CN101551437B - 一种太阳电池参数测试装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳电池参数测试装置，属于电压、电流的测试装置，解决现有太阳电池测试装置体积庞大、设备成本高的问题，以便于对生产线上大批量太阳电池进行测试。本发明包括模拟光源、参数测试仪和测试台，模拟光源位于测试台上方，测试台下方设有散热装置；所述参数测试仪包括DSP、AD转换模块、DA转换模块、电子负载模块、显示模块、温度测试模块和光辐照度测试模块。本发明采用DSP作为控制核心，设备装置简单，成本低廉，可以实时监测测试过程中温度和光辐照度的变化，且能准确、快速、稳定测量太阳电池的各类参数：短路电流、开路电压、最大输出功率、最佳工作电流、最佳工作电压、填充因子、转换效率和I-V曲线。

Description

一种太阳电池参数测试装置 

技术领域

本发明属于电压、电流的测试装置，特别涉及一种太阳电池参数测试装置。 

背景技术

太阳电池是一种可再生清洁能源，太阳电池测试对控制太阳电池的生产工艺、提高生产效率和保证生产质量都具有重要的意义。目前西安交通大学研制的SGC系列太阳电池测试设备，包括模拟光源、参数测试仪和测试台；参数测试仪多数基于PC机，PC机通过4位高速PCI数据采集卡实现数据通信，这种装置测试精度高、测试时间短，但设备体积庞大而且设备成本高，不适于大规模批量电池的测试使用，只能对太阳电池进行抽样测试；对生产线上大批量太阳电池的测试，多数厂家只是用简单的测试装置测量开路电压和短路电流两个参数，不能测量其它参数，而且测量结果不准确、不稳定。 

发明内容

本发明提供一种太阳电池参数测试装置，解决现有太阳电池测试装置体积庞大、设备成本高的问题，以便于对生产线上大批量太阳电池进行测试。 

本发明的一种太阳电池参数测试装置，包括模拟光源、参数测试仪和测试台，模拟光源位于测试台上方，测试台下方设有散热装置；其特征在于： 

所述参数测试仪包括DSP、AD转换模块、DA转换模块、电子负载模块、显示模块、温度测试模块和光辐照度测试模块； 

DSP与AD转换模块、DA转换模块、电子负载模块和显示模块电信号连接；电子负载模块输出的电信号、温度测试模块输出的电信号、光辐照度测试模块输出的电信号经AD转换模块采样，转换为数字信号送入DSP；DSP对AD转换模块、DA转换模块、电子负载模块和显示模块发出控制信号，对AD转换模块输出的数据进行处理，处理结果送至显示模块进行显示； 

DA转换模块将DSP指令转化成对应的模拟电压以控制电子负载模块； 

显示模块对DSP处理结果实时显示，包括温度、光辐照度、太阳电池各参数测试结果和I-V曲线。 

所述的太阳电池参数测试装置，其特征在于： 

所述DSP根据AD转换模块输出的数据，计算标准条件下流经太阳电池的电流值I₀、标准条件下太阳电池两端的电压值V₀： 

I₀＝I(E，T)+α(T₀-T)+γ(E₀-E) 

V₀＝V(E，T)+β(T₀-T)+δ(E₀-E) 

式中，T₀、E₀为标准条件下的温度和光辐照度，T、E为实测条件下的温度和光辐照度，I(E，T)、V(E，T)为实测的电流值和电压值，电流温度系数α为0.02(mA/cm²)/℃，电压温度系数β为-0.25mV/℃，电流光强系数γ为0.27(mA/cm²)/(mW/cm²)，电压光强系数δ为0.5mV/(mW/cm²)； 

在得到的多组电压值V₀和电流值I₀的基础上，所述DSP计算出太阳电池的参数值：开路电压V_oc、短路电流I_sc、最大输出功率P_max、最佳工作电流I_mpp、最佳工作电压V_mpp、填充因子FF、转换效率η： 

对多组电压值V₀和电流值I₀后进行数字滤波处理，进而进行曲线拟合 和平滑处理，得到I₀-V₀曲线，I₀-V₀曲线与电压坐标轴和电流坐标轴的交点分别为太阳电池开路电压V_oc、短路电流I_sc； 

由多组电压值V₀和电流值I₀求得多组输出功率值P₀，将各输出功率值进行比较得出太阳电池最大输出功率P_max，其对应的电流值和电压值为最佳工作电流I_mpp和最佳工作电压V_mpp； 

