毕业设计（论文）-太阳电池测试系统研究与分析.doc

shandong 毕 业 论 文 太阳电池测试系统研究与分析 学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 学生姓名： xxx 学 号： 071220xxxx 指导教师： 彭丽英 20 年 月 摘要 i 摘 要 在现代太阳电池生产中，存在着大量太阳电池伏安特性的测试问题。由于 一般的二线制测试方法，测量结果会由于引线上的压降影响而不准确。因此， 本研究采用电源负载四端法（即四线制测量原理） ，设计一种能够根据不同的被 测件，自动实现自适应调节，选择不同的程序放大模块，满足不同等级的电流 电压测量的需求，准确测量各个参数的太阳电池测试系统。 太阳电池测试系统主要包括太阳光模拟器、基于atmegal6单片机的数据采 集与控制单元和基于pc上位机的数据处理单元；它的工作过程为：采用脉冲氙 灯太阳光模拟器作为光源，模拟器发出的光照到太阳电池上，经a/d转换器把 模拟信号转化为数字信号，经rs-232接口送入计算机进行数据计算与显示，实 现太阳电池电流、电压，温度和光强的测量；本论文研究的内容主要包括：总 体方案论证、光学系统研究、数据采集与处理系统研究、软件设计与误差分析； 其中选用了精密放大器ad620an，两端式的电流型集成温度传感器ad590，进 行数据的采集，数据处理的核心部件是atmel公司的avr系列单片机 atmegal6，以及ti公司的16位ad转换器ads8341和da转换器tlv5618等。 另外通过软件设计能有效地实现太阳电池特性的测量，并对可能造成的误差进 行了分析，验证了方案的可行性。 此测量系统具有工作稳定、分辨率高、自动选择合适的测量范围等特点， 测量范围为电压：050v，电流：010a，分辨率：电压：1mv 电流：1ma。 本设计可以解决各种太阳电池的参数测试问题，通过太阳电池测试系统得到的 参数可以用来评价太阳电池性能优劣。完善太阳电池测试系统有利于研究电池 特性，进而改善电池性能，具有现实意义。 关键词：太阳电池、测试设备、太阳光模拟器、数据采集、伏安特性、曲线拟 合 abstract ii abstract in the modern solar cell production, there are a large number of solar cells iv characteristics of the test problems. wire test due to the general method, the measurement results will be affected because the voltage drop across the leads and not accurate. therefore, this study used four-terminal method power load (is, four-wire measurement principle), to design a test according to the different parts, automatically adaptive, select a different program amplifier module to meet different levels of current and voltage measurements demand, accurate measurement of the parameters of the solar cell test systems. solar testing system includes solar simulator, microcontroller based atmegal6 data acquisition and control unit and pc-based host computers data processing unit; it works as follows: pulsed xenon lamp solar simulator as light source, emitted light to the solar simulator, and by the a / d converter to convert the analog signals into digital signals, the rs-232 interface into the computer data calculation and display, to achieve solar cell current, voltage, temperature