CN102298110A - 太阳能电池电气特性的测量方法及装置 - Google Patents

太阳能电池电气特性的测量方法及装置 Download PDF

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赵泽
陈海明
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Abstract

本发明提供一种太阳能电池电气特性的测量方法,包括:步骤一、将待测太阳能电池与电子负载电连接,以组成电路;步骤二、利用控制单元改变电子负载的电阻值,以模拟所组成的电路从开路到短路的工作状态;和步骤三、在上述电阻值改变过程中,采集待测电池输出的电压值和电流值序列。还提供一种测量装置,包括:电子负载,适于为所述待测电池提供负载;电压采集单元,适于采集所述待测电池的电压;电流采集单元,适于采集所述待测电池的电流;和控制单元,适于向电子负载发送控制信号以改变电子负载的电阻,同时接收来自电压采集单元和电流采集单元的电压值和电流值。提高了测量效率、降低了误差,并且可以进行实时检测。

Description

太阳能电池电气特性的测量方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及太阳能电池测量技术,尤其涉及一种太阳能电池电气特性的测量方法
及装置。
背景技术
[0002] 目前,随着能源的日益紧张和污染的加剧,太阳能作为一种易于获取、能量密度高、无污染的绿色环保能源正在得到大规模的利用。太阳能电池是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的装置,其不需要复杂的大型设备,就可以具有相对大的功率发生效率。一般太阳能电池的转换效率大约为17%,在太阳直射的情况下单元面积能量密度大约为18mW/cm2。
[0003] 太阳能电池的研究和开发,不仅仅是太阳能电池的制造技术,而且所生产的太阳能电池的输出特性的评价技术也是非常重要。在太阳能电池产品中,太阳能电池的性能特征主要是其IV特性曲线,因此,在对太阳能电池产品进行测试和使用时,需要对太阳能电池产品输出的电流和电压进行测试。
[0004] 现在的一般做法是通过人力用很原始的方法如电流表、电压表进行测数。用人工检测会浪费很多时间,其次现在测试电流及电压参数的工具是万用表或者一些设备仪器等,其内部会有阻值,造成测试的结果不精确。而且,测量的数据一般通过人工记录,这样给测量工作带来很多不便。
[0005] 总之,现有技术中对太阳能电池电性能进行监测具有以下缺点;第一,检测效率低,误差大。第二,无法进行实时检测。
发明内容
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种太阳能电池电气特性的测量方法及装置,以解决现有技术中对太阳能电池的电气性能进行检测时效率低下的缺点。
[0007] 根据本发明的一个方面,提供一种太阳能电池电气特性的测量装置,包括:电子负载,与待测太阳能电池串联连接,适于为所述待测电池提供负载;电压采集单元,与待测电池并联连接,适于采集所述待测电池的电压;电流采集单元,与待测电池串联连接,适于采集所述待测电池的电流;和控制单元,分别与电子负载、电压采集单元和电流采集单元连接,适于向电子负载发送控制信号以改变电子负载的电阻,同时接收来自电压采集单元和电流采集单元的电压值和电流值。
[0008] 可选的,所述电子负载为N-MOSFET管;所述N-MOSFET管的漏极与所述待测电池的正极输出端连接,N-MOSFET管的源极与所述待测电池的负极输出端连接,N-MOSFET管的栅极与控制单元连接,适于接收来自控制单元的控制信号;所述控制信号为电压信号,取值范围是0到导通阈值电压,用于调节N-MOSFET管漏极与源极之间的导通电阻。
[0009] 可选的,所述电压采集单元包括:高精度电阻和与其连接的模数转换单元;所述高精度电阻适于将待测电池的电压分压调节到模数转换单元适合转换的输入电压范围内;所述模数转换单元与所述控制单元连接,适于向所述控制单元发送采集的电压,所述控制单元适于根据采集电压和实际电压对应关系计算得到实际的待测电池的输出电压。
