CN102621469A

CN102621469A - 基于LabVIEW的太阳能电池及组件测试系统

Info

Publication number: CN102621469A
Application number: CN2012100949652A
Authority: CN
Inventors: 杨志刚; 任浩然; 田嘉彤
Original assignee: QINGHAI TIANPU SOLAR ENERGY CO Ltd
Current assignee: QINGHAI TIANPU SOLAR ENERGY CO Ltd
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明公开了一种基于LabVIEW的太阳能电池及组件测试系统，包括数据采集卡，数据采集卡与采样电阻相连接，采样电阻的一端分别与数据采集卡模拟输出端口中的一个端口和数据采集卡模拟输入端口中的一个端口相连接，采样电阻的另一端与数据采集卡输入端口中的另一个端口相接；数据采集卡的另外两个模拟输入端口分别与日照传感器的两端相连接；数据采集卡与计算机测试平台通过安装驱动程序后，经USB接口连接。本测试系统能将实测环境下的数据向标准条件转化，得到完整的太阳能电池I-V特性曲线，满足现场测试的要求。

Description

基于LabVIEW的太阳能电池及组件测试系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种半导体材料检测系统，特别涉及一种基于LabVIEW的太阳能电池及组件测试系统。

背景技术

[0002] 太阳能发电已成为新能源产业重要的方面之一。而太阳能电池是实现光电转换的最重要器件，其性能直接影响着太阳能发电系统的效率。因此，对太阳能电池的质量检测就显得尤为重要，需要建立一套能在较短时间内测出太阳能电池及组件的开路电压、短路电流及最大功率点，并能自动绘出其I-V特性曲线和计算出填充因子等表征太阳能电池性能优劣的参数的自动化测试系统。然而，目前国内外市场上使用的太阳能电池测试系统存在着以下问题：1)直接将太阳能电池与负载电阻相连接，通过改变负载电阻的阻值，得到太阳能电池的I-V特性。但实际电路中存在内阻，使得太阳能电池无法达到完全短路状态，因而该测试系统不能得到完整的太阳能电池I-V特性曲线。2)当采用可变功率电阻器作为太阳能电池的负载时，每次测量太阳能电池的I-V特性曲线都需要多次手动调节电阻阻值，导致测量数据点十分有限，且人为误差因素较高，费时费力。3)当采用可变电子负载作为太阳能电池的负载时，测试系统需要包括可变电子负载的主电路、驱动电路、采样电路、控制电路、通讯模块及保护电路等。造成系统硬件结构十分复杂，成本高，体积、质量庞大，不能满足现场测试条件的需要。4)测试系统不能实现多种测试环境(环境温度、光照强度）下太阳能电池性能的转换，因此只能在标准测试条件下测试待测太阳能电池的伏安特性，不能满足任意测试环境下现场测试的条件；使得测试系统中还应包含模拟标准条件下的光源器件，此模拟光源不仅会造成光谱等参数与真实的标准光源失配，而且增加了成本。5)由于数据采集单元本身的限制导致太阳能电池伏安特性曲线中测量点分辨率低、间隔较大，造成测试精度不高。

发明内容

[0003] 为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于LabVIEW的太阳能电池及组件测试系统，结构简单，测试精度高，能得到待测太阳能电池完整的i-v特性曲线，满足现场测试条件的要求。

[0004] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于LabVIEW的太阳能电池及组件测试系统，包括数据采集卡，数据采集卡与采样电阻相连接，采样电阻的一端分别与数据采集卡模拟输出端口中的一个端口和数据采集卡模拟输入端口中的一个端口相连接，采样电阻的另一端与数据采集卡输入端口中的另一个端口相接；数据采集卡的另外两个模拟输入端口分别与日照传感器的两端相连接；数据采集卡与计算机测试平台通过安装驱动程序后，经USB接口连接。

[0005] 该测试系统还包括温度计，用于测试环境温度，提供测试现场的温度值。

[0006] 计算机测试平台用于控制测试系统向待测太阳能电池及组件负载输出模拟电压，用于控制测试系统采集负载两端电压、电流信号，用于实时显示并保存实测环境下待测太阳能电池及组件负载的电压、电流数据，用于将实测数据转换至标准条件下并最终给出标准条件下I-V特性及曲线。

