（物理学专业论文）基于单片机的太阳能电池数据采集系统研究.pdf

武汉理j i j 大学硕士学位论文 摘要 当今世界面临着能源短缺与环境污染两大问题，以太阳能电池为核心元件 的太阳能光伏发电技术是解决这两大问题的有效途径，在研究和工程应用中， 人们需要用太阳能电池测试仪对太阳能电池进行测试获取数据，进而对太阳能 电池进行分析评判。本文基于目前太阳能电池研究和工程应用的实际需要，设 计了一款基于单片机的太阳能电池数据采集系统，系统主要包括数据采集和数 据处理及结果显示两大部分。 本文主要从以下几个方面来完成太阳能电池数据采集系统的分析和设计： 1 根据太阳能电池测试原理和电子电路的相关知识，选用合适的电子元 器件设计了能够完成数据采集任务的硬件电路，主要包括温度信号采集单元、 光强信号采集单元、电压及电流信号采集单元、模数转换单元和串口通信单元 等部分。 2 用单片机c 5 1 语言编写了与硬件电路相配合的软件程序，控制硬件电路 完成数据采集任务和数据采集部分与p c 机之间通过串口进行的数据传输。 3 采用v c + + 6 0 和m a t l a b 联合编程的方式来完成数据处理的核心算法， 主要应用的是联合编程中的m a t c o m 方法，通过一些相关设置，直接用m a t c o m 的语法在v c 工程中编写数据处理程序。 4 编制了p c 机中的监控显示界面，使测试人员可以通过监控显示界面来 对数据采集的过程进行控制，并在界面中用图形形式来描述太阳能电池的伏安 特性曲线，用数值形式来描述相关的性能参数。 在系统开发完成后，还进行了相关的测试试验，得到了以图形和数值相结 合的方式来描述太阳能电池特性的显示界面。试验结果表明，本文设计的数据 采集系统操作简单，能够对特定的太阳能电池进行测试，测试的结果也能够以 直观简洁的方式呈现给测试人员，为测试人员研究分析太阳能电池提供必要的 依据，系统的整体性能基本达到了预期的要求，具有一定的实用价值。 关键词：太阳能电池，单片机，数据采集，m a t l a b 武汉理】：人学硕七学位论文 a b s t r a c t o u rw o r l di se x p o s e dt oe n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e m s ， s o l a rp h o t o v o l t a i c t e c h n o l o g ym a k e ss o l a rc e l l sa si t sc o r ec o m p o n e n t s ，t h i s t e c h n o l o g yi s a l le f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h e s et w op r o b l e m s ，i nr e s e a r c ha n d e n g i n e e ra p p l i c a t i o n ，p e o p l en e e dt ou s es o l a rc e l lt e s ts y d t e mt ot e s ts o l a rc e l l s s oa s t oa c q u i r en e e d e dd a t a ，a n dt om a k ea n a l y s i sa n d j u d g e m e n tt os o l a rc e l l s b a s e do nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dp r o d u c t i o n sa c t u a ln e e d s ，w ed e s i g n e da s o l a rc e l lt e s ts y d t e mb a s e do nm c u ，t h i ss y s t e mp r i m a r i l yi n c l u d e st w os e c t i o n s ， t h a ti s ，d a t aa c q u i s i t i o n ，a n dd a t ap r o c e s s i n ga n dr e s u l t sd i s p l a y i n g t h i st e x tc o m p l e t e st h ea n a l y s i sa n dd e s i g na b o u ts o l a rc e l lt e s t s y d t e m p r i m a r i l yi nl i g h to ft h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 a c c o r d i n gt ot h et e s tp r i n c i p l eo ft h es o l a rc e l la n dt h er e l a t e dk n o w l e d g e a b o u te l e c t r o n i cc i r c u