CN103207363B - 一种测量太阳电池参数的仪器 - Google Patents

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Abstract

一种测量太阳电池参数的仪器,用于测量太阳电池的光生电流、反向饱和电流、二极管影响因子、串联电阻、并联电阻、短路电流、开路电压、最大输出功率、最佳工作电压、最佳工作电流、填充因子和IV曲线这十二个参数。本仪器主要包含DSP、电子负载模块、电流采集模块、电压采集模块、滤波模块和DA转换模块。本发明中,DSP的使用使其摆脱了对PC机的依赖,为提高参数测量精度,采用恒压、恒流两种电子负载,电压、电流采集模块均设有两个量程,并采用变频采样技术。

Description

-种测量太阳电池参数的仪器
技术领域
[0001] 本发明设及一种测量仪器,尤其设及一种测量太阳电池参数的仪器。
背景技术
[0002] 太阳能电池参数是衡量太阳电池品质优劣的重要依据,是衡量光电转换效率的 的具体目标,对太阳电池的参数进行精确测量意义重大。目前,太阳电池参数测试仪多是 基于PC机,如西安交通大学开发的JDSGC-8/9系列太阳电池检测仪,运种装置设备体积庞 大、且成本高,不适于大规模批量电池的测试使用,还有如基于UbVIEW的太阳能电池及组 件测试系统[杨志刚等,一种基于UbVIEW的太阳能电池及组件测试系统,发明专利号: CN102621469A],虽然结构较为简单,但其数据处理及图像显示部分仍在PC机上完成。便携 式太阳电池参数提取设备还处于大量空白,已知有W DSP为核屯、的太阳电池参数测试装置 [黎步银等,一种太阳电池参数测试装置,发明专利号:CN101551437B],该发明中的太阳电 池参数测试仪采用DSP处理作为控制核屯、,该装置结构简单,成功摆脱了对PC机的依赖,但 其获取参数少,且参数测量精度较低。
发明内容
[0003] 为了克服现有便携式太阳电池参数测量装置参数测量不全,精度较低的缺点,本 发明提供了一种拥有较高精度W及全面参数测量的便携式太阳电池参数提取设备,同时又 有操作简单、体积小、功耗低的特点。
[0004] 为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种测量太阳电池参数的仪 器,包括DSP、电子负载模块、电流采集模块、电压采集模块、显示模块、键盘输入模块、存储 模块和DAC模块,其中ADC模块采用DSP内置的AD忍片;DSP与电流采集模块、电压采集模 块、显示模块、键盘输入模块、存储模块和DAC模块相连接,电子负载模块经电流、电压采集 模块输出电压和电流信号,送入DSP,经DSP内置的ADC模块采样,转换为数字信号,对转换 后的数字量作滤波后,可将多组电流、电压值存入存储器;DSP对电子负载模块、显示模块、 存储模块和DAC模块在发出控制信号;对滤波后的多组电流、电压值作运算处理,处理结果 送至显示模块。
[0005] 为获得更高的参数测量精度,采取W下措施:
[0006] -、在电压、电流采集模块中设计量程选择电路,各设有两个量程,可依据太阳电 池输出电压范围进行选择,运样可W提高AD转换后的精度;
[0007] 二、采用变频采样,采样过程分=个阶段:第一阶段,当电压小于开路电压的69% 时,电压变化较大,电流变化缓慢,采样频率设为F1,Fl为0. 7MHz ;第二阶段为电压位于开 路电压的69%到93%之间时,电压和电流变化剧烈,IV曲线变化较大,需要提高采样频率, 采样频率设为F2=F1*4 ;第S阶段为电压大于开路电压的93%时,电压变化较慢,电流变化 较大。采样频率设为F3=F1*2;
[0008] =、采用恒压、恒流两种电子负载,W提高整体的采集精度。
