CN102445645A - 一种测量太阳电池特性的装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量太阳电池特性的装置及测试方法，其特征在于：R₁和R₂串联后与R_w和S并联，且R₁和R₂之间接地；被测太阳电池的正极与R_w的滑动臂联接，测太阳电池的负极联接运算放大器输入端的负极，运算放大器输入端的正极接地；电阻R_f并联于运算放大器输入端的负极和运算放大器输出端。本发明提出的一种测量太阳电池特性的装置及测试方法，通过简单的电子元件的组成将太阳电池的电压信号和电流信号进行测试，电路设计简单，方法便于实施。

Description

一种测量太阳电池特性的装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种测量太阳电池特性的装置及测试方法，能够便于在实验室进行快速有效的测量，属于太阳电池测试装置开发领域。

背景技术

太阳电池作为一种直接将太阳能转换为电能的器件，然而在制作太阳电池时选取的材料，制作工艺和外界环境等因素都会对该转换器件性能造成一定的影响，那么器件性能的优劣直接影响到太阳电池的转换效率的高低，因此通过器件的相关参数进行精确的测量是检验该器件的必经之路。

根据太阳电池的工作机理，通过设计外部电路来将太阳电池这一本质特性测量出来，伏安特性是太阳电池最主要的参数，直接反映了电池的输出功率，通过测试获得太阳电池的伏安特性曲线对于太阳电池的研制有重要的意义。

目前常用的测试途径有：一是利用电桥法，通过电压表和电流表的离散测量读点绘图得到较粗略的伏安曲线；二是利用专用的太阳电池测试设备。前者测试操作繁琐，测试速度慢，不能自动给出太阳电池I-V曲线，且精度低；后者虽然精度高，可实现全自动测量，但是设备价格昂贵，对于实验室使用不够现实。为了克服二者的缺点，实现太阳电池伏安特性的测量，

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种测量太阳电池特性的装置及测试方法，通过设计电路以及利用该装置进行的测试方法，对太阳电池特性进行精确度较高，廉价的，高效的测量。

技术方案

一种测量太阳电池特性的装置，其特征在于包括电阻R₁、R₂、R_w和R_f，还包括电源S和运算放大器；R₁和R₂串联后与R_w和S并联，且R₁和R₂之间接地；被测太阳电池的正极与R_w的滑动臂联接，测太阳电池的负极联接运算放大器输入端的负极，运算放大器输入端的正极接地；电阻R_f并联于运算放大器输入端的负极和运算放大器输出端；所述电阻R₁＝R₂。

所述电阻R_w为滑动变阻器，最大阻值为1000欧姆。

所述电阻R_f为滑动变阻器，最大阻值为500欧姆。

一种利用上述装置测量太阳电池特性的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：测量i次滑动变阻器R_f两端的电压V_Ii和太阳电池两端的电压V_i，根据公式V_Ii＝-I_i·R_f得到电流I_i；