i t ，w eh a v ec h o o s e ds u i t a b l ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t st od e s i g na h a r d w a r ec i r c u i t ，w h i c hc a nc o m p l e t et h et a s ko fd a t aa c q u i s i t i o n ，t h i sh a r d w a r e c i r c u i ti n c l u d e st e m p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o nu n i t ，l i g h ti n t e n s i t ys i g n a l a c q u i s i t i o n u n i t ，v o l t a g ea n dc u r r e n ts i g n a la c q u i s i t i o nu n i t ，a n a l o g u et od i g i t a lc o n v e r s i o nu n i t a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o nu n i t ，a n ds oo n 2 w eu s e dm c uc 51p r o g r a m m i n gl a n g u a g et oc o m p i l es o f t w a r ep r o g r a m c o o r d i n a t e dw i t ht h ed a t aa c q u i s i t i o nh a r d w a r ec i r c u i t ，c o n t r o l l i n gh a r d w a r ec i r c u i t t oc o m p l e t et h et a s ko fd a t aa c q u i s i t i o n ，a n dt h es e r i a lc o m m u n i c a t i n gb e t w e e nd a t a a c q u i s i t i o ns e c t i o na n dp e r s o n a lc o m p u t e r 3 w eu s e dc o m b i n a t i o np r o g r a m i n go fv c 抖6 0a n dm a t l a bt oc o m p l e t e t h ec o r ea l g o r i t h ma b o u td a t aa c q u i s i t i o n p r i m a r i l yu s et h em a t c o m m e t h o d ，b y m e a n so fs o m es e t t i n g s ，w e d i r e c t l yu s em a t c o ms y n t a xt oc o m p i l ed a t a a c q u i s i t i o np r o g r a mi nv c + + 6 0p r o j e c t 4 m a k i n gm o n i t o r i n gd i s p l a yi n t e r f a c ei np e r s o n a lc o m p u t e r ，s ot e s t e r sc a l l c o n t r o ld a t aa c q u i s i t i o np r o c e s st h r o u g ht h em o n i t o r i n gd i s p l a yi n t e r f a c e ，a n di nt h e d i s p l a yi n t e r f a c e ，s o l a rc e l l sv o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i cc u r v ei sr e p r e s e n t e db y g r a p h i c ，a n dt h er e l e v a n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si sr e p r e s e n t e db yn u m e r i c s a f t e rc o m p l e t i n gt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，w em a d er e l e v a n tt e s t ，a n d a c q u i r e dad i s p l a yi n t e r f a c ed e s c r i b i n gs o l a rc e l l sc h a r a c t e r i s t i c