and light intensity measurements; the contents of this thesis include: overall program feasibility studies, the optical system, the data acquisition and processing system, software design and error analysis; which used a sophisticated amplifier ad620an, both ends of the type of current-mode integrated temperature sensor ad590, the data acquisition, data processing is a core component of atmels avr family of microcontrollers atmegal6, as well as tis 16-bit a / d converter ads8341 and d / a converter tlv5618 and so on. in addition the software design can effectively achieve the measurement of solar cell characteristics, and possible errors are analyzed to verify the feasibility. this measurement system has a working stable, high resolution, automatically select the appropriate measurement range and other characteristics of the voltage measurement range: 050v, current: 010a, resolution: voltage: 1mv current: 1ma. this design can solve the test problems of various parameters of solar cells, solar cell testing system through the parameters obtained from solar cells can be used to evaluate the performance advantages and disadvantages. improve the testing system is conducive to study solar cell characteristics, thus improving battery performance, has practical significance. keywords: solar cells, test equipment, solar simulators, data acquisition, volt-ampere characteristic, curve fitting 目录 iii 目录 摘 要 i abstractii 目录iii 第一章 引言1 1.1 本课题研究的目的和意义.1 1.2 太阳能电池的分类.1 1.3 太阳电池测试仪的国内外发展状况.2 1.3.1 太阳光模拟器2 1.3.2 测试电路3 1.3.3 曲线拟合3 1.4 本课题研究的主要内容及目标.4 第二章 太阳电池测试原理与系统结构5 2.1 太阳电池的基本原理.5 2.1.1 太阳电池的等效电路6 2.1.2 太阳电池参数的定义9 2.2 太阳电池伏安特性曲线测量原理.10 2.2.1 伏安特性的一般测量方法10 2.2.2 四线制测量原理10 2.2.3 电子负载测量方法12 2.3 测试系统的总体结构设计.13 第三章 太阳光模拟器15 3.1 常用的太阳光模拟器.15 3.2 衡量太阳光模拟器的主要技术指标.16 3.2.1 辐照强度16 3.2.2 辐照不均匀度16 3.2.3 辐照强度的不稳定度16 3.2.4 光谱失配误差16 第四章 太阳电池测试系统的硬件设计19 4.1 测试系统硬件设计概述.19 4.2 数据采集控制电路设计.19 目录 iv 4.2.1 电压、电流采样电路设计19 4.2.2 电子负载电路22 4.2.3 温度采样控制电路25 4.2.4 光强采样电路27 4.3 数据处理电路的核心控制器件.28 4.4 数据传输电路设计.29 第五章 