步骤2：以电流值I作为纵坐标，电压值V_I作为横坐标，对每一次测量得到的电流值I_i和电压值V_Ii进行多项式曲线拟合，得到拟合曲线的方程：

I＝a1×V⁴+a2×V³+a3×V²+a4×V+a5

其中：V、I分别为电压和电流，a1～a5为拟合曲线方程的系数；

步骤3：解步骤2的曲线的方程，得到下列太阳电池的特性：

当令V＝0时，得到太阳电池特性短路电流I_sc＝I＝a5；

当令I＝0时，解0＝a1×V⁴+a2×V³+a3×V²+a4×V+a5方程，得到太阳电池特性开路电压V_oc＝V，

步骤4：根据公式FF＝(I×V)_max/(V_oc×I_sc)得到填充因子，其中：(I×V)_max根据下述步骤求得：

令M＝V×I＝a1×V⁵+a2×V⁴+a3×V³+a4×V²+a5×V，通过M对V求一阶导数，并令其导数为0，得到M的最大值：

M′＝5×a1×V⁴+4×a2×V³+3×a3×V²+2×a4×V+a5＝0

求解方程M′，将得到的V带入曲线拟合方程I＝a1×V4+a2×V³+a3×V²+a4×V+a5，计算曲线拟合方程得到I，得到M的最大值(I×V)_max。

步骤5：根据EFT＝(V_oc×I_sc×FF)/P_in得到太阳电池转换效率EFT，其中P_in为入射光功率。

有益效果

本发明提出的一种测量太阳电池特性的装置及测试方法，通过简单的电子元件的组成将太阳电池的电压信号和电流信号进行测试，电路设计简单，方法便于实施。如果将本装置与计算机进行结合，再利用matlab程序进行后台数据处理，则更能实现时间快，成本低，便于实验室的测量使用。

附图说明

图1：本发明的电路原理图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

测试装置的设计，目的在于获得太阳电池的输出电压和输出电流两路信号，通过由电源与电阻组成的可变有源负载来改变太阳电池的输出电压。由于数据采集卡只能采集电压信号，所以采用集成运放OP07来实现电流转换为电压。为了测量的精确选取可调电阻，使得测量信号在适当的范围之内。

根据设计好的测试电路将电子元件焊接在电路板，为了减少成本先采用导线将个元件在面包板上焊接起来，将待测的太阳电池接入电路。

附图1为本发明实施例1的电路设计图，其中包括由两个滑线变阻器R_w和R_f，电阻R_w为滑动变阻器，最大阻值为1000欧姆；电阻R_f为滑动变阻器，最大阻值为500欧姆。两个定值电阻R₁和R₂，R₁和R₂为500欧姆。一个运算放大器(OP07)，一个直流电源(给负载电路和OP07提供电源)模拟太阳光源和待测试的太阳电池。R₁和R₂串联后与R_w和S并联，且R₁和R₂之间接地；被测太阳电池的正极与R_w的滑动臂联接，测太阳电池的负极联接运算放大器输入端的负极，运算放大器输入端的正极接地；电阻R_f并联于运算放大器输入端的负极和运算放大器输出端。

在实验测试中，由于每次改变有源负载中R_w在很小的范围，所以太阳电池的输出信号相对稳定，经过多次测量之后掌握所测太阳电池的输出规律，调节R_f为一固定值，这里调节为240欧姆，电源S采用电压为18V的干电池。电池的输出电流I_i经过运放Op07转换为电压信号V_Ii，根据运放虚断和虚短特性有V_Ii＝-I_i·R_f。