[0010] 可选的,所述电流采集单元包括:依次连接的采样电阻、电流转换放大单元和模数转换单元;所述采样电阻在待测电池与电子负载之间串联;所述电流转换放大单元适于获取采样电阻两端的电流信号,并转化放大为电压信号;所述电压信号的范围为模数转换单元适合转换的输入电压范围;所述模数转换单元与所述控制单元连接,适于向所述控制单元发送转化的电压,所述控制单元适于根据转化电压和实际电流对应关系计算得到实际的待测电池的输出电流。
[0011] 可选的,所述控制单元为处理器;适于对接收的电压、电流数据进行存储和输出; 所述处理器还适于接收来自模数转换单元的电压值和电流值;所述模数转换单元包括处理器内部12位的逐次比较的AD转化器。
[0012] 可选的,所述控制单元还适于根据其所控制的电子负载相对应的接收到的电压值和电流值,计算或绘制I-V特性曲线。
[0013] 可选的,所述的测量装置还包括:环境检测单元,与控制单元连接,适于采集环境信息,并实时提供环境信息到控制单元;所述环境检测单元包括光照度传感器,温湿度传感器;所述控制单元还适于根据I-V特性曲线以及实时环境信息,计算所述待测电池在该环境下的最大输出功率值。
[0014] 根据本发明的另一个方面,提供一种太阳能电池电气特性的测量方法,包括:步骤一、将待测太阳能电池与电子负载电连接,以组成电路;步骤二、利用控制单元改变电子负载的电阻值,以模拟所组成的电路从开路到短路的工作状态;和步骤三、在上述电阻值改变过程中,采集待测电池输出的电压值和电流值序列。
[0015] 可选的,所述的测量方法,还包括在步骤三之后执行:步骤四、利用采集的电压值和电流值序列,绘制I-V特性曲线。
[0016] 可选的,所述电子负载为滑动变阻器、P-MOSFET管或N-MOSFET管。
[0017] 可选的,步骤二中改变电子负载的电阻值包括:为N-MOSFET管栅极提供0到导通阈值电压。
[0018] 可选的,所述的测量方法还包括:步骤五、通过得到的I-V特性曲线,计算所述电池的最大输出功率值。
[0019] 可选的,所述的测量方法还包括:步骤六、采集所述电池的环境信息,包括温度、湿度和光照强度信息,结合得到的I-V特性曲线,计算所述待测电池在该环境下的最大输出功率值。
[0020] 使用本发明提供的方法和设备测试,可以在2s左右的时间内测量出大约2000多个采样点的数据。极大的提高了测量效率、降低了误差,并且可以进行实时检测。
附图说明
[0021] 图1是本发明一个实施例中提供的太阳能电池电气特性的测量方法;
[0022] 图2是本发明一个实施例中提供的太阳能电池电气特性的测量装置;
[0023] 图3是本发明一个实施例中电子负载的实施结构图;
[0024] 图4是本发明另一个实施例中提供的太阳能电池电气特性的测量装置[0025] 图5是图4中电压采集单元的实施结构图;
[0026] 图6是图4中电流采集单元的实施结构图;
[0027] 图7是图4中电子负载的实施结构图。
具体实施方式
[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图,对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0029] 发明人通过实验发现,通过自动模拟电池负载变化过程,可以测量得到电池随负载变化的输出功率信息(电压和电流信息),包括太阳能电池的I-V特性曲线,尤其是开路电压、短路电流和最大功率输出点的电压值和电流值。从而可以自动测量太阳能电池的电气特性,继而可以保证太阳能电池板以最大功率输出能量。
[0030] 根据本发明的一个实施例,提供一种太阳能电池电气特性的测量方法。如图1所示,该测量方法包括:
[0031] S101,将待测电池与电子负载电连接,以组成电路;
[0032] S102,自动改变电子负载的电阻值,以模拟所组成的电路从开路到短路的工作状态;
[0033] S103,在上述电阻值改变过程中,采集待测电池输出的电压值和电流值;以及
[0034] S104,利用采集的电压值和电流值序列,绘制I-V特性曲线。
[0035] 其中,步骤SlOl中,电子负载为可以调节负载的电阻,例如滑动变阻器、PMOS管或 NMOS 管。