太阳电池测试系统的软件设计31 5.1 软件概述.31 5.2 数据采集与预处理单元的程序设计.31 5.2.1 电压电流采样的控制程序32 5.2.2 光强采样程序33 5.2.3 温度采样与控制程序33 5.3 上位机软件设计.34 5.3.1 曲线拟合35 5.3.2 数据库功能37 5.4 单片机与上位机之间的通讯程序设计.38 5.4.1 单片机串行通信软件设计38 5.4.2 mscomm 控件实现上位机串行通讯.40 5.4.3 系统的通讯协议41 第六章 测试结果与误差分析42 6.1 测试结果分析.42 6.2 误差分析.43 第七章 总结和展望45 7.1 全文总结.45 7.2 改进和展望.45 参考文献47 致谢及声明48 附录49 第一章 引言 1 第一章 引言 1.1 本课题研究的目的和意义 随着各国经济的高速发展，环境污染、能源危机、生态破坏、温室效应正 在不断加剧，能源问题逐渐成为各国的可持续发展的首要问题。随着全球能源 的需求量的逐年增加，对可再生能源的有效利用成为急待解决的问题。在各种 可再生的能源中，占地球总能量99以上的太阳能是最理想的可再生绿色能源 之一，它取之不尽、用之不竭，因此将太阳能转化为电能和热能为人类服务一 直是科学家追求的目标。太阳能电池是一种可直接将太阳能转化为电能的装置， 所以它一直是世界各国作为新的清洁能源的主要研究的目标之一。 太阳电池测试设备是评价太阳电池性能优劣的重要仪器，它不仅是保证太 阳电池质量的重要手段，也是进一步研究电池特性和原材料性能的工具。对太 阳电池进行测试和分类，有助于生产出高组合效率和低组合损失的太阳电池； 能为用户提供正确的技术参数，以达到改善负载匹配、选择最佳工作状态、充 分发挥效益的目的。尤其对太阳电池生产厂家而言，在线检测设备能够保证产 品合格出厂，因此对太阳电池性能的测试研究具有十分重要的意义。 1.2 太阳能电池的分类 根据不同的方式可以对太阳能电池进行相应分类： 根据所用材料来区分，太阳能电池可以分为：硅基太阳能电池、化合物薄 膜太阳能电池、有机太阳能电池以及染料敏化太阳能电池。其中硅太阳能电池 包括单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池以及非晶硅薄膜太阳能电池。 化合物薄膜太阳能电池包括砷化镓-化合物太阳能电池、硒化镉太阳能电池 和铜铟硒太阳能电池等等。有机太阳能电池又分为有机小分子太阳能电池和聚 合物太阳能电池1。 从利用技术的成熟度来区分，太阳能电池可以分为2： 第一代太阳能电池： 晶体硅太阳能电池。第二代太阳能电池：各种薄膜太阳能电池，包括：非晶硅 薄膜太阳能电池(-si)、碲化镉太阳能电池（cdte）、铜铟镓硒太阳能电池 (cigs)、砷化镓(gaas)太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏化太阳能电池。 第三代太阳能电池又称为高效太阳能电池。目前正在研究的包括各种叠层太阳 能电池、热光伏电池(tpv)、量子阱以及量子点的超晶格太阳能电池、中间带太 阳能电池、上转换太阳能电池、下转换太阳能电池、热载流子太阳能电池、碰 撞离化太阳能电池等新概念太阳电池。 第一章 引言 2 1.3 太阳电池测试仪的国内外发展状况 太阳电池测试设备在国外已得到广泛应用，各大太阳电池生产厂家都有系 列化产品。太阳电池测试仪的关键部件为太阳光模拟器、测试电路、数据处理、 分析和显示系统。下面从三方面来叙述国内外的研究状况。 1.3.1 太阳光模拟器 太阳光模拟器作为太阳电池的关键部件。总体上来说有稳态太阳光模拟器 与脉冲太阳光模拟器。无论是稳态还是脉冲，其结构大同小异。开始采用的是 闪光灯光源，如欧洲空间研究和技术中心的卫星服务部研制了一套太阳光模拟 器，它有氙灯、滤光镜、光传感器、缩放操作杆、矫正棱镜等组成。它的核心 思想是：将光分解成不同波长，然后再合成，形成与太阳光谱相近的 am1.5 太 阳光。具体是将氙灯投出的光，通过滤镜盘，滤镜盘上安装了不同波长的滤镜。 其大小可以通过缩放操作杆操控。当光线通过滤镜盘后，形成了与太阳光光谱 相近的光，通过矫正棱镜，形成较均匀的模拟太阳光。这种装置被 m.watanabe ucsrb=0xd8; ucsrc=0xa6; ubrrh=0x00; ubrrl=0x33; （2）接收完成中断服务程序设计 在 ucsrb 寄存器中 rxen 位(接受允许)被置位后，rxd 引脚的 i/o 特性 被 dart 代替。usart 会接受每一个在 rxd 引脚上出现的异步帧数据，当接 受完一帧数据并把数据传送到 udr 后，ucsra 寄存器中标志位 rxc 被置位， 表示接收到了一字节并可以读取了，读 udr 的操作将清除该标志位。