利用上述装置测量太阳电池特性，按照如下步骤进行：

步骤1：测量i次滑动变阻器R_f两端的电压V_Ii和太阳电池两端的电压V_i，根据公式V_Ii＝-I_i·R_f得到电流I_i；

步骤2：以电流值I作为纵坐标，电压值V_I作为横坐标，对每一次测量得到的电流值I_i和电压值V_Ii进行多项式曲线拟合，得到拟合曲线的方程：

I＝a1×V⁴+a2×V³+a3×V²+a4×V+a5

其中：V、I分别为电压和电流，a1～a5为拟合曲线方程的系数；

步骤3：解步骤2的曲线的方程，得到下列太阳电池的特性：

当令V＝0时，得到太阳电池特性短路电流I_sc＝I＝a5；

当令I＝0时，解0＝a1×V⁴+a2×V³+a3×V²+a4×V+a5方程，得到太阳电池特性开路电压V_oc＝V，

步骤4：根据公式FF＝(I×V)_max/(V_oc×I_sc)得到填充因子，其中：(I×V)_max根据下述步骤求得：

令M＝V×I＝a1×V⁵+a2×V⁴+a3×V³+a4×V²+a5×V，通过M对V求一阶导数，并令其导数为0，得到M的最大值：

M′＝5×a1×V⁴+4×a2×V³+3×a3×V²+2×a4×V+a5＝0

求解方程M′，将得到的V带入曲线拟合方程I＝a1×V⁴+a2×V³+a3×V²+a4×V+a5，计算曲线拟合方程得到I，得到M的最大值(I×V)_max。

步骤5：根据EFT＝(V_oc×I_sc×FF)/P_in得到太阳电池转换效率EFT，其中P_in为入射光功率。

通过由电源与电阻组成的可变有源负载来改变太阳电池的输出电压。由于PCI1710L型号数据采集卡只能采集电压信号，所以需要将输出电流转换为电压信号。通过集成运算放大器Op07来实现电流电压之间的转换。电池的输出电压V通过S、R和R_w组成的可变有源负载来控制，通过调节R_w，可以实现太阳电池从反向偏压到正向偏压的连续变化。电池的输出电流I经过运放Op07转换为电压信号V_I，根据运放虚断和虚短特性有V_I＝-I·R_f。

在有源负载变化过程中，太阳电池输出电流的量级会发生较大的变化，所以改变R_f的大小可以得到不同量级的电压信号，通过改变R_f的大小使得输入到数据采集卡的信号幅值在适当的范围内，以确保采集的精确。在实验测试中，由于每次改变的有源负载中的R_w在很小的范围，所以太阳电池的输出信号相对稳定，经过多次测量之后掌握所测太阳电池的输出规律，我们就可以将调节R_f在一个适当的值保持不变，减小我们调节滑线变阻器的数目，更有利于掌握在调节有源负载电路时太阳电池从反向偏压到正向偏压变化影响下的输出规律。

Claims (4)

1.一种测量太阳电池特性的装置，其特征在于包括电阻R₁、R₂、R_w和R_f，还包括电源S和运算放大器；R₁和R₂串联后与R_w和S并联，且R₁和R₂之间接地；被测太阳电池的正极与R_w的滑动臂联接，测太阳电池的负极联接运算放大器输入端的负极，运算放大器输入端的正极接地；电阻R_f并联于运算放大器输入端的负极和运算放大器输出端；所述电阻R₁＝R₂。

2.根据权利要求1所述的测量太阳电池特性的装置，其特征在于：所述电阻R_w为滑动变阻器，最大阻值为1000欧姆。

3.根据权利要求1所述的测量太阳电池特性的装置，其特征在于：所述电阻R_f为滑动变阻器，最大阻值为500欧姆。

4.一种利用权利要求1～3所述任一种装置测量太阳电池特性的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：测量i次滑动变阻器R_f两端的电压V_Ii和太阳电池两端的电压V_i，根据公式V_Ii＝-I_i·R_f得到电流I_i；

步骤2：以电流值I作为纵坐标，电压值V_I作为横坐标，对每一次测量得到的电流值I_i和电压值V_Ii进行多项式曲线拟合，得到拟合曲线的方程：

I＝a1×V⁴+a2×V³+a3×V²+a4×V+a5

其中：V、I分别为电压和电流，a1～a5为拟合曲线方程的系数；

步骤3：解步骤2的曲线的方程，得到下列太阳电池的特性：

当令V＝0时，得到太阳电池特性短路电流I_sc＝I＝a5；

当令I＝0时，解0＝a1×V⁴+a2×V³+a3×V²+a4×V+a5方程，得到太阳电池特性开路电压V_oc＝V，

步骤4：根据公式FF＝(I×V)_max/(V_oc×I_sc)得到填充因子，其中：(I×V)_max根据下述步骤求得：

令M＝V×I＝a1×V⁵+a2×V⁴+a3×V³+a4×V²+a5×V，通过M对V求一阶导数，并令其导数为0，得到M的最大值：

M′＝5×a1×V⁴+4×a2×V³+3×a3×V²+2×a4×V+a5＝0

求解方程M′，将得到的V带入曲线拟合方程I＝a1×V⁴+a2×V³+a3×V²+a4×V+a5，计算曲线拟合方程得到I，得到M的最大值(I×V)_max。

步骤5：根据EFT＝(V_oc×I_sc×FF)/P_in得到太阳电池转换效率EFT，其中P_in为入射光功率。