[0009] 为获得全面的参数值,编程实现太阳电池的Iph-光生电流、I。-反向饱和电流、 n-二极管影响因子、R,-串联电阻、心-并联电阻、Is。-短路电流、V。。-开路电压、Pm。点大输 出功率、Vm-最佳工作电压、Im-最佳工作电流、FF-填充因子和I-V曲线运十二个参数的求 解,其求解方法如下:
[0010] 对恒流型负载采集的电压电流数据作AD转换后,将得到的电压值和电流值分别 进行数字滤波处理,进而将得到的多组电压值V和电流值I相乘得各点的功率值P,将各 功率点进行比较得最大功率值Pm。、,其对应的电压值和电流值分别为最佳工作电压Vm和最 佳工作电流Im,取I接近零的一些点用最小二乘法作直线拟合得到其I=O时电压值开路 电压V。。,及其斜率值的倒数Ki;同理,对恒压型电子负载采集的电压电流数据作AD转换和 数字滤波处理后,得多组电压值V和电流值I,进而将得到的多组电压电流值输出到显示 模块上得到I-V曲线,取I-V曲线上靠近V=O处的一些点的做线性拟合得到其斜率值的 倒数Ky及其与电流坐标轴的交点值短路电流IW,并由W下公式可求得其他各参数的值:
Figure CN103207363BD00051
[0016] 本发明的有益效果是,测量参数全面,精度高,并且在保证精确、全面的参数测量 的同时又有体积小,功耗低的特优点,便于携带,而且造价低廉,其工作的功耗降至每小时 2W-下,使用12-2200m址格式裡电池电池可W保证在户外连续工作11小时W上。
附图说明
[0017] 图1是设备系统框图。
[0018] 图2是电子负载与电压采集模块电路图。
[0019] 图3是大量程电流采集电路图。
[0020] 图4是电流量程选择与小量程电流采集电路图。
[0021] 图5参数计算流程图。
[0022] 图6设备的软件设计流程。
具体实施方式
[002引如图1所示,一种测量太阳电池参数的仪器,ADC模块7采用DSP处理器10内置 的ADC模块7 ;DSP处理器10与电流采集模块4、电压采集模块5、显示模块6、键盘输入模块 8、存储模块9和DAC模块3相连接,电子负载模块2经电流、电压采集模块输出电压和电流 信号,送入DSP处理器10,经DSP处理器7内置的ADC模块采样,转换为数字信号;DSP处理 器对电子负载模块、显示模块、存储模块9和DAC模块3在发出控制信号,对转换后的数字 量作滤波和计算处理后,处理结果送至显示模块,由DSP控制负载模块,使其分别工作在恒 压负载与恒流负载模式下,在两个模式下分别采集电压电流数据。采集过程为,首先由太阳 电1给电子负载供电;然后DSP忍片通过DAC模块将电压控制信号传输到电子负载模块,控 制太阳电池的输出电压,从而使负载工作在不同工作点;再通过电流、电压采集模块分别采 集得负载上的电流、电压值,并送入DSP,经DSP内置的ADC模块采样,转换为数字信号;最 后对AD转换后的数字化的电压、电流值在DSP中进行数字滤波,将滤波后的恒压电子负载 采集的电压电流值输出到显示模块,显示出I-V曲线,对滤波后的恒流恒压负载模块采集 的多组电流、电压值进行运算处理可得其余十一个参数的值,进而在显示模块中显示出来, DSP忍片附属的存储模块用于存储多组电流、电压值,键盘输入模块用于控制DSP中程序的 执行。
[0024] 此发明软件部分包括测试程序、显示程序、写存储程序、读存储程序和参数计算程 序,由按键输入控制它的执行。
[002引如图2所示,电路包括电子负载模块和电压采集模块,电子负载模块又分为恒压 型电子负载、恒流型电子负载和模块选择电路。