[0036] 优选的,本实施例中使用N-MOSFET管作为电子负载。不使用PMOS管的原因是:其控制电压一般需要负极性电压,一般不易产生负极的电压,就算可以产生,其需要的代价也比较高。不使用滑动变阻器的原因是需要选择合适功率的电阻值,而且大功率的电阻一般体积比较大,同时,其电阻的范围没有MOS管范围广,也没有其精度高。
[0037] 其中,步骤S102中,当模拟或真实的太阳能光源照射在待测的太阳能电池上,通过改变电子负载N-MOSFET管栅极电压,电子负载N-MOSFET管导通电阻R可从数百M Ω (截止)到0. 1 Ω (全导通)之间变化,将待测电池与电子负载相连,即可模拟太阳能电池从开路到短路的全部工作状态。另外,自动改变电子负载N-MOSFET管栅极电压可以通过将其与控制单元连接,由控制单元自动提供0到导通阈值电压到N-MOSFET管栅极;所述控制单元的详细描述请见下方实施例。
[0038] 进一步的,太阳能电池的输出特性与材料、PN结、光照度和温度有关。一般理论上认为,太阳能电池的I-V特性曲线为超越方程,其有很重要的两个参数:开路电压(V。。)和短路电流(Is。)。这两个参数决定太阳能电池输出的最大功率。在一定的光照下,太阳能电池 I-V特性曲线中存在一个点,这个点的电流和电压的乘积达到最大,能够使太阳能电池输出功率能够达到最大,这个点也称为太阳能电池最大输出功率点(MPP)。
[0039] 通过I-V特性曲线可以计算最大功率输出,通过设置太阳能电池为最大功率输出可以使系统能够最大化的利用太阳能。
[0040] 所述太阳能电池电气特性的测量方法还可以包括:[0041] S105,通过得到的I-V特性曲线,计算出所述电池的最大输出功率值。
[0042] 进一步的,由于太阳能电池其最大输出功率值与环境温度、湿度和光照强度都有关系。为了明确其最大输出功率所处的环境条件,所述太阳能电池电气特性的测量方法还可以包括:
[0043] S106,采集所述最大输出功率值对应的温度、湿度和光照强度信息,以计算出所述电池在该环境下的最大输出功率值。
[0044] 与上述方法相应的,根据本发明的一个实施例,提供一种太阳能电池电气特性的测量装置。如图2所示,该测量装置200包括:
[0045] 电子负载201、控制单元202、电压采集单元203和电流采集单元204。
[0046] 太阳能电池(即待测电池)101分别与电压采集单元203并联连接,与电流采集单元204和电子负载201串联连接;控制单元202分别与电子负载201、电压采集单元203和电流采集单元204连接,向电子负载201发送控制信号,同时接收来自电压采集单元203和电流采集单元204的电压值和电流值。
[0047] 所述电压采集单元203的作用是采集太阳能电池101输出的电压信息,电流采集单元204的作用是采集太阳能电池输出的电流信息,电子负载201作为被测太阳能电池101 的工作负载,可以使被测太阳能电池工作在不同的负载下,同时测出太阳能电池的工作电压和电流。
[0048] 本实施例的电子负载201的实施结构图如图3所示,所述的电子负载201的实现为N-MOSFET管,太阳能电池101的正极输出端与N-MOSFET管的漏极201D连接,太阳能电池的负极输出端与N-MOSFET管的源极连接,N-MOSFET管的栅极与控制单元202连接。通过控制单元202输出电压信号控制N-MOSFET管的栅极,可以调节N-MOSFET管漏极与源极之间的导通电阻,其导通电阻的阻值可从数百ΜΩ (截止)到0. 1Ω (全导通)之间变化,即可模拟太阳能电池101从开路到短路的全部工作状态,再对其产生的电压和电流通过电压采集单元203和电流采集单元204进行采样,可以得到一系类与负载相对应的电压值和电流值发送给控制单元202,最终由控制单元202绘制或计算待测电池101的I-V特性曲线。
[0049] 根据本发明的另一个实施例,提供一种太阳能电池电气特性的测量装置。如图4 所示,该测量装置300包括:
[0050] 电压采集单元102、电流采集单元103、电子负载104、模数转换单元105、数模转换单元106、控制单元107、数据输出单元108、环境检测单元109。
[0051] 太阳能电池101分别与电压采集单元102并联连接,与电流采集单元103和电子负载104串联连接。电压采集单元102和电流采集单元103分别与模数转换单元105连接。 电子负载104与数模转换单元106连接。所述控制单元107为处理器,所述处理器107分别与模数转换单元105、数模转换单元106、数据输出单元108、环境检测单元109通过相应接口连接。