填充因子FF为： $\mathrm{FF}=\frac{P_{\max }}{V_{\mathrm{oc}}{I}_{\mathrm{sc}}}\×100\%$ ，式中，最大输出功率P_max、开路电压V_oc、短路电流I_sc； 

转换效率η为： $\mathrm{\η}=\frac{P_{\max }}{P_{\mathrm{in}}}\×100\%=\frac{P_{\max }}{\mathrm{s\φ}}\×100\%$ ，式中，太阳电池的表面积s、入射到太阳电池上的光辐照度φ。 

本发明采用脉冲氙灯作为模拟光源，氙灯的光谱接近太阳光光谱，因此测试结果准确。在测试过程中，测试台上装有温度传感器和硅光电池，实时测量温度和光辐照度的变化，确保测试在国标规定的标准条件下：温度为25℃，辐照度为100mW/cm²进行。由于测试时间短，光源引入的电池温度变化比较小，而测试台下散热装置的引进避免生产线上装置长期工作引起温度持续上升。同时，可伸缩拉杆可对光辐照度进行调节。 

本发明采用DSP(数字信号处理器)作为控制核心，打破常规太阳电池测试装置采用PC机和PCI高速数据采集卡的限制，设备装置简单，成本低廉，可以实时监测测试过程中温度和光辐照度的变化，且能准确、快速、稳定测量太阳电池的各类参数：短路电流、开路电压、最大输出功率、最佳工作电流、最佳工作电压、填充因子、转换效率和I-V曲线。 

附图说明

图1为本发明结构示意图； 

图2为参数测试仪的原理方框图； 

图3为电子负载模块的组成示意图； 

图4为温度测试模块的组成示意图； 

图5为光辐照度测试模块的组成示意图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明包括模拟光源3、参数测试仪2和测试台7，模拟光源为一内置氙灯的灯箱，位于测试台上方，灯箱与测试台桌面之间通过可收缩拉杆4连接，氙灯光谱接近太阳光谱，通过可收缩拉杆4长度的伸缩即可控制模拟光源3辐照到测试台桌面的光辐照度约为100mW/cm²；测试台桌面上放置镀铜板1，以便摆放太阳电池进行测试，镀铜板1上安装有温度传感器5和硅光电池6，经导线连接至参数测试仪2，实现测试台温度和辐照度的实时测量，测试结果显示在参数测试仪2的液晶显示屏上；测试台下方设有散热装置9，及时散出光源带来的热量，维持温度趋于25℃；测试台桌面下方为一脚踏式开关8，用于控制灯箱内氙灯发光和参数测试仪工作，控制完成太阳电池测试，整个测试过程可在几秒内完成。 

按照国家标准，太阳电池必须在以下标准条件下进行测试： 

(1)光源光谱为总辐照下AM1.5标准阳光光谱； 

(2)光源总辐照度为100mW/cm²； 

(3)测试时，电池温度为25±2℃。 

如图2所示，参数测试仪包括DSP、AD转换模块、DA转换模块、电子负载模块、显示模块、温度测试模块和光辐照度测试模块； 

DSP是数据处理中心，负责AD转换模块、DA转换模块、显示模块、 电子负载模块控制信号的发出和对AD转换模块采样数据的处理计算，以及软件程序的实现。DSP选用TI公司的TMS320VC5402DSP，它具有体积小、成本低、高速和低功耗的特点，足以胜任太阳电池测试中大量数据的处理工作，其IO口资源丰富，各模块均通过IO口连接至DSP。软件部分主要包括显示驱动程序、按键程序、温度测试程序、辐照度测试程序、数模、模数转换程序、测试程序和曲线拟合平滑程序，程序调试完成后烧入DSPFlash中。 

显示模块提供人机交流的友好界面，采用256×128点阵型液晶，其外围端口构造简单，控制端口和数据端口直接与DSP的IO口连接，负责完成实时温度、光辐照度、太阳电池各参数测试结果和I₀-V₀曲线的显示。 

如图3所示，电子负载模块由集成运算放大器、继电器、电压信号放大电路、电流信号放大电路、采样电阻、VMOS管和补偿电源组成，VMOS管的漏极和源极分别通过补偿电源和采样电阻连接至待测太阳电池的两端构成主回路；采样电阻两端连接至电流放大电路，电流放大电路输出电信号IV连接至AD转换模块；待测太阳电池的两端连接至电压放大电路，电压放大电路输出电信号III连接至AD转换模块和集成运算放大器的一个输入端，集成运算放大器的另一个输入端II与DA转换模块的输出相连接，集成运算放大器的输出连接继电器的常闭端，集成运算放大器的输入端和输出端之间连接有反馈电阻；继电器的控制端I与DSP一个IO口连接，继电器的常开端接地，继电器的公共端与VMOS管的栅极连接。 