[0007] 本发明测试系统具有如下优点： I)采用基于惠斯通电桥的补偿法测试太阳能电池的负载特性，可真正实现负载由零向无穷大的变化过程，进而得到完整的太阳能电池I-V特性曲线。

[0008] 2)采用数据采集卡模拟输出电压信号的功能来模拟可变负载。由于数据采集卡的采样频率和数据精度高，且测试过程通过LabVIEW软件控制，可消除人为因素的干扰。

[0009] 3)由于本系统可在几秒钟内完成向待测太阳能电池外电路模拟电压信号的输出和数据采集的任务，近似可认为太阳光照没有发生变化，因而可以满足现场测试的要求。

[0010] 4)利用硅用太阳能电池的工程数学模型将实测环境下的数据向标准条件转化，并通过LabVIEW调用Matlab软件实现此功能，因而使得现场测试具有意义。

[0011] 5)在现场测试条件下可省去模拟标准光源的器件，因而不存在光谱失配的问题，也节约了系统的成本。

附图说明

[0012] 图I是本发明太阳能电池测试系统一种实施例的结构示意图。

[0013] 图2是本发明太阳能电池测试系统的流程图。

[0014] 图3是采用本发明测试系统对太阳能电池进行测试得到的电压变化曲线图。

[0015] 图4是采用本发明测试系统对太阳能电池进行测试得到的电流变化曲线图。

[0016] 图5是本发明测试系统对图3和图4所述太阳能电池进行测试后，将该太阳能电池参数自动转换到标准条件下并绘制的特性曲线与采用现有测试系统对该太阳能电池进行测试后在标准条件下绘制的特性曲线的对比图。

[0017] 图中，I.待测太阳能电池，2.采样电阻，3.数据采集卡，4.计算机测试平台，5.温度计，6.日照传感器。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0019] 现有太阳能电池测试系统中采用了负载电阻，测试时通过改变该负载电阻的阻值，得到太阳能电池的I-V特性曲线。但由于实际电路中存在内阻，使得太阳能电池无法达到完全短路状态，使得现有的测试系统不能得到完整的太阳能电池的I-V特性曲线。为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于LabVIEW的太阳能电池及组件测试系统，能够得到完整的太阳能电池I-V特性曲线。该测试系统一种实施例的结构如图I所示，包括数据采集卡3和温度计5，数据采集卡3与采样电阻2相连接，采样电阻2的一端分别与数据采集卡3的模拟输出端口 AOO和数据采集卡3的模拟输入端口 AI4相连接，采样电阻2的另一端与数据采集卡3的输入端口 AIO相接；数据采集卡3的另外两个模拟输入端口分别与日照传感器6的两端相连接，数据采集卡3与计算机测试平台4通过安装驱动程序后，经USB接口连接。

[0020] 计算机测试平台4用于控制测试系统向待测太阳能电池及组件负载输出模拟电压，控制测试系统采集负载两端电压、电流信号，实时显示并保存实测环境下待测太阳能电池及组件负载的电压、电流数据，将实测数据转换至标准条件下并最终给出标准条件下I-V 特性及曲线。

[0021] 实际应用时，由于数据采集卡3具有多个模拟输入端口 Al和多个模拟输出端口 A0,因此，采样电阻2的两端可以与该多个模拟输入端口 Al中的任意两个分别相连接，采样电阻2与数据采集卡3模拟输出端口 AO相连接的一端可以与该多个模拟输出端口 AO中的任意一个相连接。

[0022] 数据采集卡3采用美国NI公司生产的PCI-6221数据采集卡，该6221数据采集卡具有16个16位模拟输入端口、2个模拟输出端口，当输入电压的变化范围为土 10V，采样频率高达48KHz。使用6221数据采集卡的两路模拟电压输入端检测采样电阻2两端的电压信号；同时，使用6221数据采集卡的另外两路模拟电压输入端测量日照传感器6两端的开路电压信号，还使用6221数据采集卡的GND端口以及一路模拟电压输出端口 AO来模拟太阳能电池的可变负载。

