单片太阳能电池的连续检测系统设计.doc

国内图书分类号：TH868国际图书分类号.：621.3工程硕士学位论文单片太阳能电池的连续检测系统设计硕士研究生导师申请学位级别学 科、专 业所 在 单 位授予学位单位：Classified Index：TH868U.D.C.：621.3Dissertation for the Master Degree in Engineering ProjectOne piece of solar cells for detection system design Candidate： Supervisor： Academic Degree Applied for： Speciality： University： 燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文单片太阳能电池的连续检测系统设计，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字 日期： 年 月 日燕山大学硕士学位论文使用授权书单片太阳能电池的连续检测系统设计系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。(请在以上相应方框内打“”)作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要人类进入了21世纪，随着世界经济的稳步发展，各种新型能源技术得到世界各国的重视和关注。其中以太阳能电池产业表现的最为突出，同时太阳能电池测试技术也成为了研究和产业发展的关键，所以，研发出一套能够快速和精确的电池测试系统有着十分重大的意义。本文根据太阳能电池板等效电路，列出各个参数的计算公式并确定了本系统需要检测的参数。介绍了虚拟仪器技术的概念，对虚拟仪器的特征做了详细的介绍，并对虚拟仪器和传统仪器进行比较，并对其组成结构进行了说明。本文所阐述的是本人参与研制的连续闪光检测的太阳能测试仪器，该测试设备使用脉冲的氙气灯作为模拟光源，对氙气灯的光学性质做了详细介绍，并对氙气灯光谱的校正做了介绍，使其光照强度稳定，功耗低，光源接近正午太阳日光，从而能获得大面积均匀的稳定光源。在连续传动部分使用PLC作为传动控制，不仅价钱低廉，传动稳定，而且具有使用广泛等优点。同时对软件结构进行了详细介绍，包括软件的层次结构的设计，模块的划分，软件的设计流程以及子程序和库函数的调用等进行了详细的说明，并对软件界面及其功能做了详细的介绍。本文综述了国内外测试仪器技术的发展状况，虚拟仪器的基本知识，介绍该测试仪器的设计思路和实验方法，与国内外的各种测试设备相比，具备高效率、低成本、小功耗、自动化程度较高。关键词：太阳能电池板；虚拟仪器；Labview；标准测试条件；虚拟测试；连续检测AbstractHumans entered the 21 st century, with the steady development of the world economy, the common energy has gradually cant meet the use need, all kinds of environmental pollution and other factors, make all sorts of new energy technology to get the attention of the countries all over the world and attention. Among them with the solar cell industry the most outstanding performance, and solar battery test technology has become the research and industry development key, so, developed a set of can be quickly and human in the 21 st century, with the steady development of the world economy, the common energy has gradually cant meet the use need, all kinds of environmental pollution and other factors, make all sorts of new energy technology to get the attention of the countries all over the world and attention. Among them with the solar cell industry the most outstanding performance, and solar