差,提高测温精度,并便于野外生产,应根据需要设计基点网。基点可分为总基点和分基点二级。基点数以实际工作要求确定。当基点数不止一个时,必须进行基点联测。联测工作最好一月一次,野外工作开始和结束时必须进行联测。

2.野外工作方法

(1)基点的选择

所有的基点均应满足下列要求:①位于地温场正常区;②基点附近不应存在明显干扰因素,光照、植被等条件至少应与大多数测点相似;③易于保护,不易受人为破坏;④便于保存。为工作方便,总基点一般选在驻地附近,分基点在施工现场选定。

(2)定点

测点的位置要尽景避开地形的突变地带,避免明显人为活动干扰或不适宜测温的地段;选择地势较平缓、光照条件一致,并且植被较单一处定点。

(3)打孔

打孔方式不拘,但必须控制孔径和孔深,孔径不宜大于5cm,成孔后应清理孔口。

(4)测量

打孔半小时后,钻井干扰已基本消除,可进行测量。测量时小心放入探头,使其与孔底紧密接触,待仪器数值平稳后进行读数。

(5)记录

认真记录测量时间、地点、天气、孔深、土质及测温值,应注意记录可能导致温度场畸变的其他因素及其大致位置。

(6)质量检查与评价

质量检查可采取均匀抽样、选若干剖面重复观测、检变异常3种方式进行。测温质量检查率不少于5%。以均方误差作为评价全区观测结果的主要标准。

3.数据整理

地温测量取得的数据是极其重要的第一手资料。为了获得有关地热异常空间分布及其规模的正确结论,必须对所收集的与地热场有关的原始资料和原始测温数据进行全面分析,分类评价。

对米测温而言,室内需要做的工作:①检查、验收原始数据;②标定仪器,计算基点网联测及测点观测的结果;③检查观测精度;④测算有关校正数据;⑤必要时对原始数据进行地形和地表植被等影响校正、气温变化校正等数据处理;⑥编日记录表册;⑦绘制有关图件。

提供图件目录:①交通位置图;②实际工作材料图;③温度剖面平面图;④温度等值线平面图;⑤典型剖面图;⑥推断成果图;⑦其他有关图件。

(二)较深钻孔测温的工作方法

1.测温孔选择

近地表地温勘探虽然成本低、效率高,但由于干扰因素多,信噪比小,往往只能用相对异常来推测地下热源的分布。在覆盖层较厚的地热区,地表没有地热异常显示或显示微弱的情况下,多采用钻孔测温方法。钻孔测温由于避开了地表温度周期变化、地表状况的影响,特别是避开了近地表地下水的干扰,获得的温度资料更好地反映了深部地温场的分布。由于钻井成本随深度增加而迅速增加,因此地温勘探钻孔深度常在30～200m之间。为了节约地热勘探成本,应当尽量利用其他勘探目的(如地下水、石油、煤田等)施工的钻孔以及水文长期观测孔进行井温测量。

2.钻孔测温类型

钻孔测温不同于其他项目的物探测井,因此,在终孔后,钻孔静止不同时间的测温结果,精度有大的差别。依静止时间的不同,钻孔测温分为瞬态测温、准稳态测温和稳态测温3类。瞬态测温是在停钻后不久,钻孔温度远未恢复到平衡条件下进行的测温。简易测温规定在终孔后,物探测井前后进行两次测温,第一次测温距停钻约12小时。第二次测温是钻孔静止3～5天时的测温,届时全井段温度已达准稳态。在地质勘探中的近似稳态测温属于此类。稳态测温是在长期保留的钻孔中进行的,是钻孔中的流体与地层温度已达稳定状态下的测温。

3.数据整理

在勘探中取得的原始测温资料,一方面由于钻孔测温类型的不同,使其质量各异。对于简易测温资料以及部分近似稳态测温资料,经校正后才能用于地温场评定。另一方面原始的测温资料,彼此是孤立分散的,须经集中、分析、归纳,使之系统化,才能全面反映地温场面貌。因此,资料整理是地温场研究的重要步骤,这里就资料整理中带有普遍性的问题作必要的讨论。