[0023] 将采样电阻2与数据采集卡3模拟输入端口 AIO相接的一端与待测太阳能电池I 的正极相连接；由LabVIEW程序控制数据采集卡3以一定步长连续变化地输出电压信号，实现模拟一个可变负载的功能；利用数据采集卡3模拟输入的功能，将数据采集卡3模拟输入、输出端口的GND接线端口连接至太阳能电池I的负极，实现共地，以差分的方式测量待测太阳能电池I的电压值，并通过采样电阻2换算成电流值作为待测太阳能电池I的输出电流I。

[0024] 本发明测试系统通过LavVIEW中的移位寄存器实现测试需要的以0. OlK步长逐渐递增的电压模拟输出，初始化其循环次数N=O，通过等待时钟控制使得电压从起始电压递增到截止电压。采集模块同样使用等待时钟控制采样点的时间间隔，实现输入与输出同步。恰好满足每输出一个电压信号系统每采集一次的要求，实现传统测试电路中的可变负载功能。其流程如图2所示，当计算机测试平台4接收到用户发出的开始采集指令时，系统会自动初始化，清除以往测试遗留的数据。用户可根据待测太阳能电池I出厂时的开路电压设置需要数据采集卡3输出的最大工作电压，设置完毕后用户可通过启动采集按钮开启采集任务。数据采集卡3的一路模拟输出端便会依照用户设定的频率和电压步长向外电路输出电压信号，同时数据采集卡3的两路模拟输入端以相同频率分别采集待测太阳能电池负载两端的电压和电流信号，并在计算机测试平台4前面板实时地显示采集到的电压、电流信号值，同时，系统将采集到的数据整理保存到计算机硬盘空间中。每采集一次信号，系统会自动累加总采集次数，每一次新的采集开始前系统会自动判断总采集次数乘以采集步长是否超过用户设置的最大输出电压，如果没有超过用户设置的最大输出电压则继续下一次采集；如果超过用户设置的最大输出电压则停止本次采集任务。直到停止采集任务后，系统会自动读取上一步保存在计算机硬盘空间中的数据，并根据日照传感器6采集得到的日照强度数据和用户输入的温度计5读到的温度数据，结合硅用太阳能电池工程数学模型将实测数据在Matlab软件中转化到标准条件下。由于本系统无法自动采集温度，需要借助外部温度计实现温度测量，而采集所得温度是后续结合硅用太阳能电池工程数序模型实现标准化的充分条件之一，计算机因为不能自得知温度值，故需要用户根据温度计5读取的数据输入到计算机测试平台4的面板上，为后续标准化做准备。最终在计算机LabVIEW测试平台前面板中显示现场测试的待测太阳能电池在标准条件下的开路电压、短路电流、最大功率点处的电压、电流、填充因子这些参数并绘制、显示标准条件下的I-V特性曲线。

[0025] 本测试系统采用补偿法测试太阳能电池的伏安特性，克服了直接测量法不能得到完整的太阳能电池I-V特性曲线的缺点。基于惠斯通电桥的补偿测试法原理，通过数据采集卡3加入一个可变模拟输出电压可以实现待测太阳能电池负载由零向无穷大变化的过程，进而得到完整该待测太阳能电池I的伏安特性曲线。通过LabVIEW软件控制数据采集卡3输出连续变化的电压信号，该电压信号的变化范围则需要根据待测太阳能电池I的特性，即待测太阳能电池I的开路电压和短路电流来决定：

起始电压=一电池短路电流X采样电阻；

截止电压=电池的开路电压。

[0026] 本发明测试系统的硬件简单、体积和质量小，不仅可将现场实测的太阳能电池的1-V特性数据通过硅用太阳能电池的工程数学模型转化到标准条件下，满足现场测试的要求，而且不需要模拟标准光源的器件，因此没有光谱失配等问题，大大降低了系统的成本。

[0027] 本测试系统利用硅用太阳能电池工程数学模型的I-V特性曲线方程来实现上述向标准条件转化(忽略太阳能电池内阻)，该I-V特性曲线方程为：

其中，Ai?分别可由下式得到，

(I)式中，中短路电流/^、开路电压Koc、最大功率点处电流7®、最大功率点处电压Vm是现场测试条件下的参数，因此，需将实际测量的特性参数通过下面的一系列补偿公式转化为标准条件下的短路电流/my、开路电压Voc (r)、最大功率点处电流Im(r)、最大功率点处电压Vm (r)。