运算放大器可采用TL082，继电器采用G6K-2F，电压和电流信号放大电路采用仪用放大器AD620，VMOS管可采用IRF系列如IRF6603，被测太阳电池和采样电阻均为四端方式连接，避免了导线带来的误差。模块核心为VMOS管，DSP可直接对继电器进行控制，当控制继电器 吸合时，继电器公共端即VMOS管栅极接地，此时VMOS管漏源开路，即太阳电池主回路开路，此时测得电压即为开路电压。当继电器断开时，继电器公共端与集成运算放大器输出端连接，DSP通过DA单元控制集成运放反相输入端电压值，进而控制太阳电池两端电压和集成运算放大器输出端电压，即VMOS管栅源电压的变化，从而使电子负载电阻值由几毫欧变化至几兆欧，实现了主回路中负载的自动连续可调；变化过程中，电路中AD转换模块对测试主回路中的电压和电流进行采样并送至DSP进行数据处理。 

如图4所示，温度测试模块由基准源电路、电阻、可调电阻、温度传感器和温度信号放大电路组成，一个电阻和可调电阻构成桥式电路的一臂，一个电阻和温度传感器构成桥式电路的另一臂，桥式电路由基准源电路供电，桥式电路的输出与温度信号放大电路连接，温度信号放大电路的输出端V送至AD转换模块进行采样处理。 

温度传感器采用PT100，它实际为一热敏电阻，当环境温度变化时，其阻值随之变化；温度信号放大电路可采用集成运算放大器如OP07；桥式电路由基准源电路供电，以避免直接连接电源带来电压波动，基准源电路采用TL431和可变电阻组成。随温度变化，PT100阻值改变，因此桥式电路两臂的差值信号也随之变化，对差值信号进行电压放大后采样处理即可得到对应的温度信号。 

如图5所示，光辐照度测试模块由前置放大电路、中间级电压放大电路和电压跟随器串联组成，前置放大电路由运算放大器、采样电阻和硅光电池构成，硅光电池两端连接至运算放大器的同相和反相输入端，运算放大器的同相输入端接地，采样电阻两端分别连接运算放大器的输出端和反相输入端，运算放大器的输出端连接中间级电压放大电路输入端，电压跟随器的输出端VI连接至AD转换模块进行采样处理。 

运算放大器采用BiFET工艺的AD645，由于BiFET型运算放大器输 入电阻极大，根据虚短虚断条件，硅光电池工作在零偏模式下，此时其短路电流与光辐照度成正比；通过跨接在运算放大器AD645输入输出端的采样电阻，得到电压信号，通过中间级电压放大电路和电压跟随器对其进行进一步放大后采样处理可得对应的光辐照度信号。采样电阻采用精密金属膜电阻，中间级电压放大电路和电压跟随器可采用集成运放TL082构成。 

整个测试流程如下：当踏下脚踏开关8时，模拟光源3发光照射到测试台7的太阳电池片上。DSP首先判断实时温度和辐照度是否符合测试标准，不符合则需要调节可伸缩拉杆4和散热装置9，如符合则控制电子负载内部继电器吸合，使电子负载控制端，即VMOS管栅极接地，此时测试电路中VMOS管处于开路状态，电压采样所测得电压值即为开路电压。随后，DSP控制继电器断开，VMOS管导通并结合电子负载的补偿电源使太阳电池两端端电压为0V，此时电流采样电路测得的电流即为短路电流，DSP将所测得开路电压值、短路电流值送至LCD显示。接着，DSP通过DA转换模块控制电子负载电阻由几兆欧变化至几十毫欧，实现截止到导通的过渡。过渡过程中，DSP实时对电子负载中电压和电流进行采样、数据处理，计算出太阳电池各参数值，将最大输出功率、最佳工作电流、最佳工作电压、填充因子、转换效率等参数在LCD上显示，并在LCD上绘制I-V曲线，完成整个测试过程。整个测试过程中，DSP控制各模块自动完成，测试时间短，测试结果准确、稳定。 

Claims (4)