(1)非稳态测温资料的校正

关于钻孔非稳态测温结果的校正方法,总的原则是利用恒温带温度和井底温度作为摹本依据,对非稳态测温曲线作合理的修正。

(2)简易测温的井底温度的校正

简易测温是钻孔终止大约12小时内进行的两次测温,这类资料在勘探中是大量的,对此类井底温度的校正作法各异。实践表明,采用井底温度对数回归推算72小时温度的方法简便易行且有良好的精度。

该方法基于统计确认,井底温度恢复过程中,温度变化与时间的对数有线性关系,即

Δθ=θ-θ₀=Blnt 2-6

式中:θ为停钻后某一时间t的井底温度;θ₀为钻孔终止瞬间的井底温度;t为从停钻时算起的时间;B为温度恢复系数,为常数。基于上式,对于简易测温的不同时间的两次井底温度,可以写出两个方程式并联立从而可求得常数B值为

B=(θ₂-θ₁)/ln(t₂/t₁) 2-7

式中:t₁,t₂分别为第一次及第二次测温时间;θ₁,θ₂分别为第一次及第二次测得的井底温度。

当B值已知时,就可利用简易测温的井底温度推算出预期达到稳定时间的温度。经论证,停钻3天(72小时)的井底温度,在一般条件下已达稳定,其时的温度即为原始岩温。

于是有:θ_r=θ_i+Bln(72/t_i),其中,θ_r为井底岩温(72h的井底温度),θ_i为简易测温中的某一次的井底温度,t_i为简易测温中某一次的测温时间(h)。这一方法所得结果,经过与大量稳态、准稳态测温孔资料的验算和对比,误差不超过±0.3～0.5℃。

如果地热井为溢流井,溢流状态时井底流体温度将很快与热储层温度达到平衡,而非渗流或弱渗流地段地温恢复则相对要慢一些(徐世光等.2009)。

(三)海底地热探测主要步骤

1)航次开始前,通常需要对温度传感器进行标定,以校正因漂移引起的误差。

2)仪器下放前,需要量好各温度记录器与同一参照点的距离。

3)入水后离海底约100m处停止下放,这样可以让探针与船体保持垂直,并且使得温度记录器稳定,约3min后,高速下放(如115m/s)并插入沉积物中,探针插入时因与沉积物间的摩擦生热,温度记录显示有突然升高现象。

4)插入后需保持探针不受扰动。

5)大约7～8min后,拔出探针,如果载体为取样管,例如,神户海域HS82站位和西沙海域HX129站位的作业方式,则需要把探针收回到甲板上以便回收温度记录器和沉积物样品;如果载体为钢矛,则收到离海底一定高度后,慢速移动到下个站位继续下放测量;在每次收回探针时需再次测量各温度记录器与参照点的距离,确认探针在插入和起拔过程中相互之间没有发生位移,若出现温度记录器移动,该设备的测量数据无效。插入后记录的温度变化取决于摩擦热引起的温度变化是否高于原来未受扰动的环境温度,如果高于环境温度,则记录温度逐渐衰减,否则逐渐增高到环境温度。温度记录器的采样率可编程修改。

(四)编图过程中需注意的几点技术问题

根据区域内测量的地温资料,经气温校正、地形校正、地下水热量传递计算处理后,可以通过区域内的等温线平面图、地温剖面图、地温梯度图来反映地温场的空间分布。这些图件对于了解地热异常区的平面分布形态,寻找和圈定地热勘探靶区具有重要意义。

编图过程中需注意的几点技术问题:

1)反映地温场空间的剖面图和平面图,必须以稳态和近似稳态测温资料为基础,简易测温资料须经适当校正处理后进行使用。

2)在有强承压含水层分布的地区,要对承压含水层揭穿前、后的测温资料加以区分。揭穿强承压含水层后有水上涌的钻孔,其温度与含水层揭穿前的温度状况迥然不同,前者由于有水上涌,井孔的温度是水的流温,不代表原始岩温。