si nt h ef o r mo f 武汉理1 二大学硕十学位论文 g r a p h i c a la n dn u m e r i c a li n t e g r a t i o n t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a t ，t h es o l a rc e l lt e s t s y d t e mt h i st o p i ch a sd e s i g n e dw o r k sc o n v e n i e n t l y ，a n dc a nt e s ts p e c i f i cs o l a rc e l l s ， t h et e s tr e s u l t sc a l lb ep r e s e n t e dt ot h et e s t e r si nv i s u a lf o r m ，p r o v i d i n gn e c e s s a r y a n a l y s i sb a s i st ot h et e s t e r s ，t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mb a s i c l yr e a c h e d i n t e n d e dt a r g e t ，a n dt h es y s t e mp o s s e s s e sp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：s o l a rc e l l ，m c u ，d a t aa c q u i s i t i o n ，m a t l a b i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期：型里三：至! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：立之n 导师签名：迎日 锕弼 武汉理工人学硕十学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 能源与环境问题 第1 章绪论 能源是人类赖以生存的物质基础，是现代文明的重要保证，可靠、安全的能 源供给和清洁、高效的能源利用是实现经济社会发展的基本保证。工业现代化 所需要的主要能源，如石油、煤、天然气等又都是不可再生能源。因此，能源 战略都被世界各国当做其经济发展战略的重要组成部分。随着世界经济的高速 发展以及工业化程度的不断提高，世界各国对能源的需求一直保持着强劲的增 长势头，能源问题已经越来越成为制约全球各国经济和社会发展的重要因素之 一。 从我国的能源状况来看，我国的煤炭资源比较丰富，而石油、天然气资源 相对贫乏，从长远的角度来看，我国的能源供给会面临总量上的短缺，我国不 可能像美国那样通过政治、经济和军事的力量获取全球的能源资源来解决我国 的能源问题。因此，能源问题将成为制约我国经济和社会发展的瓶颈。 同时，能源消费也产生了相当严重的环境问题。石油、煤和天然气都是含 碳量很高的能源，在使用过程中产生了大量的c 0 2 等温室气体。全球的能源消费 所产生的c 0 2 等温室气体对全球气候构成了严重的威胁，目前已经成为国际社会 关注的焦点。这些温室气体导致地球温度升高、冰川后退、海平面上升，全球性 的洪涝、干旱、酷暑、严寒、风暴等自然灾害增多，对工农业生产造成了极为 有害的影响。三大含碳能源在燃烧过程中还产生了数量极为巨大的有害气体s o ：， 这是导致酸雨灾害的主要原因。气候科学研究表明，我们的地球已经接近了“临 界点，如果不能使目前的温室气体排放在今后几十年内大幅减少，那么，当前 正在发生的气候变化将会造成极其严重的自然灾害。尽管i p c c 在第4 次评估报 告中提出，建议世界各国在2 0 5 0 年时将温室气体排放减至1 9 9 0 年的一半至8 5 ， 但科学界仍然认为这个数据比较保守，因为气候变化的速度已超过了人们的预 期。 我国目前的能源消费结构和能源消费规模已经使环境不堪重负，能源消费 性污染是我国重要的环境污染类型，能源生产和能源消费所引起的环境污染问 题已经严重制约了我国的可持续发展，我国潜在的能源需求对环境也造成了巨 武汉理+ i ：人学硕十学位论文 大的压力。我国未来经济的发展面临着能源短缺、环境保护等一系列严重问题。 1 1 2 太阳能的利用 由于石油、煤、天然气等常规矿物燃料目前己面临供应不足和日益枯竭的 局面，并且在它们的使用过程中产生了大量的温室气体和有毒气体，对环境造 成了严重的污染，成为全球关注的问题。世界各国都在积极采取措施，开发、 利用风能、水能、太阳能、生物质能等可再生能源，已经取得了可喜的成就， 为应对常规矿物能源的枯竭做了相应的准备。世界能源消费结构正在向着清洁、 低碳或无碳的核能、天然气、风能和太阳能方向发展。 表1 - 1 为能源专家对今后4 0 - 5 0 年可再生能源的预测数据h 。表1 - 1 中数 据表明，到本世纪中叶，全球石油所剩无几，天然气储量急剧减少，核电和水 电在消费结构中的比列都不超过1 0 ，太阳能、风能和生物质能将占能源消费 结构的5 0 。 