battery test technology has become the research and industry development key, so, developed a set of batteries can be quickly and accurate testing system has a very important significance.This paper according to solar panels equivalent circuit, the list of various parameters calculation formula and confirmed the system of the parameters of the need to detect.Introduces the concept of virtual instrument technology and the characteristics of virtual instrument is described in detail, and on the virtual instrument and compares the traditional instruments, and its composition structure are illustrated.This paper describes how I participate in the development of continuous flash detection solar test instrument, the test equipment use pulse hid xenon lamp as simulate the light source, the optical properties of the xenon lamp to do is introduced, and the light spectrum correction of xenon introduce, make its light intensity stability, low power consumption, and light source close to the sun at midday sun, so it can get even large area the stability of light source. In the continuous transmission part of use PLC as drive control, not only the price is low, but also has widely used, etc.The software structure are introduced, including the hierarchical structure of the software design, module, software design process and procedure and library function calls a detailed instructions, and software interface and its function are described in detail.This paper reviewed the test instrument technology, the development situation of the basic knowledge of virtual instrument is introduced, and the design idea of testing instruments and experimental method, and all kinds of test equipment both at home and abroad, compared with high efficiency, low cost, small power consumption and high degree of automation.Keywords: Solar panels; Virtual instrument; Labview; Standard test conditions; Virtual test; Continuous detection目 录摘 要IAbstractII目 录V第1章 绪 论11.1引言11.2 国内外太阳能电池板及检测技术的发展21.3本章小结4第2章 太阳能电池的检测原理52.1 太阳能电池的分类52.2 太阳能电池板的等效电路62.3 太阳能电池板各项参数的测量和计算82.4 本章小结11第3章 虚拟仪器的介绍123.1 虚拟仪器的概念123.1.1 