3)在编图时,常遇到某些钻孔测温深度不够的情况,以致某些地段得不到资料控制,这时应对测温资料作一些必要的外推,以获得编图所需的数据,其方法如下:

① 由浅推深。即利用实测温度资料向深处外推,如果外推段的岩层性质和上段相同或基本相似,可据实测稳态温度曲线或经校正的近稳态曲线,按自然梯度,直延至目的深度,求得温度值。

② 对比法。如果外推的深度段岩性与测温段有明显差异,可根据该地区相同构造部位、相同岩性段的已知地温梯度值计算下段的温度。

③ 估算法。若所研究的钻孔,其温度场符合或基本符合一维热传导条件下,由深部而来的垂向热流在各层段都是相同的特点,即可根据浅部段实测地温梯度值与岩石热导率资料,以及深部预测段岩石热性质的变化,按照热流值相等原理,求出待测段的地温梯度和温度。

④ 编图过程中,应注意可能引起温度场变化的地质构造特点。如盖层厚薄的变化,基底起伏及构造形态,断裂带位置、性质及断距等,同时也要注意水文地质条件的变化,以便使编制的图件更好地反映客观实际。

‘贰’ 光伏电池的评测方法

一、等效电路模型
PV电池的等效电路模型（如图1所示）能够帮助我们深入了解这种器件的工作原理。理想PV电池的模型可以表示为一个感光电流源并联一个二极管。光源中的光子被太阳能电池材料吸收。如果光子的能量高于电池材料的能带，那么电子就被激发到导带中。如果将一个外部负载连接到PV电池的输出端，那么就会产生电流。
图1. 由一个串联电阻（RS）和一个分流电阻（rsh）和一个光驱电流源构成的光伏电池等效电路。
由于电池衬底材料及其金属导线和接触点中存在材料缺陷和欧姆损耗，PV电池模型必须分别用串联电阻（RS）和分流电阻（rsh）表示这些损耗。串联电阻是一个关键参数，因为它限制了PV电池的最大可用功率（PMAX）和短路电流（ISC）。
PV电池的串联电阻（rs）与电池上的金属触点电阻、电池前表面的欧姆损耗、杂质浓度和结深有关。在理想情况下，串联电阻应该为零。分流电阻表示由于沿电池边缘的表面漏流或晶格缺陷造成的损耗。在理想情况下，分流电阻应该为无穷大。
要提取光伏电池的重要测试参数，需要进行各种电气测量工作。这些测量通常包含直流电流和电压、电容以及脉冲I-V。
二、PV电池的直流电流-电压（I-V）测量
可以利用直流I-V[9]曲线图对PV电池进行评测，I-V图通常表示太阳能电池产生的电流与电压的函数关系（如图2所示）。电池能够产生的最大功率（PMAX）出现在最大电流（IMAX）和电压（VMAX）点，曲线下方的面积表示不同电压下电池能够产生的最大输出功率。我们可以利用基本的测量工具（例如安培计和电压源），或者集成了电源和测量功能的仪器（例如数字源表[10]或者源测量单元SMU[11]），生成这种I-V曲线图[12]。为了适应这类应用的需求，测试设备必须能够在PV电池测量可用的量程范围内提供电压源并吸收电流，同时，提供分析功能以准确测量电流和电压。简化的测量配置如图3所示。
图2. 该曲线给出了PV电池的典型正偏特性，其中最大功率（PMAX）出现在最大电流（IMAX）和最大电压（VMAX）的交叉点。
图3. 对太阳能电池进行I-V曲线测量的典型系统，由一个电流源和一个伏特计组成。
测量系统应该支持四线测量模式。采用四线测量技术能够解决引线电阻影响测量精度的问题。例如，可以用其中一对测试引线提供电压源，用另一对引线测量流过电池的电流。重要的是要把测试引线放在距离电池尽可能近一些的地方。 图4给出了利用SMU测出的一种被照射的硅太阳能电池的真实直流I-V曲线。由于SMU能够吸收电流，因此该曲线通过第四象限，并且支持器件析出功率。