表1 - 1 全球能源消费结构( 2 0 5 0 年)单位： 水电煤炭石油天然气核电 太阳能、风能、生物质能其他 52 0o1 31 05 02 1 1 2 1 太阳能的利用方式 在各种可再生能源中，太阳能是最重要的能源，太阳每天投射到地面上的 辐射能理论上可以满足全球每天的能源需求，因此大力开发利用太阳能是解决 能源问题的有效途径。太阳能利用的主要形式有光热发电和光伏发电等。光热 发电是利用太阳光的热效应，通过热动力装置来发电；光伏发电是利用太阳能 电池实现光能与电能的相互转化，从而实现太阳能的利用旧1 。 太阳能利用方式中最重要、最具应用前景的技术就是太阳能光伏发电。太 阳能光伏发电可以直接将太阳能转换为电能，是一种无需化石燃料、没有污染 获取电能的高新技术，是发达国家研究太阳能利用的重点。 1 1 2 2 我国太阳能的利用 煤是我国的主要能源，我国的煤消费量占能源总消费量的7 0 以上，这种 以煤为主的能源消费结构造成我国能源系统效率低下、环境污染严重。因此， 大力发展风能、太阳能等可再生能源，是改善我国的能源结构，解决我国能源 问题的有效方法。中国超过三分之二的国土的年同照时间大于2 2 0 0 小时，年辐 2 武汉理工人学硕十学位论文 射总量平均大于5 9 0 0 m j 平方米，资源极为丰富，有大力发展的可能性和必要 性【6 】o 我国太阳能的利用主要集中于两大方面：一方面是太阳能光热利用，即用太 阳能热水器等装置把太阳能转化成热能，中国是世界上最大的太阳能光热利用 国家，光热也可用于发电，建设上规模的光热电站；另一方面是太阳能光电转 换，即用太阳能电池把太阳能转化为电能。 1 1 3 太阳能光伏发电产业 1 1 3 1 世界太阳能光伏发电产业 随着化石能源的减少以及使用化石能源对气候和生态环境产生的负面影响 越来越明显，研究开发清洁的可再生能源成为世界各国实现经济和社会可持续 发展的重要战略。由于太阳能所具有的取之不尽、用之不竭的特点，太阳能光 伏发电成为最有发展前景的一种新能源技术，世界各国纷纷投入人力物力研究 开发太阳能光伏发电技术，将太阳能光伏发电产业做为解决能源和环境问题的 战略产业加以重点支持，使全球太阳能光伏发电产业得以迅猛发展。 据欧洲联合研究中心、世晃能源组织、欧洲光伏工业协会的预测1 ，2 0 2 0 年世界光伏发电将占到全球总电力的1 ，到2 0 4 0 年光伏发电将占到全球发电 量2 0 的份额。照此推算，未来几十年，全球光伏产业的年均增长率将达到2 5 - - - 3 0 7 i 。 世界各国尤其是发达国家政府都把太阳能发电视为朝阳产业，希望把这一 产业作为实现本国可持续发展的重要措施，制定了一系列支持和促进本国光伏 发电产业发展的政策，对世界光伏产业的发展起到了积极地推动作用，全球光伏 发电市场正在迅速扩大，光伏发电正在成为全球的一大热点。 1 1 3 2 中国太阳能光伏发电产业 我国对太阳能电池的研究始于1 9 5 8 年。我国于1 9 7 1 年发射的东方红二号 卫星上首次成功地利用了太阳能电池，在8 0 年代以前我国的光伏工业尚处于雏 形1 。在“六五”和“七五”期间，光伏工业和光伏市场开始得到国家的支持， 使太阳能电池工业得到了一定的发展，在许多领域得到应用。原国家计委于2 0 0 2 年启动的“西部省区无电乡通电计划”大大刺激了我国光伏工业的发展，太阳 能电池应用也取得了一些进展。 武汉理：1 ：人学硕十学位论文 我国实施了很多重大光伏项目，这些项目对我国光伏市场和光伏产业的发 展都起到了积极地推动作用。这些项目包括：中国政府的“光明工程”先导项 目，中国和加拿大合作的“c i d a 太阳能农村通电项目”，国家计委的光明工程， 西藏阿罩光电计划等。 在2 0 1 0 年以前我国太阳能电池主要应用于独立光伏发电系统，2 0 11 年到 2 0 2 0 年间我国光伏发电市场将由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电 站和建筑屋面发电系统。随着我国综合国力的增强和光伏产业的蓬勃发展，我 国将会大规模建设大型太阳能热电站和太阳能光电站，届时太阳能光伏发电将 会成为我国的主要能源来源之一。 1 2 本文研究的目的、意义及主要研究工作 1 2 1 本文研究的目的和意义 太阳能光伏发电技术对改变我国的能源消费结构，解决由于能源消费而引 起的环境问题，实现我国的可持续发展都可以起到积极的作用，对我国建设资 源节约型、环境友好型社会，实现社会主义现代化都具有重大意义。 在太阳能光伏发电技术中太阳能电池起着关键和核心的作用，太阳能电池 的开路电压、短路电流、最大功率、转换效率等性能参数对其产业化应用有重 要影响。因此，太阳能电池的测试及判断分选是太阳能电池生产过程中的重要 环节。测试是在给定光强下，测出太阳能电池组件的伏安特性曲线，并由测得 的电流、电压、温度、光强等数据计算出太阳能电池组件的开路电压、短路电 流、最大输出功率、转换效率等参数，并据此进行分类评判。在测试过程中必 须对太阳能电池组件在给定光强下的各种数据进行采集，要准确而高效地完成 太阳能电池数据的采集，必须用到太阳能电池测试系统w 1 o 本文设计了太阳能电池测试系统的数据采集部分，可以有效的采集太阳能 电池的电流、电压、光强和温度等参量，数据的采集过程可以在很短的时问内 完成，避免了温度和光强变化对测试数据的影响。