虚拟仪器的特征133.1.2 虚拟仪器与传统仪器的比较133.2 虚拟仪器的硬件构成143.2.1 计算机143.2.2 I/O接口设备143.3 虚拟仪器软件平台Labview软件概述143.4 本章小结16第4章 太阳能测试系统硬件设计与实现174.1 光源174.1.1 脉冲氙灯174.1.2 脉冲氙气灯的光学性质184.1.3 脉冲氙气灯放电的波形和闪光持续时间184.1.4 脉冲氙灯的光谱特性204.2 连续传动系统224.2.1 连续传动检测线的机械部分224.2.2 连续传动检测线的电气控制254.3 计算机控制与数据采集系统354.3.1 数据采集卡的选择354.3.2 MPS010602U数据采集卡及简介364.4 传感器的选择394-5 本章小结39第5章 太阳能测试系统的软件设计及实现405.1 软件结构设计405.1.1 软件层次结构的设计405.1.2 软件结构介绍405.2 测试系统软件实现435.2.1 模块划分435.2.2 软件设计流程435.3 子程序的调用445.4 库函数的调用455.5 测试系统的界面介绍及功能505.5.1系统启动界505.5.2数据采集505.5.3 数据分析515.5.4 太阳能电池板各项性能参数的检测方法525.6 本章小结54第6章实验结果及分析556.1 实验及结果分析556.2 本章小结59结 论60参考文献61附 录64攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果67致 谢68作者简介69第1章 绪 论1.1引言在世界范围内国民经济的发展和我们日常生活所必备的物质基础是能源，能源在提高经济发展和人民群众的物质文化水平起到了重要的作用，当今社会的各种社会活动几乎都离不开能源的大量消费，同时它又是把我国建设成为现代化、国际化的社会主义国家战略目标的重要基础，从目前来说全球使用最广泛的能源包括以下几个：煤炭、石油、天然气、风力、水利以及其他多种能源，在18世纪，英国的工业革命开始大规模使用煤炭石油和天然气，直到今天，这几种能源占到了世界能源总耗费量的60%。人类已经开始意识到传统能源已经开始面临着枯竭，按照现在的消耗速度，地球存储的煤炭量仅够使用50年，石油和天然气的储量仅够消耗200年，但是时至今天，全球依然有十五分之一的人们还没有解决用电问题，对当地社会经济的发展造成的很大的影响，所以说电力是现代人民生活的基本能源保障1。从另外的角度来说，常规能源的消耗、燃烧严重造成了地球环境的污染，大气污染和水污染，现在已经造成了一定的破坏，如臭氧层逐渐减薄，温室效应和酸雨，对人类的生存环境造成了极大的破坏和威胁，以目前来说，由于大气污染造成的人类死亡的数目要远远大于因为AIDS疾病造成的死亡人数。然而，作为另一种替代资源的原子能，由于其本身的高辐射危险性，安全性和处理问题不能得到有效解决，越来越受到人们的怀疑，很多西方国家自从日本核泄漏事故以后开始限制核工业的发展，甚至一些国家已经关闭建好的核电站，避免出现更多的危险2。开发新能源和清洁能源是本世纪世界经济发展的核心部分，其中包括太阳能资源、无污染燃料、水利资源、风力资源等，但是对于各国政府来说，充分开发太阳能资源也是各国的一项长期大规模的战略决策，在太阳能资源的利用里以发电技术最受欢迎，今后太阳能发电将逐步扩大应用规模，甚至可能取代传统发电项目，预计在20年以后太阳能发电量将占到全球发电总量的5%-20%3。太阳能资源相对传统资源来说，存在以下几点缺点：分散性（能量密集度低）、间断性（受天气影响较大）、光伏设备能量转化率低等等，同时优点也有很多：（1）广泛性：太阳能遍布地球的每一个角落，就地可用，对于一些偏远的山区、沙漠区等一些交通不便的地区更能够显现出太阳能的广泛性。（2）可再生性：太阳能资源可以说是取之不尽用之不竭的长久能源。（3）清洁性：传统的能源在使用过程中都会释放一些影响大气和人身体的气体，核燃料会释放有放射性的废料，造成极大的环境污染，太阳能直接发电基本没有污染，可以极大的减小对地球和人类的伤害，所以太阳能被称为清洁能源。1.2 国内外太阳能电池板及检测技术的发展太阳能电池顾名思义就是一种通过光电反应或光化学反应把光能转化成电能的装置。光能能够转化成电压的效应由法国的物理学家A.E.Becquerel在1839年第一次发现，10年以后“光伏”这个词才出现在英文中，A.E.Becquerel只是发现了光生伏特效应，但是第一块太阳能电池是由Charles Fritts在1883年制造出来的，他在半导体元素锗上面覆盖上一层薄薄的金层，从而产生了光伏反应，当时这块太阳能电池的转化效率只有1%。到了1946年，Russell Ohl申请了第一个太阳能电池的制造专利，期间，人们一直没有停止过对太阳能电池的研究，直到1954年，美国的贝尔实验室制造出来第一块真正的太阳能电池，研究人员发现在半导体硅中添加定量的杂质，硅片对光线的敏感度增加，从那以后，利用光能发电的时代终于来临。