[0052] 电压采集单元102的作用是采集太阳能电池输出的电压信息,如图5所示,本实施例中电压采样单元102使用高精度电阻201将太阳能电池电压分压调节到模数转换单元 105适合转换的输入电压范围内。分压的作用是将太阳能电池板的电压输出范围调节到模数转换单元105的测量电压范围内。之后处理器107再根据电压对应关系计算得到实际的太阳能电池板输出电压。[0053] 电流采集单元103的作用是采集太阳能电池输出的电流信息。如图6所示,本实施例中电流采样单元103的实施方式为在太阳能电池101与电子负载104之间串联采样电阻301,再将采样电阻301两端获取的电流信号送入电流转换放大单元302中转化放大为电压信号,其电压信号输出范围也应在模数转化模块的测量电压范围内,再将转换后的电压信号通过模数转换单元送入处理器107进行处理,处理器根据测量电压和实际电流的对应关系计算得到太阳能电池的输出电流值。
[0054] 电子负载104作为被测太阳能电池101的工作负载,可以使被测太阳能电池工作在不同的负载下,同时输出被测太阳能电池的工作电压和电流信号。本实例的电子负载的实施结构图如图7所示,所述的电子负载的实现为N-MOSFET管,太阳能电池的正极输出端与N-MOSFET管的漏极104D连接,太阳能电池的负极输出端与N-MOSFET管的源极104S 连接,N-MOSFET管的栅极104G与数模转换单元106的输出端连接。通过处理器107控制数模转换单元106输出电压信号,输出电压信号控制N-MOSFET管的栅极104G,可以调节 N-MOSFET管漏极104D与源极104S之间的导通电阻,其导通电阻的阻值可从数百ΜΩ (截止)到0. 1Ω (全导通)之间变化,即可模拟太阳能电池101从开路到短路的全部工作状态, 再对其产生的电压和电流通过电压采集单元102和电流采集单元103进行采样,再送到模数转换单元105进行转换。
[0055] 模数转换单元105是通过处理器107内部的模数转化单元实现的,处理器107内部有一个12位的逐次比较的AD转化器。通过对电压和电流信息的分析知道处理器107内部的模数转换单元可以满足系统数据采样的要求。
[0056] 数模转换单元106是通过独立的12位轨对轨数模转换芯片实现的,处理器107通过其数字接口控制其输出电压值。
[0057]处理器 107 通过一个微程序控制器(MCU, Microprogrammed ControlUnit)实现, 微程序控制器是将CPU、RAM、ROM、定时器、多种1/0接口和模数转化单元集成在一块芯片上,形成芯片级的计算机。
[0058] 处理器107需要对经过模数转化单元105处理的太阳能电池输出电流和输出电压进行一系列的处理,在本实施例中,处理器107主要实现对电压电流数据的存储、输出和跟踪最大功率输出等功能。
[0059] 测量最大功率输出主要目的使系统能够最大化的利用太阳能,寻找太阳能电池最大功率有很多方法,经过对电压电流数据的分析以及对多种算法的分析、实践比较。在本领域的普通技术人员都应当理解,很多可以寻找最大功率输出点的算法都可以应用到本发明中的。
[0060] 数据输出单元108输出系统相关信息,包括环境温度、湿度、光照度等信息和太阳能电池IV特性曲线波形、开路电压、短路电流和最大功率输出点(MPP)信息等。
[0061] 环境检测单元109的作用是实时提供检测测量环境信息,在本实施例中包括光照度传感器1091和温湿度传感器1092。
[0062] 光照度传感器1091的作用是实时测量和提供环境光照度信息,并且为跟踪太阳能电池最大功率输出提供信息;温湿度传感器1092的作用是实时测量和提供环境温度和湿度信息。
[0063] 本领域的技术人员可以理解,本实施例中所述的模数转换单元是通过处理器内部的模数转化单元实现的,在其他实施例中也可以是通过处理器外部的模数转化单元实现, 或者如果电流采集单元和电压采集单元可以直接提供数字输出,则不需要模数转换单元。