对采集到的数据利用单片机 的串口通信技术，实现数据采集电路和p c 机的通信，用p c 机对数据采集电路 采集到的数据进行分析处理，得出太阳能电池的伏安特性曲线和相关性能参数， 从而对被测太阳能电池进行分析评判。 4 武汉理i j 大学硕士学位论文 1 2 2 本文所做的主要工作 本文所做的主要工作简述如下： 1 通过查阅半导体物理和太阳能电池等相关的文献资料，了解太阳能电池 的工作原理及其输出伏安特性，根据此伏安特性，结合电子电路相关知识，用 适当的电子元器件设计了一种新颖的用于太阳能电池数据采集的硬件电路。 2 根据单片机原理等电子学知识和本课题所设计的硬件电路的具体情况， 用目前流行的单片机c 5 1 语言，编写了实现本课题做需的数据采集和数据通信 等功能的软件程序。 3 基于p c 机本身的特点和在p c 机中编制w i n d o w s 应用程序的特殊情况， 选用了v c + + 6 0 中的m s c o m m 控件来编制串口通信程序，较好地完成了p c 机与 数据采集电路之间的数据通信工作。 4 结合v c + + 6 0 和m a t l a b 各自的特点，采用m a t c o m 来完成v c + + 6 0 与 m a t l a b 的混合编程，用v c + + 6 0 设计了人机交互的监控显示界面，根据m a t c o m 语法编写了后台的数据处理程序，两者分工合作，较好地完成了p c 机中的数据 处理和结果显示工作。 武汉理1 ：人学硕十学位论文 第2 章太阳能电池的特性及测试原理 2 1 太阳能电池的分类 太阳能电池是一种能进行能量转化的光电元件，也称光伏电池或光电池。 美国的b e l l 实验室于1 9 5 4 年研制成功第一块太阳能电池，但是效率太低，造价 又过于昂贵，因此没有多少商业价值。后来由于航天科技的逐步发展，太阳能电 池所起的作用变得越来越重要，在太空飞行器中太阳能电池成为必不可少的重 要元件，这也促进了太阳能电池的开发研究。由于许多新技术的采用，太阳能 电池的效率有了很大提高，新南威尔士大学的科研人员m a r t i na g r e e n 领导的 研究小组，已经使单晶硅太阳电池转换效率高达2 4 7 u 卜皑1 。 太阳能电池依据不同的标准，可以有不同的分类方法u 卜川： 根据太阳能电池技术的成熟程度来划分，可以分成以下几个阶段：第l 代 太阳能电池，主要是晶体硅太阳能电池；第2 代太阳能电池，主要是各种薄膜 太阳能电池；第3 代太阳能电池，主要是各种新概念太阳能电池。 根据太阳能电池使用的基本材料来划分，可以分为硅太阳能电池、化合物 太阳能电池、有机薄膜太阳能电池和燃料敏化太阳能电池等几种。 根据太阳能电池的结构来划分，可以将太阳能电池分为晶体硅太阳能电池 和薄膜太阳能电池两大类。 2 2 太阳能电池的工作原理及等效电路 2 2 1 太阳能电池的工作原理 太阳能电池的制作材料多种多样，有硅、硒、砷化镓、硫化镉等，但目前 在全球占据主导地位的主要是硅材料太阳能电池卜埔。，因此本文中主要以硅材 料太阳能电池为代表来讨论太阳能电池的工作原理。 晶体硅太阳能电池的结构如图2 - 1 所示1 ，晶体硅太阳能电池是用硅材 料制成大面积p n 结进行工作的，一般是以p 型硅半导体材料作为基质材料，在 p 型硅表面扩散出一层很薄的经过重掺杂的n 型层，然后在n 型层上面制作金 属栅线，作为j 下面接触电极，在整个背面制作作为背面接触电极的金属膜。太 阳能电池的表面一般会做绒面处理或覆盖减反射膜以减少光的反射损失。当太 6 武汉理t 人学硕十学位论文 阳能电池表面的p n 结受到太阳光的照射时，如果入射光子的能量高于硅材料的 禁带宽度，则在r l 区、p 区和结区中会因光子被吸收而产生电子空穴对，在结附 近的n 区中产生的少数载流子会因为存在浓度梯度而扩散。如果少数载流子离 p n 结的距离小于它的扩散长度，就会有扩散到结界面处的几率。在结区即p 区 与r l 区交界面的两侧存在一个被称为耗尽层的空问电荷区。在耗尽层内的正负 电荷间会形成一个方向由n 区指向p 区的内建电场。 扩散到结界面处的少数载流子空穴会被内建电场拉向p 区，而扩散到结界 面处的少数载流子电子会被内建电场拉向1 1 区，结区内产生的电子一空穴对会被 内建电场分别拉向n 区和p 区。在外电路处于开路状态的情况下，这些光生电子 和空穴会积累在p n 结附近，结果使p 区获得附加正电荷，n 区获得附加负电荷， 在p n 结上就会产生光生电动势。这一现象称为光生伏打效应，也称光伏效应， 太阳能电池就是根据光伏效应工作的。 图2 - 1 晶体硅太阳能电池结构 2 2 2 太阳能电池的等效电路 簇奄投 太阳能电池的基本结构是一个大面积的p n 结，根据电子学理论，理想p n 结的伏安特性可以表示为1 ： l = ，。【c x p ( 誓) 一1 】_ i o e x p ( 訾) 一l 】 ( 2 1 ) yr，( 在式( 2 一1 ) 中，i 。定义为p n 结电流，i 。定义为反向饱和电流，u 。