在此后的几年里，太阳能电池一直用于军用和研究用途，美国在1960年发射的第一颗人造卫星使用的就是太阳能电池作为维持卫星正常运转的能量来源4，上个世纪七十年代，全球爆发了一场大规模的能源危机，以美国为首的工业国家意识到开发新能源的重要性，此时，太阳能电池才大规模的用于民用，经过几十年的发展，一些发达国家已经开始大规模投入建造民用太阳能装置，包括太阳能热水，太阳能发电等技术在节省传统能源的同时已经能够满足日常需要。比较典型的太阳能发电项目就是美国于1983年在加州省建立了一个当时世界上最大的太阳能发电厂，该发电厂年发电量能够达到16M瓦，非洲的一些较发达的国家已经开始设立专案，为非洲偏远地区的农村安装低成本的太阳能发电系统5。光伏电池技术的快速进步体现在以下几方面：（1）太阳能电池商业化的生产规模逐年扩大，平均每一个工厂的年产电量能够达到200M瓦。（2）生产设备的智能化和自动化的推广。（3）多样的新型电池正在逐渐提高转化效率，应用到多个领域。（4）电池的生产成本正在逐步下降6。由于我国的光伏产业起步比较晚，但是发展速度很快，在过去的20年里，中国的太阳能发电产业研究人员经过努力也逐渐形成了一定的技术基础，积累了很多经验，先后成功研发出单/多晶硅高效电池、非晶硅电池、碲化镉薄膜电池，多晶硅薄膜电池，经过我国科研工作者不懈的努力，研发技术水平在不断提高，部分技术已经能够达到甚至超过国际先进水平，在电池技术提高的同时也推进了生产检测太阳能电池设备的技术水平，并且先后建立多个光伏示范发电站并且在西藏地区先后投产建成了多个发电站，为我国光伏产业的研究做出了巨大贡献，但是我国的总体水平对照发达国家还相差很远7。太阳能电池制备出来就会有相应的电池检验设备，由于国外光伏产业发展较早，太阳能电池检测设备在国外已经广泛的使用，各大电池生产商都会推出相应的检测仪器，他们利用长弧氙灯作为检测的光源，光照面积从1平米到几平米不等，虽然测试的精度很高，但是造价极其昂贵，并且以其占地面积大功耗大等缺点使得检测设备一直称为鸡肋产品，如美国Spire公司生产的Spire SPI SUN SIMULATOR240型、HUNGHES公司生产的HUGHES 4500 I型测试仪售价高达几万到几十万美元，造价高，体积大，功耗大是其显著特点8。在国内来看我国生产的太阳能电池检测仪经历了几个阶段，在光源方面首先采用的是稳态的日光模拟器，卤素灯就是其中使用比较多的，最初由西安交通大学研制的SGC-3太阳能电池测试台就是比较典型的一个设备，但是该仪器光源的电能损耗非常大，同时产生大量的热量，测试精度在1%左右，体积和功耗仍然是该仪器的不足之处9。随着技术的发展，开始提出采用占地面积小，光照强度大的氙气灯作为测试用光源，这是光伏电池测试技术的一大变革，采用氙气灯的测试仪能够根据测试电池板的面积分为百瓦级、千瓦级甚至上万瓦，一般测试太阳能电池组件或方阵才会使用大功率的氙灯，但是传统的氙灯在光谱方面和阳光的光谱相差很大，所以必须采用修正光谱等手段使其达到太阳光光谱。目前较为典型的就是由上海大学研制的用氙灯作为光源的太阳能测试仪，能够在基于AM1.5的标准条件下测试太阳能电池10。现在大部分实验室和测试仪生产商已经使用脉冲氙灯作为模拟光源，脉冲闪光灯的光谱特性非常接近于太阳光，色温在6000K左右，一个平均功率不到10瓦的闪光灯其脉冲功率都能达到数万千瓦，而且对太阳能电池板的光照时间很短，通常只需要几毫秒就能够完成检测，所以对电池表面的温度影响几乎可以忽略不计，不需要其他恒温设备。本文所论述的太阳能电池测试仪就是采用脉冲光源作为检测光源的检测设备。1.3本章小结本文对世界能源危机进行了分析，阐述了常规能源的有限性，并且对新型清洁能源的利用提出了看法，包括太阳能技术，介绍了太阳能技术的发展史，分别对国内和国外太阳能电池检测技术发展的趋势作了初步的介绍，并对现有的太阳能发电技术的优缺点进行了对比。第2章 太阳能电池的检测原理2.1 太阳能电池的分类目前在全球范围内大量使用太阳能电池以单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池为主，他们各有优缺点，单晶硅和多晶硅电池由于发展时间较长，其转换效率和寿命要好于非晶硅，但是造价比非晶硅电池贵很多11，本文设计的检测系统是针对硅晶体电池设计的，以下是对太阳能电池种类的介绍：(1)单晶硅太阳能电池。在以半导体硅为主的电池中，单晶硅电池以其转化效率最高，年产量最大，并且技术最为成熟和开发速度最快的优势广泛应用于空间和地面。该电池以99.999%的高纯度硅棒为原料，经过切片（厚度大约为0.3毫米）、成形、抛光等工艺制作成待加工的原料，这种电池片能够按照需要的面积组装成电池组件，用框架和包装材料封装，利用串联或者并联的方式满足不同需求的电压电流功率。以目前国际最先进的水平来说，单晶硅太阳能电池转换率在实际应用中能够达到12%16%，在实验室环境下已经能够高达24%12。(2)多晶硅太阳能电池。