置位 ucsrb 的接收结束中断使能位(rxcie)后，只要 rxc 标志置位(且全局中断只 能)就会产生 usart，接收完成中断。 本例中接收完成中断服务程序如下: / usart receiver interrupt service routine signal (sig uart recv) char status,data; status=ucsra; /read the value of ucsra /read the value of udr if (status /transmit the data to usart receiver buffer if (+rx_wr index=rx-bufferee_size) rx_wr_index=0; if (+rx_counter=rx_bufferes_size) rx_counter=0; rx_buffer overfloe=1; ;/end of if cm=rx_counter; ;/end of if ;/end of interrupt (3)发送完成中断服务程序 在 ucsrba 寄存器中 txen 位(发送允许)被置位后，txd 引脚的 i/o 性能 第五章 太阳电池测试系统软件设计 41 被 uart 代替，此时对寄存器 udr 的一次写操作将开始一次发送操作。 usart 首先将 udr 内数据传送到移位寄存器，完成后将寄存器 ucsra 中的 状态位 udre 置位，表示下一个要发送的数据可以写入 udr 了，udr 的写操 作清楚该标志。当移位寄存器的数据全部发送到 txd 引脚并且 udr 内无待发 送的数据时，ucsrb 寄存器中的 txc 标志位被置位表示发送完成。当 ucsrb 上的发送结束中断使能位 txcie 与全局中断使能位均被置为， “1”时，txc 的置位可触发中断，进入中断服务程序后该标志会被硬件自动清除。 发送完成中断服务程序: void usart_transmithandler(void) 5.4.2 mscomm 控件实现上位机串行通讯 对 mscomm 控件的应用主要涉及到对其几个关键属性的设置。以下先简单 介绍 mscomm 控件的几个主要属性，然后给出本例中对 mscomm 控件的实际 操作和使用。 (1) mscomm 控件的属性 设置或返回连接端口号，用于选择通过哪个端口进行通信。所设定的通讯 端口号由 1 开始往上递增。 portopen 设置或返回连接端口的状态。若未打开通讯端口即进行数据传 输，系统将显示错误信息，若端口打开后，可以直接读写数据流。 settings 设置初始化参数，以字符串的形式设置或返回连线速度、校验位、 数据位、停止位等 4 个参数。 input 从输入寄存器返回并删除字符，即将输入寄存器的字符读入并清除 寄存器已读入的数据。 output 将欲传送的数据写入传输寄存器，用此指令写入输出寄存器中。 rthresthold 设置或返回引发接收事件的字节数。 inbufercount 返回接收缓冲区中等待的字符，可通过置 0 清空缓冲区。 inbuffersize 设置或返回接收缓冲区的字节数。 inputlen 指定由串行端口读入的字符串长度。 (2) mscomm 控件在本例中的应用 上位机串口的接收利用 mscomm 控件中的 oncomm 事件，而发送数据则 利用定时器定时发送命令。mscomm 控件的初始化可以在控件属性里设置也可 以通过编程设置。 第五章 太阳电池测试系统软件设计 42 mscomm 控件初始化如下: with mscomm commport=1 设置通讯端口 inbuffercount=0 清空缓冲区 settings= “9600,n，8,1” 设置通讯波特率等 sthreshold=0 不触发 comevsend 事件 inbuffersize=3000 outbuffercount=0 inputmode=com inputmodebinary 将取出的数据设为二进制 end with 由于下位机的数据长度不定长，为了实现实时监测功能，接收数据的读取 要尽可能快速，初始化时设置mscomm的属性如下： rthreshold=1 inputlen=l 等到接收电压电流数据时，根据实际的数据帧长，将rthreshold属性修改为 帧长度，当接收缓冲区接收到一帧数据后，msconun控件才会触发oncomm事 件，这样提高了数据传输和处理的速度。 对于mscomm控件，其inputmode属性设置为comlnputmodebinary，可以使 数据以二进制形式发送，但是对于接收数据事件中，不能直接将输入字符串直 接传输给byte型数组，而应该定义一个variant型变量作为中间变量，将input数 据先赋值给variant型变量，返回一个二进制数组，然后再将变量数组值逐一赋 值给byte型数组变量中。 