[0028]

其中，

[0029] 上述整个修正过程由Matlab软件读取由LabVIEW软件保存的数据文件开始，经过程序自动完成，使得本系统具有很高的自动化程度和可靠性。

[0030] 本发明系统中，LabVIEW软件实现了模拟可变负载、采集待测太阳能电池负载两端的电压、电流信号；采集日照强度传感器的开路电压；通过计算机LabVIEW测试平台前面板的采集窗口实时显示电压、电流信号并将现场测试条件下的数据保存到计算机的硬盘空间中。Matlab软件具有强大的数值计算能力，它结合硅用太阳能电池工程数学模型公式和 LabVIEW测试平台采集的日照强度传感器6的开路电压以及环境温度计算得到现场测试环境的日照强度；Matlab还通过LabVIEW保存在计算机的硬盘空间中的实测数据并结合硅用太阳能电池工程数学模型公式实现将待测太阳能电池在实测环境下的参数向标准条件转化的过程，并最终计算得到待测太阳能电池在标准条件下的开路电压、短路电流、最大功率点处的电压、电流、填充因子这些参数，绘制标准条件下的I-V特性曲线并送回LabVIEW 测试平台的前面板显示。

[0031] 本测试系统采用基于短路电流(Jsc)、开路电压(Voc)、最大功率点电压{Vm}和最大功率点电流0®)的硅用太阳能电池的工程数学模型，该模型可以依据现场测量的数据确定任意光照强度、温度条件下的特性参数，计算出待测太阳能电池I在不同光照强度、温度下的I-V特性曲线。因此，该测试系统通过实测环境下的待测太阳能电池I的I-V特性曲线，能够预估出待测太阳能电池I在标准测试环境下的I-V特性曲线，便于比较和分析太阳能电池的性能。

[0032] 根据日照传感器6 (标准太阳能电池)在标准条件下的开路电压Gjcjj以及利用温

度计5测得的环境温度可以下式并结合硅用太阳能电池工程数学模型式求得系统当前测试条件下的日照强度Ar m:、。

[0033]

日照传感器6利用数据采集卡3的一路电压输入端，得到日照传感器6的开路电压，并结合（10)式得到当前测试条件下的日照强度，其中计算过程是通过LabVIEW程序调用 Matlab脚本接口程序编写实现。[0034] 本测试系统能够在几秒钟内测试出现场测试环境的日照强度，显示和保存待测太阳能电池I的即时电压值和即时电流值，并通过Matlab数值运算，将现场测试环境下的待测太阳能电池I的输出特性转换到标准条件下，计算得出该待测太阳能电池I在标准条件下的开路电压、短路电流、最大功率点处的电压、电流值、填充因子、I-V特性曲线。不仅消除了人为因素的干扰，且由于LabVIEW软件可以控制本系统在几秒钟内完成，近似可认为太阳光没有发生变化，因此完全可以胜任现场测试的要求。保存并即时显示负载两端的电压

(R为采样电阻的阻值）曲线，本实例实测一组电压、

电流曲线，如图3和图4所示。

[0035] 本测试系统实现了实测环境向标准环境转换的太阳能电池I-V特性测试功能，并通过LabVIEW输出界面显示标准环境下太阳能电池的开路电压、短路电流、最大功率点处电压、电流值、填充因子以及I-V特性曲线。

[0036] 例如，一块太阳能电池出厂给出的标准条件下（25 Γ, lOOOr/®2)的开路电压为

4. 58V，短路电流为O. 02061A，工作电压3. 51V，工作电流O. 01747A ;使用一段时间后，采用本发明系统和现有太阳能测试系统分别对太阳能电池进行测试，并比较测试结果。

[0037] 首先，用户需要确定实际测试条件下的日照强度和环境温度。按照上述测试流程连接日照传感器，通过NI-PCI6221数据采集卡采集日照传感器两端的开路电压得到实测环境的日照强度；读取温度计示数可确定实测环境环境温度。