为p n 结外加电压，q = 1 6 x1 0 叫9 c 是电子电荷，v ，：k t q 定义为温度的电压当量，k = 1 3 8 1 0 q 3 j k 定义为玻尔兹曼常数，t 是绝对温度。 在没有光照的情况下，p n 结处于平衡状态，没有电流流过p n 结。当有太 阳光照射到太阳能电池表面时，p n 结的平衡状态会被破坏，将产生个从n 区 7 武汉理工人学硕士学位论文 流向p 区的光生电流ip i ，同时，存在一个从p 区流向r l 区，与光生电流方向相 反的暗电流i 。，我们把光生电流的方向定义为参考正方向，因此，可以得到理想 p n 结太阳能电池的伏安特性可以表示为2 呲： 卜一i o 【e x p ( 警) _ 1 】 ( 2 2 ) 考虑到太阳能电池的材料、制造工艺等因素，硅片的内部阻抗和电极接触 会引起串联电阻r 。，p n 结内部的不完整性会引起并联电阻r 。，p n 结还具有结 电容c j 。 在一定的光强照射下，太阳能电池的光电流不随工作状态而变化，在等效 电路中可以看做恒流源，光电流中的一部分流经负载，在负载两端建立端电压， 端电压反过来又正偏于p n 结两端，产生一股暗电流，暗电流方向与光电流方向 相反。 因此，太阳能电池的等效电路可以表述为图2 - 2 所示( 其中r 。为负载电 阳) ： r s l h s h j 娃i 3 ，。, - 。r i - 1 w d r 藩 r 图2 - 2 太阳能电池等效电路 由于器件的瞬时响应特性与太阳能的转换无关，且瞬时响应时间与绝大多 数光伏系统的时问常数相比微不足道，因此在实际的分析过程中结电容c ，可以 忽略不计。电压、电流方向如图中所示，可以得出太阳能电池的i - v 方程为驯： 川肋一i o e x p 【掣h ) 一半 ( 2 - 3 ) 对实际使用的太阳能电池而言，它们的参数各不相同，因此，在方程中的 参数应处理为集中参数。式中u 为负载两端电压，i p h 为光生电流，a 的取值范 围为l 5 ，称为二极管因子，用于考虑电路中二极管的非理想p n 结。 8 武汉理1 ：人学硕士学位论文 2 3 太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数 2 3 1 太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数 2 3 1 1 太阳能电池的伏安特性曲线 根据经典光伏理论，在一定的光强和温度下，太阳能电池的伏安特性曲线 如图2 - 3 所示2 4 i ： o i n l k | 图2 3 太阳能电池的伏安特性曲线 图中v o 。是太阳能电池的开路电压，i 。是太阳能电池的短路电流，p m 是太阳 能电池的最大输出功率，v - 是最大功率点电压，i 。是最大功率点电流。由图中 可知，太阳能电池的伏安特性曲线是非线性的，该曲线受太阳能电池自身的工 艺参数，外界光照的强度和太阳能电池自身温度等因素的影响。 从太阳能电池的伏安特性曲线中可以看出太阳能电池既不是恒流源，也不 是恒压源，不可能为负载提供任意大的功率。太阳能电池是一个非线性直流电 源，输出电流在一定电压范围内相当恒定，最终在到达某个电压值之后，电流 迅速下降至零。太阳能电池的输出电流在短路状态下不是无穷大，而是一个有 限值。太阳能电池有一个最大输出功率点，工作在最大功率点上时利用效率才 最高。太阳能电池的伏安特性曲线受太阳能电池自身的工艺参数、外界光照的 强度和太阳能电池自身温度等因素的影响，不同的伏安特性曲线可以反映太阳 能电池在不同环境条件下工作时的发电能力和最佳效率点u 。 2 3 1 2 太阳能电池的性能参数 对太阳能电池进行分类评判需要依据特定的性能参数，这些性能参数通常 包括： 1 开路电压v 。：太阳能电池在标准光源的照射下，太阳能电池两端开路 时的输出电压值。 9 武汉理工人学硕士学位论文 2 短路电流i s c ：太阳能电池在标准光源的照射下，太阳能电池输出端短路 时的输出电流值。 3 最大输出功率p 。：太阳能电池的输出电压和电流随负载变化而变化， 如果选择的负载值使输出电压和电流的乘积最大，这个乘积即为太阳能电池的 最大输出功率p _ ，此时的输出电压和电流分别称为最佳工作电压和最佳工作电 流，分别用v 。和i 表示。 4 填充因子f f ：填充因子是太阳能电池的一个重要参数，定义为太阳能 电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比，表述为： f f ：土：盟 ( 2 4 ) y 。is c y 。is c 填充因子是评判太阳能电池输出特性的重要指标，能够反映太阳能电池质 量的优劣程度，其值永远小于l ，填充因子越大，表明太阳能电池输出特性越 趋于矩形。 5 转换效率r l ：太阳能电池的转换效率表示的是外电路连接最佳负载时 的最大能量转换效率，定义为太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面 的能量之比。表述为： 7 7 ：墨：堡盟( 2 5 ) 圪圪 太阳能电池的光电转换效率是评判电池质量和技术水平的重要参数，它与 电池的结构、结特性、工作温度、材料性质、放射性粒子辐射损伤和环境变化 等因素有关，其中与制造太阳能电池半导体材料的禁带宽度的大小的关系最为 直接。 