图4. 正偏（被照射的）PV电池的这种典型I-V曲线表示输出电流随电压升高而快速上升的情形。
三、总体效率的测量参数
其它一些可以从PV电池直流I-V曲线中得出的数据表征了它的总体效率——将光能转换为电能的好快程度——可以用一些参数来定义，包括它的能量转换效率、最大功率性能和填充因数。最大功率点是最大电池电流和电压的乘积，这个位置的电池输出功率是最大的。
填充因数（FF）是将PV电池的I-V特性与理想电池I-V特性进行比较的一种方式。理想情况下，它应该等于1，但在实际的PV电池中，它一般是小于1的。它实际上等于太阳能电池产生的最大功率（PMAX=IMAXVMAX）除以理想PV电池产生的功率。填充因数定义如下：
FF = IMAXVMAX/(ISCVOC)
其中IMAX=最大输出功率时的电流，VMAX =最大输出功率时的电压，ISC =短路电流，VOC=开路电压。
转换效率（h）是光伏电池最大输出功率（PMAX）与输入功率（PIN）的比值，即：
h = PMAX/PIN
PV电池的I-V测量可以在正偏（光照下）或反偏（黑暗中）两种情况下进行。正偏测量是在PV电池照明受控的情况下进行的，光照能量表示电池的输入功率。用一段加载电压扫描电池，并测量电池产生的电流。一般情况下，加载到PV电池上的电压可以从0V到该电池的开路电压（VOC）进行扫描。在0V下，电流应该等于短路电流（ISC）。当电压为VOC时，电流应该为零。在如图1所示的模型中，ISC近似等于负载电流（IL）。
PV电池的串联电阻（rs）可以从至少两条在不同光强下测量的正偏I-V曲线中得出。光强的大小并不重要，因为它是电压变化与电流变化的比值，即曲线的斜率，就一切情况而论这才是有意义的。记住，曲线的斜率从开始到最后变化很大，我们所关心的数据出现在曲线的远正偏区域（far-forward region），这时曲线开始表现出线性特征。在这一点，电流变化的倒数与电压的函数关系就得出串联电阻的值：
rs = ΔV/ΔI
到目前为止本文所讨论的测量都是对暴露在发光输出功率下，即处于正偏条件下的PV电池进行的测量。但是PV器件的某些特征，例如分流电阻（rsh）和漏电流，恰恰是在PV电池避光即工作在反偏情况下得到的。对于这些I-V曲线，测量是在暗室中进行的，从起始电压为0V到PV电池开始击穿的点，测量输出电流并绘制其与加载电压的关系曲线。利用PV电池反偏I-V曲线的斜率也可以得到分流电阻的大小（如图5所示）。从该曲线的线性区，可以按下列公式计算出分流电阻：
rsh = ΔV Reverse Bias/ΔI Reverse Bias
图5. 利用PV电池反偏I-V曲线的斜率可以得到PV电池的分流电阻。
除了在没有任何光源的情况下进行这些测量之外，我们还应该对PV电池进行正确地屏蔽，并在测试配置中使用低噪声线缆。
四、电容测量
与I-V测量类似，电容测量也用于太阳能电池的特征分析。根据所需测量的电池参数，我们可以测出电容与直流电压、频率、时间或交流电压的关系。例如，测量PV电池的电容与电压的关系有助于我们研究电池的掺杂浓度或者半导体结的内建电压。电容-频率扫描则能够为我们寻找PV衬底耗尽区中的电荷陷阱提供信息。电池的电容与器件的面积直接相关，因此对测量而言具有较大面积的器件将具有较大的电容。