[0038] 按上述测试流程连接待测太阳能电池的外电路，用户通过LabVIEW测试平台初始化测试系统并根据待测电池出厂开路电压及实测条件设置6221数据采集卡输出的起始电压和截止电压。由于本实施例采用电阻值为100 Ω的采样电阻，故起始电压按照上述计算方法为-2K、截止电压为5K。设置完毕后用户可通过LabVIEW测试平台中“启动采集”按钮来开启本次采集任务。此时，电压显示窗和电流显示窗实时地显示采集到的待测太阳能电池负载两端的电压和电流值，如图3和图4所示。计算机硬盘空间中也实时地保存采集到的数据。待数据采集卡输出电压达到截止电压后，输出终止，本次采集任务完成。本实施例中，LabVIEW测试平台给出5组不同实测环境下待测太阳能电池的开路电压、短路电流、最大功率点处电压、电流值。

[0039] 采集任务完成后，Matlab会自动读取LabVIEW上一步中保存在计算机硬盘空间中的实测电压、电流数据，以及实测日照强度和环境温度，并结合硅用太阳能电池工程数学模型公式实现将待测太阳能电池在实测环境下的参数向标准条件转化的过程。最终，计算得至IJ待测太阳能电池在标准条件下的开路电压、短路电流、最大功率点处的电压、电流值以及填充因子。Matlab自动绘制标准条件下的Ι-v特性曲线并送回LabVIEW测试平台显示。

[0040] 本发明测试系统在不同实测环境下测得的待测太阳能电池的参数，如表I所示。

[0041] 表I本发明系统测得待测太阳能电池在5组不同实测环境下的参数

4

表I中，rr'r>为环境温度；,VUr )为日照强度；r..s •+r >为实测环境下的开路电压；CwO为实测环境下短路电流；I: (r )为实测环境下最大功率点处电压；j,,、hn..O 为实测环境下最大功率点处电流记；rtv. <；r )为标准条件下开路电压记；(mV为标准条件下短路电流；f:, 为标准条件下最大功率点处电压；L >为标准条件下最大功率点处电流。

[0042] 本发明测试系统绘制的实测太阳能电池参数转换到标准条件下的J-K特性曲线与采用现有测试系统在标准条件下（RV) =25，x.ur ：. =1000)对该太阳能电池进行测试得到的I-V特性曲线的对比图，如图5所示。

[0043] 现有测试系统在标准条件下对该太阳能电池测试的数据如下：开路电压为

4.50K、短路电流为20. 53W、最大功率点处的电压为3. 51 K、最大功率点处的电流17. 42

mA o

[0044] 图5显示，本发明测试系统在现场环境条件下测得的太阳能电池的性能参数与现有测试系统在标准条件下测得的同一块太阳能电池的性能参数的各项指标偏差均小于5%，吻合度较好。说明本发明测试系统不仅能满足现场测试的要求，而且能得到精度较高的数据。本发明测试系统可以将不同实测环境下待测太阳能电池的参数转换到标准条件下，克服了现有测试系统只能在室内标准光源的标准条件下测量的缺点，且本发明系统测试精度较高，与现有测试系统结果符合程度较高。

Claims

1. 一种基于LabVIEW的太阳能电池及组件测试系统，其特征在于，包括数据采集卡(3)，数据采集卡（3)与采样电阻（2)相连接，采样电阻（2)的一端分别与数据采集卡（3)模拟输出端口中的一个端口和数据采集卡（3 )模拟输入端口中的一个端口相连接，采样电阻(2)的另一端与数据采集卡（3)输入端口中的另一个端口相接；数据采集卡（3)的另外两个模拟输入端口分别与日照传感器（6)的两端相连接；数据采集卡（3)与计算机测试平台（4)通过安装驱动程序后，经USB接口连接。

2.按照权利要求I所述的测试系统，其特征在于，该测试系统还包括温度计（5)，用于测试环境温度，提供测试现场的温度值。

3.按照权利要求I所述的测试系统，其特征在于，所述的计算机测试平台（4)用于控制测试系统向待测太阳能电池及组件负载输出模拟电压，用于控制测试系统采集负载两端电压、电流信号，用于实时显示并保存实测环境下待测太阳能电池及组件负载的电压、电流数据，用于将实测数据转换至标准条件下并最终给出标准条件下I-V特性及曲线。