6 串联电阻氏：串联电阻主要由半导体材料的体电阻、半导体材料与电 极的接触电阻、金属导体电阻和电极导体电阻等组成。串联电阻对填充因子有 重要影响，串联电阻越小，填充因子越大，太阳能电池的v - i 特性曲线越接近 矩形，太阳能电池的转换效率越高；串联电阻越大，短路电流越小，开路电压 不变，填充因子越小，转换效率越低。 7 并联电阻：并联电阻主要是由电池表面不清洁和半导体体内缺陷引 起的，包括p n 结的漏电阻和电池边缘的漏电阻等，并联电阻对太阳能电池的开 路电压有很大的影响。 1 0 武汉理1 ：人学硕士学位论文 2 3 2 日照强度和电池温度对太阳能电池伏安特性的影响 太阳能电池的伏安特性曲线是对太阳能电池进行分类评判的基础憎引。太阳 能电池的伏安特性曲线与r 照强度和电池温度有关，通常，地面上同照强度的 变化范围是o 到1 0 0 0 w m 2 ，电池温度的变化范围是l o 到7 0 比。 2 3 2 1 日照强度对太阳能电池伏安特性的影响 太阳能电池的温度实际上是受日照强度影响的乜8 。2 鲥。为了探讨日照强度对 太阳能电池伏安特性的影响，可以保持太阳能电池的温度和大气质量等条件不 变而仅改变同照强度。如图2 - 4 所示，开路电压随同照强度的变化很轻微，短 路电流随日照强度的变化很明显u 引。 图2 - 4 不同日照强度下太阳能电池的伏安特性曲线口 2 3 2 2 电池温度对太阳能电池伏安特性的影响 保持日照强度等条件不变，如图2 5 所示，短路电流随温度升高有轻微增 加，开路电压随温度的升高而降低，与温度几乎成线性变化一洲。 图2 - 5 不同温度下太阳能电池的伏安特性曲线 武汉理j r 大学硕士学位论文 2 4 太阳能电池的测试方法 太阳能电池的伏安特性受日照强度和电池温度的影响，因此规定太阳辐射 光谱为a m l 5 ，日照强度为1 0 0 0 w m 2 ，太阳能电池温度为2 5 时为地面测试太阳 能电池性能的标准测试条件u o 太阳能电池分析评判的依据是太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数，对太 阳能电池进行测试，就是要测出太阳能电池在标准日照强度s 和标准温度t 条 件下，太阳能电池所带负载从零变化到无穷大时太阳能电池的输出电压和输出 电流的值，根据输出电压和输出电流的值作出太阳能电池的i - v 特性曲线，并 根据测得的数据计算出太阳能电池的性能参数，根据得出的i - v 特性曲线和性 能参数来评判太阳能电池的性能。为了尽可能降低光强和温度变化对测试带来 的影响，必须保证太阳能电池的测试是在极短时间内完成的。 2 5 本章小结 本章主要介绍了太阳能电池依据不同标准而采用的几种不同分类方法：并 以目前在市场中占主导地位的硅材料太阳能电池为例，讨论了太阳能电池的工 作原理，结合相关的电子学理论知识和太阳能电池自身的特点，给出了太阳能 电池的等效电路和伏安特性方程；最后简要阐述了太阳能电池的性能参数和测 试方法。 1 2 武汉理r 大学硕七学位论文 第3 章太阳能电池数据采集部分设计 在太阳能电池测试系统中，数据采集部分主要是对太阳能电池外接负载在 从零变化到无穷大过程中太阳能电池的输出电压和输出电流、太阳能电池温度 和只照强度进行采集，并和p c 机进行通信，将采集到的数据传到p c 机，由p c 机完成采集数据的分析处理。 3 1 数据采集部分总体结构 根据太阳能电池测试原理及本文所选器件的特性，可以做出本文数据采集 部分的总体结构如图3 - 1 所示： l 电压、电流信号 a d i采集单元 入 转单 审 换 、绩 l 光强墨荛采集l 单 i 一 机 口 p c 机数据处 兀控 通l 八 制r 叫 信、叫 理及显示 单 单 兀 i 温度墨荛采集 k 兀 图3 - 1 数据采集部分总体结构 本文设计的数据采集系统主要采集太阳能电池的电压、电流、测试光强、 电池温度四种数据。其中电压、电流、测试光强需要经过a d 转换单元，实现 由模拟信号到数字信号的转换，而温度信号的采集采用数字温度传感器，可以 直接输出二进制数据；转换成二进制的电压、电流、光强和温度数据通过串口 与p c 机进行通信，在p c 机中进行数据的处理和处理后结果的显示；整个数据 采集部分以单片机为控制核心，通过单片机实现数据采集单元、a d 转换单元 和串口通信单元之间的协调工作。 在测试系统的工作过程中，调节太阳能电池的负载电阻从零变化到无穷大， 并在负载电阻每增加一个固定阻值时采集此时负载电阻两端的电压和通过负载 电阻的电流，负载电阻为零时采集到的电流即为短路电流，负载电阻为无穷大 武汉理l ：人学硕十学何论文 时采集到的电压即为开路电压；根据太阳能电池的短路电流与光照强度成正比 关系的原理来间接测得太阳能电池的光照强度；温度数据的采集采用数字温度 传感器d s l 8 8 2 0 ，可以直接把现场采集到的温度信号转换成二进制数据，无需 外加a d 转换器。 3 2 数据采集部分硬件电路设计 本文设计的数据采集部分的电路原理图如图3 2 和图3 3 所示： 事霞芤笔 ：7 ： ：0 o 耋r 1 lr ：j ：二量 l ：! 