多晶硅电池顾名思义就是其主要材料是以多晶硅为基体的电池，多晶硅的生产过程以浇注为主，代替了单晶硅的拉制工艺，主要优点是生产时间短，成本低等，单晶硅生产需要大量高纯度的硅，硅提纯工艺比较复杂，同时也消耗了大量的电力能源，成本相对较高，并且单晶硅棒是圆柱状，其切片在组件过程中平面利用率相对较低。多晶硅的光电转换率只有12%左右，略低于单晶硅，但是多晶硅电池以材料制作方便，节约电能，成本低等优点使其得到了很大的发展。(3)非晶硅太阳能电池。经历了单晶硅和多晶硅的时代，在1976年一种新型的薄膜式电池的出现以其原材料消耗低，生产用电消耗低等优点开始逐渐推广出来。目前制作非晶硅电池的方法很多，包括：辉光放电法、反应溅射法、化学气相沉淀法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等。但是无论多么新型的电池的主要问题就是转换效率的问题，薄膜电池也不例外，它的转换效率国际上最先进的水平也就在10%左右，而且薄膜电池稳定性较单晶硅和多晶硅电池较差，转换效率不稳定，所以在大规模的发电系统上目前还不能采用，但是在小规模的电源上使用还是很广泛的，比如微型计算器、手表等小电力应用领域，但是随着技术的不断发展，以后薄膜电池将会以其低成本，小重量以及不易损坏等优点极大的促进光伏产业的发展13。2.2 太阳能电池板的等效电路太阳能电池在光照时产生的电流经过到负载电路上的时候，在负载电路两端产生电压，利用这个道理我们就能够构建一个太阳能电池的等效电路来反映电池的工作状态，在图2-1中我们可以把太阳能电池当做一个能够产生稳定电流的电流源（假定电流很稳定）和它并联的有一个处在正偏电压下的二极管以及一个并联电阻Rsh，很明显，二极管的正向电流和一个旁路电流Ish都是依靠IL来提供的，剩下的光产生的电流流经一个串联电阻Rs流入负载电阻RL14。图2-1太阳能电池等效电路图ID二极管的正向电流Ish旁路电流IL电池板产生的光电流I电池板的负载电流RL负载电阻Rsh由电池板的制造缺陷产生的并联损失电阻Rs由检测设备与硅片的接触产生的串联损失电阻Vj电池板产生负载电压由图2-1的等效电路图我们可知，此时流进负载电阻RL的电流值为I，负载端的电压值为V，见式（2-1）式（2-2）： (2-1)(2-2)当负载电阻RL从零变化到无穷的时候，就可以根据上面的公式绘出光伏电池的负载特性曲线特征图，也叫伏安特征曲线。特征图上面的每一点叫做工作点，和原点连接的线就是我们所要表达的曲线，那么这个曲线的斜率就是，工作点的X坐标和Y坐标就是我们要表达的工作电压和工作电流的曲线。如果我们要改变负载电阻RL使其达到某一个值Rm，就会在曲线上留下一个点M，此时的电压和电流的乘积为最大值也就是最大功率值Pm=ImVm，我们就可以把这个点M叫做该被测电池板的最大功率点，那么最佳工作电流和最佳工作电压就是上式中的Im和Vm，Rm我们就可以称为最佳工作电阻值，Pm称为最大功率值。负载特性的特征曲线如下图2-2表示：图2-2太阳能电池负载曲线Im最大功率时的电流Vm最大功率时的电压Rm最佳工作电阻Isc短路电流Voc开路电压2.3 太阳能电池板各项参数的测量和计算在等效电路中，当电路负载RL连续变化时，经过检测能得到一系列的I-V数据，可以画出如图2-2的光伏电池的伏安特性曲线，通过这个曲线能够计算出一系列的电池板的参数，这些参数主要包括：开路电压Voc、短路电流Isc、最佳工作电压Vm、最佳工作电流Im、电池最大功率Pm、填充因子FF、串联电阻Rs、并联电阻Rsh以及电池转换率等15。(1)开路电压Voc和短路电流Isc的计算。由图2-2可知得出的测试曲线与电压电流两轴的交界点A就是我们所要得到的开路电Voc和短路电流Isc。(2)计算最佳工作电压最佳工作电流最大功率：Pm，Im，Vm的计算。在正常计算情况下，直接计算Pm比较麻烦，所以我们可以用计算机按照步长来进行计算，求得每一个点的P=IV，然后求其中最大的值即为Pm，最大值所对应的点应该也就是最佳工作电压Vm和最佳工作电流Im16。(3)填充因子 FF的计算。我们所要求的填充因子FF就是用最大功率Pm和短路电流开路电压的乘积VocIsc之比，见式(2-3)：(2-3)填充因子是反映太阳能电池性能好坏的重要参数之一17。(4)并联电阻Rsh和串联电阻Rs的近似解的求法。由前面的等效电路图2-1我们可知，当电流I流入负载电阻RL，负载端电压为V时，见式(2-4)： (2-4)(2-5)此时要考虑到当电压趋近于0时，公式(2-4)的渐进行为。对于光伏电池，在一般情况下，能够满足下式（2-6）：(2-6)根据公式(2-6)，我们很容易得到，在电压趋近于0时公式(2-4)可以写为：(2-7)式(2-7)表明，在电压趋近于0时，曲线有很好的线性关系。对式(2-7)求微分，得到即：(2-8)所以，只要测试出在电压趋近于正无穷附近的伏安特性曲线的斜率K就可以由式(2-8)求出Rsh的值18。