1.一种太阳电池参数测试装置，包括模拟光源、参数测试仪和测试台，模拟光源位于测试台上方，测试台下方设有散热装置；其特征在于：

所述参数测试仪包括DSP、AD转换模块、DA转换模块、电子负载模块、显示模块、温度测试模块和光辐照度测试模块；

DSP与AD转换模块、DA转换模块、电子负载模块和显示模块电信号连接；电子负载模块输出的电信号、温度测试模块输出的电信号、光辐照度测试模块输出的电信号经AD转换模块采样，转换为数字信号送入DSP；DSP对AD转换模块、DA转换模块、电子负载模块和显示模块发出控制信号，对AD转换模块输出的数据进行处理，处理结果送至显示模块进行显示；

所述DSP根据AD转换模块输出的数据，计算标准条件下流经太阳电池的电流值I₀、标准条件下太阳电池两端的电压值V₀：

I₀＝I(E，T)+α(T₀-T)+γ(E₀-E)

V₀＝V(E，T)+β(T₀-T)+δ(E₀-E)

式中，T₀、E₀为标准条件下的温度和光辐照度，T、E为实测条件下的温度和光辐照度，I(E，T)、V(E，T)为实测的电流值和电压值，电流温度系数α为0.02(mA/cm²)/℃，电压温度系数β为-0.25mV/℃，电流光强系数γ为0.27(mA/cm²)/(mW/cm²)，电压光强系数δ为0.5mV/(mW/cm²)；

在得到的多组电压值V₀和电流值I₀的基础上，所述DSP计算出太阳电池的参数值：开路电压V_oc、短路电流I_sc、最大输出功率P_max、最佳工作电流I_mpp、最佳工作电压V_mpp、填充因子FF、转换效率η：

对多组电压值V₀和电流值I₀后进行数字滤波处理，进而进行曲线拟合和平滑处理，得到I₀-V₀曲线，I₀-V₀曲线与电压坐标轴和电流坐标轴的交 点分别为太阳电池开路电压V_oc、短路电流I_sc；

由多组电压值V₀和电流值I₀求得多组输出功率值P₀，将各输出功率值进行比较得出太阳电池最大输出功率P_max，其对应的电流值和电压值为最佳工作电流I_mpp和最佳工作电压V_mpp；

填充因子FF为： 

式中，最大输出功率P_max、开路电压V_oc、短路电流I_sc；

转换效率η为： 

式中，太阳电池的表面积s、入射到太阳电池上的光辐照度φ；

DA转换模块将DSP指令转化成对应的模拟电压以控制电子负载模块；

显示模块对DSP处理结果实时显示，包括温度、光辐照度、太阳电池各参数测试结果和I-V曲线。

2.如权利要求1所述的太阳电池参数测试装置，其特征在于：所述电子负载模块由集成运算放大器、继电器、电压信号放大电路、电流信号放大电路、采样电阻、VMOS管和补偿电源组成，VMOS管的漏极和源极分别通过补偿电源和采样电阻连接至待测太阳电池的两端构成主回路；采样电阻两端连接至电流放大电路，电流放大电路输出电信号IV连接至AD转换模块；待测太阳电池的两端连接至电压放大电路，电压放大电路输出电信号III连接至AD转换模块和集成运算放大器的一个输入端，集成运算放大器的另一个输入端II与DA转换模块的输出相连接，集成运算放大器的输出连接继电器的常闭端，集成运算放大器的输入端和输出端之间连接有反馈电阻；继电器的控制端I与DSP一个IO口连接，继电器的常开端接地，继电器的公共端与VMOS管的栅极连接。 

3.如权利要求1或2所述的太阳电池参数测试装置，其特征在于：

所述温度测试模块由基准源电路、电阻、可调电阻、温度传感器和放大电路组成，一个电阻和可调电阻构成桥式电路的一臂，另一个电阻和温度传感器构成桥式电路的另一臂，桥式电路由基准源电路供电，桥式电路的输出与放大电路连接，放大电路的输出端V送至AD转换模块进行采样处理。

4.如权利要求1或2所述的太阳电池参数测试装置，其特征在于：

所述光辐照度测试模块由前置放大电路、中间级电压放大电路和电压跟随器串联组成，前置放大电路由运算放大器、采样电阻和硅光电池构成，硅光电池两端连接至运算放大器的同相和反相输入端，运算放大器的同相输入端接地，采样电阻两端分别连接集成运放的反相输入端和输出端，运算放大器的输出端连接中间级电压放大电路输入端，电压跟随器的输出端VI连接至AD转换模块进行采样处理。 

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