。 =j ：；：暑二：，：。：二l ：1 ih ：= ：，：叫h ：壹： ：z ：| 二：艺：了：?： ； g ：h 花二：j =：i ：0 ：鼻：2 - i 口：_ ： ；：j 瓢? ：二 。 ： - - - o i 喾；掣 ；：矗 二 ；：k ：i：艺 ： 1 _ ；二 i ： ： - - - - - o l 一。 !o 上： 一 ： i 上。 3 强：；： t 少 媲一 盔工i 古_ ：。置3扎： i n - j 。i q 昀! ；：7置t二=量l ：1 t凇 营。 - 。t1 r ； ：4 i h h 图3 - 2 数据采集部分电路图( a ) 图3 - 3 数据采集部分电路图( b ) 图3 - 2 和图3 - 3 所示是数据采集电路原理图的两个部分，图3 - 2 所示的内 1 4 武汉理【人学硕士学位论文 容包括单片机最小系统，温度采集器件d s l 8 8 2 0 ，a d 转换器件a d c 0 8 3 2 ，电压 转换芯片m a x 2 3 2 和r s 2 3 2 接口d b 9 ，图3 - 3 中所示为起开关作用的三个固态继 电器，它们都通过引脚与单片机芯片连接。由于步进电机系统属于独立的外部 元件，通过步进电机驱动器的三根引线与单片机连接，因此图中没有画出步进 电机部分的电路图，会在后面进行介绍。 根据图3 2 和图3 3 所示的原理图制作好的电路板有七根外引线，如图3 - 4 所示： p 觇引线d 碾弓；线气引线 测光强多污| 线1 诙4 光强外引线2 图3 - 4 数据采集部分电路板引线图 由图3 4 可以看出，数据采集部分的硬件电路制作完成后，会有七根外引 线来接外部的元器件，其中“测试光强外引线1 ”接测光强用的太阳能电池的 正极，“测试光强外引线2 ”接测光强用的太阳能电池的负极，“外引线3 和“外 引线1 2 ”与外部的负载电阻和待测太阳能电池相连，而“p u l 引线 、“d i r 引线”、“e n a 引线分别接步进电机驱动器的p u l 、d i r 、e n a 引脚，进而将 步进电机系统连入整个数据采集部分当中。 3 2 1 数据采集部分简化示意图 现在对图3 - 2 和图3 - 3 所示的电路原理图进行简化，略去其中的细节部分， 并加入步进电机驱动器的连接，作出便于介绍其工作原理的连接示意图如图3 - 5 所示： 武汉理f ：人学硕十学位论文 ! l葩毛嚣 一o ：厂 烈 u f ：，- ： 4 链罨娶 ；：4m c u；：h 厂 一、h ： 5；：5；：j2 5u k - 0 2；：苎；：! ， 丝毫嚣 g x d 聪 2p ：；：2 s 厂一 一l 7 一& i 0 8 3 2 二：船1 0 f 誓i p 二：忿h l 事r 广一1 l ：铩i | ：妥l - 3 犍 l：c t 毫s2 0 4 0 一 = 图3 5 数据采集部分电路示意图 在图3 - 5 中，步进电机驱动器的脉冲信号引脚p u l ，方向信号引脚d i r ，使 能信号引脚e n a 分别接单片机的p i o ，p 1 l ，p 1 2 引脚，由单片机的p 1 2 引脚输出 的低电平来选中步进电机驱动器，由单片机的p l l 引脚输出的电平信号来控制 步进电机转动的方向，由单片机的p i o 引脚输出的脉冲信号的频率来控制步进 电机转动的速度；数字温度传感器d s l 8 8 2 0 的数据端d q 接单片机的p 1 3 引脚， 单片机通过p 1 3 引脚控制d s l 8 8 2 0 的工作，d s l 8 8 2 0 也通过p 1 3 引脚将转换完 的温度数据传送给单片机；模数转换器a d c 0 8 3 2 的片选信号引脚c s 、芯片时钟 信号输入引脚c l k 、数据信号输出引脚d o 、数据信号输入引脚d 1 分别接单片机 的p 1 4 、p 1 5 、p 1 6 、p 1 7 引脚，由单片机的p 1 4 引脚输出的低电平信号使能a d c 0 8 3 2 ， 由p 1 5 引脚输出的脉冲信号提供单片机工作的时钟脉冲，单片机通过p 1 7 引脚 向a d c 0 8 3 2 传输通道选择等控制命令，a d c 0 8 3 2 转换后的数字量通过p 1 6 引脚 传输给单片机：图中的三个继电器在电路中起着开关的作用，由单片机的p 2 1 、 p 2 2 、p 2 3 引脚输出的电平信号来控制三个继电器的断开与闭合，从而与其他元 件组成不同的回路来完成所需的测量任务；图中的电平转换芯片m a x 2 3 2 和 r s - 2 3 2 接口d b 9 接单片机的p 3 0 和p 3 1 引脚，数据采集电路采集到的数据在单 片机的控制下通过p 3 0 引脚传输给上位p c 机，上位p c 机的指令通过p 3 1 引脚 传送给单片机。 整个数据采集部分的电路是以单片机为控制核心的，在数据采集部分电路 中，用步进电机和步进电机驱动器实现太阳能电池所接负载电阻按一定的阻值 间隔从零到无穷大的变化，单片机与步进电机驱动器相连，通过单片机控制步 进电机驱动器工作，进而控制步进电机按一定的步距角转动，从而实现太阳能 1 6 武汉理j ：大学硕十学位论文 电池所接负载电阻的变化：温度采集所采用的数字温度传感器d s l 8 8 2 0