串联电阻的求解方法和并联电阻的求解方法类似，在的情况下，公式(2-4)可以近似的写为：(2-9)化简上式得出：(2-10)对式(2-10)求微分，可得，即：(2-11)所以得出测量在附近的伏安曲线的斜率K就可以由式(2-11)可以求出Rs的值了。(5)串联电阻Rs的数值求解。由于近似算法对电流使用了两次近似运算，所以结果的系统误差很大，为了得到更加精确的结果，采用数值算法来求解Rs，由于考虑到太阳能电池的双指数模型，则负载电流见式（2-12）：(2-12)由式2-12的负载电流公式就可以利用2-11求出串联电阻Rs的较精确值。(6)光伏电池的转换效率的计算。光照照射到光伏电池的时候，电池的输出功率和照射到电池板的光强的功率比值我们称为光伏电池的转换效率，还可以叫做光电转换效率12。(2-13)在式(2-13)中，At为光伏电池的总面积，由于光伏电池中间有两条栅线，如图2-3所示：图2-3 太阳能电池栅线由于栅线没有光电反应，所以At取扣除栅线后的有效面积，计算结果会更精确一些。，为单位面积的光照入射功率，在实际测量中，Pin无需计算，可以直接取标准光强：即在AM 1.5条件，温度为25左右时，入射功率19。根据上述结果，确定了本系统需要测试的参数为：开路电压Voc、短路电流Isc、最佳工作电压Vm、最佳工作电流Im、电池最大功率Pm、填充因子FF以及电池转换率2.4 本章小结本章详细介绍了太阳能电池的分类，并对各类电池作了详细介绍，同时对太阳能电池的结构和原理进行了详细的研究分析，对太阳能电池的等效电路作了介绍，并且详细的介绍和分析了太阳能电池各个性能参数以及彼此之间的关系，最后确定了这些性能参数为太阳能电池检查系统检测的参数。第3章 虚拟仪器的介绍3.1 虚拟仪器的概念现代计算机技术的发展日新月异，以其强大的计算处理数据的能力成为人们生活中常用的基本工具，而且应用范围在逐渐扩大，来自美国的国家仪器公司（NI公司）在1986年提出了虚拟仪器的概念，并且指出“软件就是仪器”的口号，打破了人们对传统仪器的概念，因此一场仪器和工业自动化的革命展开了，它充分体现了计算机技术和其它相关技术的紧密结合，为仪器产业的发展指明了方向。本文所阐述的虚拟仪器指的是在计算机平台用户能够根据自己的需求自定义仪器的功能，然后通过计算机的I/O接口设备和数据采集卡实现数据的采集测量等功能，最后把采集来的数据利用计算机强大的数据处理功能使用软件实现数据的计算分析和处理，软件界面具有传统仪器的按钮和显示屏进行模拟，以多种形式输出结果，从而完成需要的测试，这种虚拟的仪器打破了仪器生产厂家对仪器功能的限制，从而根据自己的需要定制所需的仪器。图3-1为虚拟仪器的构成图：被测信号PC-DAQGPIB串行仪器VIX仪器PXI仪器PC工作站软件系统图3-1虚拟仪器构成框图虚拟仪器系统根据它的构成，通常来讲是由PC机、软件系统和采集硬件仪器组成，是一种将硬件挂载到移动PC、个人电脑以及工作站等各式各样的计算机平台配合应用软件构成的系统。硬件仪器系统包括各种I/O设备，由他们完成采集到信号的各种操作，其中包括：采集、放大、D/A和A/D转换等一系列功能，能够根据设备的不同，软件系统包括PC-DAQ系统、GPIB系统、串行仪器系统、VIX系统和PXI系统等不同类型组成。本文使用的软件系统由两个大部分组成，分别是VI应用程序和设备驱动程序，传统仪器的大部分功能都能利用一个高性能的虚拟仪器来完成，而且虚拟仪器的灵活性、丰富的功能、低廉的成本以及能够重复开发使用的功能都是传统仪器所不能比拟的。3.1.1 虚拟仪器的特征虚拟仪器技术的三个优势：(1)高性能。计算机技术的高速发展带动了虚拟仪器的发展，并且拥有计算机即插即用的优点，多线程的运算，使仪器在进行数据交换的时候仍然能够分析复杂的信号，另外一些计算机技术的应用比如多核计算机处理器和传输速度越来越高的即插即用接口同样能够推动虚拟仪器的发展，发挥出更多的优势。(2)强扩展性。虚拟仪器软件系统具有灵活的实用性，只需要更换测量设备或者PC，就可以以极少的硬件投资和极少甚至无需软件改动就能够改变现存的测试系统。(3)开发时间短。在使用驱动和应用模块方面上，虚拟仪器系统把计算机、通讯和仪表仪器的技术结合到了软件里，在操作方便的同时提供了高性能高灵活性的使用虚拟仪器软件设计的初衷，用户可以很容易的对模块进行配置、创建、发布和维护修改。3.1.2 虚拟仪器与传统仪器的比较相对于传统的仪器，虚拟仪器用户可自己定制需要的专用仪器系统，并且功能灵活性很强，创建容易，有很广泛的应用性，在开发、测量、检测、测控等方面是一款不可多得的好工具软件。并且符合国际上的“硬件软件化”的趋势发展。