[0064] 本领域的技术人员可以理解,上述实施例中所述的数据输出单元可采用液晶输出或数码管输出、打印输出、无线传输方式或有线传输方式或存储介质拷贝方式或者以上几种方式的任意组合或者任意可以进行信息输出的方式。
[0065] 应该注意到并理解,在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下,能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此,要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims (13)

1. 一种太阳能电池电气特性的测量装置,包括:电子负载,与待测太阳能电池串联连接,适于为所述待测电池提供负载;电压采集单元,与待测电池并联连接,适于采集所述待测电池的电压;电流采集单元,与待测电池串联连接,适于采集所述待测电池的电流;和控制单元,分别与电子负载、电压采集单元和电流采集单元连接,适于向电子负载发送控制信号以改变电子负载的电阻,同时接收来自电压采集单元和电流采集单元的电压值和电流值。
2.根据权利要求1所述的测量装置,所述电子负载为N-MOSFET管;所述N-MOSFET管的漏极与所述待测电池的正极输出端连接,N-MOSFET管的源极与所述待测电池的负极输出端连接,N-MOSFET管的栅极与控制单元连接,适于接收来自控制单元的控制信号;所述控制信号为电压信号,取值范围是0到导通阈值电压,用于调节 N-MOSFET管漏极与源极之间的导通电阻。
3.根据权利要求1所述的测量装置,所述电压采集单元包括:高精度电阻和与其连接的模数转换单元;所述高精度电阻适于将待测电池的电压分压调节到模数转换单元适合转换的输入电压范围内;所述模数转换单元与所述控制单元连接,适于向所述控制单元发送采集的电压,所述控制单元适于根据采集电压和实际电压对应关系计算得到实际的待测电池的输出电压。
4.根据权利要求1所述的测量装置,所述电流采集单元包括:依次连接的采样电阻、电流转换放大单元和模数转换单元;所述采样电阻在待测电池与电子负载之间串联;所述电流转换放大单元适于获取采样电阻两端的电流信号,并转化放大为电压信号; 所述电压信号的范围为模数转换单元适合转换的输入电压范围;所述模数转换单元与所述控制单元连接,适于向所述控制单元发送转化的电压,所述控制单元适于根据转化电压和实际电流对应关系计算得到实际的待测电池的输出电流。
5.根据权利要求3或4所述的测量装置,所述控制单元为处理器;适于对接收的电压、电流数据进行存储和输出;所述处理器还适于接收来自模数转换单元的电压值和电流值;所述模数转换单元包括处理器内部12 位的逐次比较的AD转化器。
6.根据权利要求1所述的测量装置,所述控制单元还适于根据其所控制的电子负载相对应的接收到的电压值和电流值,计算或绘制I-V特性曲线。
7.根据权利要求6所述的测量装置,还包括:环境检测单元,与控制单元连接,适于采集环境信息,并实时提供环境信息到控制单元;所述环境检测单元包括光照度传感器,温湿度传感器;所述控制单元还适于根据I-V特性曲线以及实时环境信息,计算所述待测电池在该环境下的最大输出功率值。
8. 一种太阳能电池电气特性的测量方法,包括:步骤一、将待测太阳能电池与电子负载电连接,以组成电路;步骤二、利用控制单元改变电子负载的电阻值,以模拟所组成的电路从开路到短路的工作状态;和步骤三、在上述电阻值改变过程中,采集待测电池输出的电压值和电流值序列。
9.根据权利要求8所述的测量方法,还包括在步骤三之后执行: 步骤四、利用采集的电压值和电流值序列,绘制I-V特性曲线。
10.根据权利要求8或9所述的测量方法,所述电子负载为滑动变阻器、P-MOSFET管或 N-MOSFET 管。
11.根据权利要求10所述的测量方法,步骤二中改变电子负载的电阻值包括: 为N-MOSFET管栅极提供0到导通阈值电压。
12.根据权利要求11所述的测量方法,还包括:步骤五、通过得到的I-V特性曲线,计算所述电池的最大输出功率值。
13.根据权利要求12所述的测量方法,还包括:步骤六、采集所述电池的环境信息,包括温度、湿度和光照强度信息,结合得到的I-V 特性曲线,计算所述待测电池在该环境下的最大输出功率值。
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