C-V测量测得的是待测电池的电容与所加载的直流电压的函数关系。与I-V测量一样，电容测量也采用四线技术以补偿引线电阻。电池必须保持四线连接。测试配置应该包含带屏蔽的同轴线缆，其屏蔽层连接要尽可能靠近PV电池以最大限度减少线缆的误差。基于开路和短路测量的校正技术能够减少线缆电容对测量精度的影响。C-V测量可以在正偏也可以在反偏情况下进行。反偏情况下电容与扫描电压的典型曲线（如图6所示）表明在向击穿电压扫描时电容会迅速增大。
图6. PV电池电容与电压关系的典型曲线。
另外一种基于电容的测量是激励电平电容压型（DLCP），可在某些薄膜太阳能电池（例如CIGS）上用于判断PV电池缺陷密度与深度的关系。这种测量要加载一个扫描峰-峰交流电压并改变直流电压，同时进行电容测量[20]。必须调整这两种电压使得即使在扫描交流电压时也保持总加载电压（交流+直流）不变。通过这种方式，材料内部一定区域中暴露的电荷密度将保持不变，我们就可以得到缺陷密度与距离的函数关系。
五、电阻率与霍尔电压的测量
PV电池材料的电阻率可以采用四针探测的方式，通过加载电流源并测量电压进行测量，其中可以采用四点共线探测技术或者范德堡方法。
在使用四点共线探测技术进行测量时，其中两个探针用于连接电流源，另两个探针用于测量光伏材料上电压降。在已知PV材料厚度的情况下，体积电阻率（ρ）可以根据下列公式计算得到：
ρ = (π/ln2)(V/I)(tk)
其中，ρ =体积电阻率，单位是Ωcm，V=测得的电压，单位是V，I=源电流，单位是A，t=样本厚度，单位是cm，k=校正系数，取决于探针与晶圆直径的比例以及晶圆厚度与探针间距的比例。
六、范德堡电阻率测量方法
测量PV材料电阻率的另外一种技术是范德堡方法。这种方法利用平板四周四个小触点加载电流并测量产生的电压，待测平板可以是厚度均匀任意形状的PV材料样本。
范德堡电阻率测量方法需要测量8个电压。测量V1到 V8是围绕材料样本的四周进行的，如图7所示。
图7. 范德堡电阻率常用测量方法
按照下列公式可以利用上述8个测量结果计算出两个电阻率的值：
ρA = (π/ln2)(fAts)[(V1 – V2 +V3 – V4)/4I]
ρB = (π/ln2)(fBts)[(V5 – V6 +V7 – V8)/4I]
其中，ρA和 ρB分别是两个体积电阻率的值，ts =样本厚度，单位是cm，V1 – V8是测得的电压，单位是V，I=流过光伏材料样品的电流，单位是A，fA和 fB是基于样本对称性的几何系数，它们与两个电阻比值QA和 QB相关，如下所示：
QA = (V1 – V2)/(V3 – V4)
QB = (V5 – V6)/(V7 – V8)
当已知ρA和 ρB的值时，可以根据下列公式计算出平均电阻率（ρAVG）：
ρAVG = (ρA + ρB)/2
高电阻率测量中的误差可能来源于多个方面，包括静电干扰、漏电流、温度和载流子注入。当把某个带电的物理拿到样本附近时就会产生静电干扰。要想最大限度减少这些影响，应该对样本进行适当的屏蔽以避免外部电荷。这种屏蔽可以采用导电材料制作，应该通过将屏蔽层连接到测量仪器的低电势端进行正确的接地。电压测量中还应该使用低噪声屏蔽线缆。漏电流会影响高电阻样本的测量精度。漏电流来源于线缆、探针和测试夹具，通过使用高质量绝缘体，最大限度降低湿度，启用防护式测量，包括使用三轴线缆等方式可以尽量减少漏电流。
七、脉冲式I-V测量
除了直流I-V和电容测量，脉冲式I-V测量也可用于得出太阳能电池的某些参数。特别是，脉冲式I-V测量在判断转换效率、最短载流子寿命和电池电容的影响时一直非常有用。