5.4.3 系统的通讯协议 在异步串行数据通信过程中，单片机与 pc 机必须按照事先约定好的格式 来传输数据，这样双方才能确定数据的真实含义。这种格式上的约定就是通讯 协议。数据通讯中，在收发器之间传送的是一组二进制位串，但在不同的位置 可能有不同的含义，异步通信方式的“异步”主要体现在字符与字符之间，而 同一字符内部的位与位之间是同步的。为确保异步通信的正确性，必须找到一 种方法，使收发方在随机传送的字符内部实现同步。 第六章 测试系统数据处理分析 43 第六章 测试结果与误差分析 6.1 测试结果分析 由于被测量的真值在大多数情况下是未知的，这就使用误差来表示测量结 果的准确度遇到了困难。20世纪60年代提出了用不确定度来表示测量准确的建 议。国际标准化组织于1993年出版了测量不确定度表示导则，目的是促进 以足够完整的信息表示不确定度，统一测量不确定度的评定与表示方法，为测 量的国际对比提供了基础。25 测量不确定度是与测量结果相关联的参数，表征合理赋予的被测量之间的 分散性。测量不确定度小，说明测量结果可信，反之则不可信。测量不确定度 一般由多个分量组成。其中，用统计方法评定的分量称为a类不确定度；用其他 方法(非统计方法)评定的分量称为b类不确定度。 根据表示方式的不同，测量不确定度在使用中有下述三种不同的说法。 标准不确定度u(standard uncertainty)：用标准偏差表示测量结果的不确 定度，标准偏差。的定义如下： (7-1) 2 1 1 () 1 n k k xx n 合成标准不确定度(combined standard uncertainty)：根据其他一些量 c u 值求出的测量结果的标准不确定度，等于这些量的方差与协方差加权和的平方 根，权重按测量结果随这些量的变化而确定。 扩展不确定度u(expanded uncertainty)：用包含因子k(coverage factor)乘 以标准不确定度或是合成标准不确定度，得到一个区间表示的测量不确定度。 表6-1是阳电池测试系统的测试结果及在此基础上计算得的测量参数的平均 值和不确定度值。其中在非标准条件下测得的数据，均转换为标准条件下的值。 表6-1 太阳电池的测试结果 no oc vv sc ia m vv m ia m p w ff % ff e 121.40.58617.30.5359.40.7610.7 221.50.57317.30.5449.30.7510.5 321.60.58317.40.5479.50.7510.8 421.50.58517.30.5509.50.7610.9 第六章 测试系统数据处理分析 44 521.40.58717.30.5319.40.7610.8 621.50.58417.50.5379.40.7510.7 721.40.58617.40.5429.40.7510.6 821.40.57917.40.5439.30.7610.5 921.50.58417.30.5489.50.7610.8 1021.60.57417.40.5389.50.7610.7 1121.50.58117.30.5509.30.7510.5 1221.60.58517.40.5329.40.7510.7 1321.60.58317.30.5449.50.7610.7 1421.50.57217.40.5339.60.7510.6 1521.60.58117.30.5429.50.7410.7 1621.50.58317.50.5519.40.7610.7 1721.40.58717.30.5389.60.7510.6 1821.70.58517.50.5529.40.7710.6 1921.60.58117.30.5339.50.7410.5 2021.50.56217.40.5459.40.7510.8 x 21.520.581417.3650.54289.4350.75410.67 0.08750.00650.07450.00680.09330.00750.1174 根据上面两组数据，可以看出大部分参数多次测量后的偏差都很小。 的最大偏差为0.3v，的最大偏差为0.015a，的最大偏差为0.2v，的 oc v sc i m v m i 最大偏差为0.021a，pm的最大偏差为0.3w。不确定度比较小，数据的抖动非 常小，说明测试系统的一致性很好。 6.2 误差分析 由于测试环境中存在的各种干扰因素以及测试仪器精度和测试手段的限制， 在测试过程中必然要引入测量误差。测量误差主要由系统误差和随机误差两部 分组成，误差的产生有多方面的原因，总的来说，测试系统的误差来源于软件 和硬件两个方面。 (1)软件误差主要由于有限字长而不能保留原有数据的位数而出现的舍入误 差累计造成的计算误差。 (2)硬件误差的主要来源大致可分为以下几方面： a/d、d/a转换误差 在d/a转换电路中，参考电源是唯一影响输出结果的模拟参量，为了保证输 出精度，d/a转换电路用高精度电压基准源(由mcl403芯片提供)作为参考电源。 因此，d/a转换电路对测量误差的影响较小。d/a转换电路分辨率为12位。 a/d转换电路分辨率为16位，其参考电源由ref02高精度电源芯片提供。在 第六章 测试系统数据处理分析 45 小信号转换时引入误差。 电源的噪声干扰 控制系统的电源噪声会对单片机系统产生很大的干扰，而这些噪声通常都 是由控制系统的起、停以及负载的变化引起的。 温度变化引起的误差 此类误差是由于在测试过程中温度偏移造成的。当温度变化超过一定的范 围，半导体器件的性能将发生显著变化。这将给测试系统带来极其恶劣的影响。 因此必须严格控制测试系统的温差范围。 第七章 总结和展望 46 第七章 总结和展望 7.1 全文总结 太阳能可以说是取之不尽、用之不竭而且又没有污染的清洁能源。在人口 不断增加，煤与石油等矿物能源逐渐枯竭，环境污染日益严重的今天，太阳能 的应用显得愈来愈重要，成为全世界的研究热点。半导体太阳电池利用光生伏 特效应可直接将光能转变为电能，应用起来十分方便，因而受到特别的重视。 随着我国太阳电池工业的发展，对各种太阳电池测试设备的要求也越来越 高。在太阳电池的生产过程中，必须认真检测太阳电池的短路电流、最佳工作 点电压、最佳工作点电流、最佳工作点功率、填充因子、转换效率、开路电压 等参数，并要画出i-v特性曲线。这些参数能确保太阳电池生产线(包括设备、 材料、工艺条件等)是否正常，从某种意义上来说，太阳电池测试系统是太阳电 池生产厂的生命线。 本文旨在研究一种新型的太阳电池测试系统。并通过实际测量数据得到太 阳电池的特性曲线。 总体来说，本文的工作重点和创新如下： (1)采用了脉冲光源,氙灯作为太阳光模拟器的光源，并采用了适当的光源 控制电路和温度控制电路，有效的提高了太阳光模拟器的性能。 (2)本仪器采用精密电子负载，能真正测量到开路电压与短路电流。采用四 线制测量方法，排除了测量线路及接线处的串联电阻的影响。 (3)通过对多路电子开关及多路继电器的控制，可以对测试档位(量程)进行 自动选择。 (4)以太阳电池的双指数数学模型为基础，拟合太阳电池的i-v曲线。 7.2 改进和展望 作为测试系统，测量的准确性是最为重要的因素。便携式、低功耗是测试 系统的发展趋势，因此今后系统的改进主要集中在以下几点： (1)通讯方式 本系统的数据传输是通过rs-232串口实现的，这种方式对于少量的数据还 可以满足，但是对于系统大量的数据传输，就有明显的传输滞后现象，在一定 程度上，通讯的速度限制了采样数据的增加，成为系统的瓶颈。如果采用usb接 第七章 总结和展望 47 口，即使在低速信号传输方式中，传输速度也可以达到1.5mbps。对于大量的数 据也可在瞬间完成，并且简单方便，优化了系统构成。 （2）器件选型 系统硬件的精度直接影响系统的准确性，而且这种影响是不可修补的，因 此器件选型是系统设计的关键环节。相信选用位数更高的adc及高精度和低温漂 的运算放大器，能够更好地改进系统性能。 （3）低功耗设计 选择低功耗的器件，基于低功耗设计的芯片通常能量的消耗仅是非低功耗 器件的1/10，能够大大降低系统的功耗，也有利于满足系统usb口的驱动要求。 （4）测控软件 对于测控软件也存在需要改进之处，如界面和功能的进一步优化改进，这 些都有待日后软件的更新。 （5）曲线拟合方法 本文采用了太阳电池的双指数数学模型，它比单指数模型具有更高的精度， 但模型求解过程较复杂，因此有待寻找一种更加有效的新方法来解决太阳电池 i-v曲线拟和问题。 二十一世纪伊始，太阳电池产业迎来了大发展的曙光，世界太阳电池产业 已进入到指数增长期。大组件太阳电池作为太阳电池行业的重要部分，在未来 光伏技术发展中占有重要的位置，并且越来越得到学术界和产业界的重视，因 为它为降低电池制造成本提供了希望。当然，要使大组件太阳电池真正成为一 种新能源在国民经济主战场中发挥重要作用，还需要进一步提高效率，并解决 大规模生产中的关键技术问题。因此本测试系统的研制有着十分重要的实际意 义，并为大规模生产提供了实验依据。 参考文献 48 参考文献 1.张止华，李陵岚，叶楚平，等编著.有机太阳电池与塑料太阳电池m北京：化学工 业出版社，2006 2.m.a.green.third 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