表3-1就是虚拟仪器与传统仪器的比较：表3-1虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器开发维护软件使得开发与维护费用降至最低开发与维护开销高更新周期技术更新周期短1-2年技术更新周期长5-10年系统升级关键是软件，系统性能升级方便关键是硬件，升级成本高价格价格低，仪器间资源可重复配置和重复利用昂贵，仪器间一般无法相互利用仪器功能用户能根据自己的需要定义仪器的功能，并灵活多变厂商能定义其功能，但单一，不能随意改变结构开发性开发式的灵活结构，可与计算机技术保持同步封闭、固定、兼容性差互联性能与网络及其它周边设备方便互联的面向应用的仪器系统功能单一、互联有限的独立设备操作界面图形化界面，操作简便显示功能单一，操作不便通用性方便构成分布式测试系统，远程监控及故障诊断设备之间通用性差，连接复杂一整套实验测量设备价钱从几万元到几十万元不等，同等的测试条件虚拟仪器的成本要比传统仪器低二分之一甚至更多，虚拟仪器的强大功能和低廉的投资使得虚拟仪器具有广阔的发展前景20。3.2 虚拟仪器的硬件构成虚拟仪器的硬件组成部分分别是I/O接口设备和计算机两大部分。3.2.1 计算机一般是PC机或计算机工作站，属于硬件平台的核心部分，主要用于对采集的数据进行处理和显示，本系统的数据采集通过USB端口完成，所以只需要一台具有USB接口的计算机就可以实现采集功能。3.2.2 I/O接口设备I/O接口设备即采集调理部件，包括PC总线的数据采集卡(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器、串口总线仪器和LXI总线仪器等标准总线仪器，测量输入信号的采集放大模数转化是他们的主要功能，虚拟仪器的发展经过了GPIBVXIPXILXI总线方式(适合大型高精度集成系统)和PC插卡并口式串口USB方式。3.3 虚拟仪器软件平台Labview软件概述虚拟仪器的一大核心技术就是软件平台，NI公司提出一个著名的口号：软件就是仪器。在虚拟仪器系统开发的过程中能够开发出一款高效率、低调试时间一直是广大测试技术人员关心的问题，由美国国家仪器公司（NI）开发的软件Labview是虚拟仪器系统里非常出色的一款软件产品，全称是实验室虚拟仪器工程平台(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，它是一种基于图形化编程语言的虚拟仪器开发软件21。Labview是一款利用图标代替传统编程语言代码的工具，其他的编程软件开发依赖命令行，但是在Labview里利用编程方法描述程序的运行状态，使用图形化的语言代替传统文本开发程序的编写，并且Labview具有很强的二次开发性。它的库函数包括：数据采集、通用接口总线和串口仪器控制、数据显示分析存储等诸多功能。Labview是一个通用的编程系统，由它可以完成一般的数学运算和逻辑运算，针对数据采集和仪器开发还提供了一套专门的库函数和开发工具，基本能够满足复杂的工程计算和分析要求。此软件环境开发下的程序统称为VI，它的外观和操作界面可以模拟传统仪器的操作界面22。VI程序由用户界面、图标、和接口面板组成，接口面板用于VI之间的调用，Labview具有以下特点：(1)图形化编程界面：它针对各种测试和过程领域提出了“所见即所得”的直观可视化技术，并建立了友好的人机交换界面，该界面提供了大量的显示对象和控制对象，如：旋钮、开关、图表等。(2)内置有程序编译器：由于对32位程序Labview采用了编译方式运行，不同于其他按照解释方式运行的图形编程平台，使其运行速度大大提高，它的运行编译速度大概相当于C语言的速度。(3)灵活的程序调试手段：Labview允许用户对已经编好的软件在源代码处设置断点，使用单步执行，并且可以对源代码的数据流监测，数据流的变化可以随时观察。(4)强大的函数库：Labview拥有丰富的函数库，它几乎包含了仪器设计需要的所有库，由最底层的VXI、GPIB、串口到上层的仪器驱动库等，从基本的加减函数库到高等数学函数分析库。(5)Labview支持多种操作系统平台：NI公司提供了针对多个操作系统平台的版本，涵盖了Windows系统、Linux系统、MAC系统等，而且支持在不同操作系统开发的VI都可以互相通用和移植，具有非常良好的兼容性。(6)非常开放式的平台：Labview提供了两种接口，分别是DLL接口和CIN接口，使得用户能在软件中调用其它软件平台进行编译，并且提供对OLE的支持。(7)支持多种网络协议：Labview支持TCP/IP协议和UDP等大众网络协议，可以方便的实现网络调试与控制23。这些特色功能使得Labview真正实现了软件就是仪器的理念，通过把一个复杂的任务分担成一个个的子程序，每一个子程序执行一个任务，极大的提高了工作效率，实现了软件的广泛应用。3.4 本章小结本章介绍了虚拟仪器的概念，虚拟仪器就是仪器和工业自动化的革命，它充分体现了计算机技术和其它相关技术的紧密结合，并且虚拟仪器具有高性能、强扩展性以及开发时间短等特点，对虚拟仪器和传统仪器作了比较。虚拟仪器的硬件系统由计算机和相应的I/O接口设备组成。在本文中还介绍了一款典型的虚拟仪器软件Labview，并对其特点进行了概述。第4章 太阳能测试系统硬件设计与实现本测试系统所需的硬件部分包括：脉冲氙气灯光源、连续传动系统和计算机控制与采集系统三个部分24。4.1 光源光源系统包括氙气灯、光源控制电路和滤光装置三个部分，本系统的光源系统框图如图4-1所示。要求设计光源尽量符合正午太阳光的辐射特性，光源的设计又要符合测试系统的均匀性和直线性等。高压产生电路脉冲氙气灯滤光装置被检测电池板脉冲发射器电压倍增电路总 电 源测试电路图4-1 太阳能电池板测试仪光源组成框图4.1.1 脉冲氙灯脉冲氙灯属于一种把电能转化成辐射光能的电器元件。如下图4-2为脉冲氙气灯的结构图25：图4-2 氙灯的结构示意及基本原理图灯泡的镇流器通过电源将能量充满至工作电压Vc，Vc不能高于灯管的击穿电压并且不能低于灯管的点火电压Vs，一般灯管外面都会绕有一圈线圈，称为触发丝，当脉冲灯工作时，触发丝上瞬间通以上万伏的脉冲高压，在灯管内部产生电力火花，火花大大减少了灯管内部电阻值，使得镇流器内部的电容瞬时释放出大量的能量，产生极为强烈的闪光，脉冲放电就是一种非稳态气体的放电形式，其放电过程分为瞬态过程和类稳态放电过程两个阶段26。4.1.2 脉冲氙气灯的光学性质在本系统中，模拟光源的光学性质能够直接影响实验结果的准确性，是必须要考虑的因素，先介绍几个表征辐射的物理量：辐射能量Q：光源辐射的光（包括红外光、可见光和紫外光）的能量叫做光源的辐射能量，辐射能量的单位J。辐射通量P：辐射能在单位时间内通过灯表面辐射出去的叫做光源的辐射通量，还可以叫做辐射功率，辐射通量的单位是W。辐射照度H：被照物体被照射的程度量叫做辐射照度，属于单位面积接受的辐射量，用公式表示为(4-1)单位是。光谱辐射通量：光源的光在单位波长内的辐射通量叫做光谱辐射通量，单位是瓦每平方米()，见式(4-2)所示。(4-2)4.1.3 脉冲氙气灯放电的波形和闪光持续时间氙气灯脉冲光强和时间的曲线关系如图4-3所示：图4-3 脉冲光强度和时间关系的曲线首先要分清放电持续的周期和闪光持续期的概念：由于氙灯在放电初期和末期两个阶段光照辐射比较弱，在检测的时候不需要脉冲闪光灯的全宽度，而是取辐射强度峰值的三分之一的两点间隔时间TL为闪光灯的持续期，同样的道理，如果检测电流波形，只需取电流峰值的三分之一处两点间隔时间Ti为持续期，如上图4-3所示。其次脉冲灯的辐射随着时间而变化，那么它放电的波形取决于灯的电阻性质和放电回路的形式以及参数。流过脉冲灯灯丝的电流随着时间变化的波形对于使用不同的电路时不同的，上图所示的矩形脉冲是由几个有着相同电感和电容的单节LC电路组成的仿真线（又称脉冲形成网络放电线路）对其终端的灯丝放电而得到的波形图。这个过程的取点主要是在脉冲持续期范围内，光输出恒定，所以这一性质正是我们本文章需要的阳光模拟器所需要的。通常认为，灯所消耗的功率波形决定放电的发光波形，两者在理论上来说是相同的，但是在实际上只能说是近似，由于在开始放电的阶段放电通道的突然增大和放电结束形成的余辉会产生一定的时间，所以发光持续时间Ti和放电功率持续时间Tp肯定会有所差别，尤其是放电时间短的时候，这种差别会更加明显，但是如果增加放电时间，经实验证明，当放电时间大于300微秒的时候，上述差别可以不计，Ti=Tp，所以放电时间要大于300微秒，所形成误差才会更大限度的减小，本文定义放电时间为500微秒。4.1.4 脉冲氙灯的光谱特性典型的氙气灯光谱能量分布如图4-4所示：图4-4 氙气灯的光谱能量分布图4-4是典型的氙灯光谱能量分布示意图，连续光谱很强，线性光谱很弱是它的主要特点是。光谱从可见区到短波扩展到紫外区（200nm），从长波区扩展到接近红外波区（大于2000nm），在光谱的紫外区域里，氙灯也是比较强的连续谱，从上图看出氙气灯的强光辐射集中在800-1000nm附近的红外区，图中可以看到连续谱上叠加了强烈加宽了的原子特征谱线。当惰性气体在高气压下放电时，惰性气体的原子具有很高的能量，并且开始大量电离，形成了高温高压等离子气体，带电粒子之间相互作用以及电子和离子之间复合使得等离子体会发射出强烈的加宽的原子特征线光谱以及复合辐射连续谱，但是很大一部分的原子特征谱线淹没在连续背景中，所以连续谱是脉冲灯光谱的主要特征。由于不同波长的辐射能够使太阳能电池输出不同，所以在相同的辐射照度下，能量的分布也不同，导致电池板的输出特性和转换效率的不同，国际上规定以AM1.5太阳光谱分布作为地面测量的标准，图4-5是AM1.5标准光谱：图4-5 AM1.5标准光谱图本设计中的光源未经任何处理的光谱图如图4-6：图4-6 未经处理的氙气灯光谱下图4-7是使用了经过镀有滤红外的玻璃的光谱：图4-7 氙灯经过校正滤光后的光谱从上述图表中可以看出使用镀有滤红外材质的玻璃所得到的光谱能够更加接近正午太阳光谱27。4.2 连续传动系统由于传统的单片检测系统每次只能检测一片太阳能电池板，并且需要手工上下料，只适合于实验室使用，不适合企业大规模检测，因此，在本测试系统里，增加了一套利用步进电机实现连续传动的检测线。4.2.1 连续传动检测线的机械部分这条检测线是将生产出的太阳能片，运送到检测工位进行检验