[0026] 电压采集电路主要由两个S极管(Q4、Q8)、两个MOS阳T(Q3、Q7)和四个电阻(R6、 R8、R17、R16)组成,MOS阳TQ3、Q7可采用2N700X,电阻R6、R8、R17依次串联接于太阳电池 输出端,其中电阻R6接于太阳电池正向输出端,电阻R17接地,运=个电阻的阻值都很大 只起分压的作用,用来采集电压信号,而对流经电子负载的电流影响非常微小,电阻R16的 一端接电阻R6与电阻R8的连接点,另一端引出电压信号。VRC3为量程选择端,VRC3接低 电平时,S极管Q4导通M0SFETQ3截止,R8与R17之间的节点接地,采集的电压为太阳电 池输出电压的R8/(R6+R8)倍,由于DSP中的内置AD忍片参考电压为3. 3V,所W此时量程 为0-3. 3(R6+R8)/R8V;VRC3接高电平时,MOS阳TQ3导通S极管Q4截止,此时采集电压 为太阳电池输出电压的(R8+R17)/(R6+R8+R17)倍,同理知此时量程为0-(R6+R8+R17)/ (R8+R17)V。实际中,可根据系统电压测量的量程调整运S个电阻的阻值比W提高测量的 精度。
[0027] 恒压型电子负载主要由五个电阻(35、1?7、1?10、1?14、1?15)、两个版)5阳1'(95、96)和 和一个运算放大器(0P37)组成,MOS阳TQ5、Q6可采用IRF540,运算放大器的反向输入端接 DA忍片输出端,正向输入端接于电阻R5与R7之间,电阻R5、R7、RlO依次串联接于太阳电池 两输出端,其中,太阳电池的负端接地,电阻R5接于太阳电池正向输出端,M0SFETQ5、Q6的 栅极分别与电阻R10、R14连接,源极均接于太阳电池正向输出端,漏极相连引出电流信号, 电阻RIO、R14的另一端均与运算放大器输出端相连,选用0--3. 3 (R6+R8) /R8V量程,VRCl为低电平,VRC2为高电平时,其两端的电压稳定在巧5+R7)/R7*V;选用0-(R6+R8+R17)/ (R8+R17)V量程时,电子负载两端电压则稳定在巧5+R7+R15)/巧7+R15)*V,V为运算放大 器的反相输入端的电压值。
[0028] 恒流型电子负载主要由S个电阻(331、1?32、1?33)、两个版)5阳1'(99、910)和一个运 算放大器(0P37)组成,MOS阳TQ9、QlO可采用IRF540,运算放大器的正向输入端接DA忍片 输出端,反向输入端与电阻R33化及M0SFETQ9、QlO的漏极相连,电阻R33的另一端引出电 流信号,R31、R32 -端依次分别与M0SFETQ9、QlO的栅极相连,另一端接于元算放大器的输 出端,其中,太阳电池的负端接地,电阻R5接于太阳电池正向输出端,VRCl为高电平,VRC2 为低电平时,太阳电池输出电流将稳定在VyR33。
[0029] 模块选择电路由四个电阻(R34、R35、R36、R37)、两个MOS阳T(Ql1、Ql2)和两个S 极管(Q13、Q14)组成,其中电阻R34、R36的一端分别与VRCl和VRC2相连,另一端分别与 S极管Q13、Q14的基极相连,电阻R35、R37的一端接地,另一端分别与S极管Q14集电极 MOS阳TQll栅极的连接点和S极管Q13集电极MOS阳TQ12栅极的连接点相连,MOS阳TQll、 Q12的源极分别相连并接于太阳电池的正向输出端,=极管Q13、Q14的发射极均接于地, VRCl为高电平,VRC2为低电平时恒流型电子负载接通,反之,则恒压型电子负载接通。
[0030] 如图3所示,大量程电流采集电路主要由一个线形电流传感器(ACS712)、一个运 算放大器(LM358 )和五个电阻(R22、R23、R26、R28、R29 )组成,线形电流传感器采用ACS712, 其基本工作原理为霍尔效应,W电压的形式输出一定倍数的流经他它的电流值,而且内阻 (正反向输入端间)只有1. 2毫欧;线形电流传感器正向输入端接M0SFETQ5、Q6的漏极,弓I 入负载上的电流,并由反向输入端流出,电阻R22跨接在线形电流传感器输出端与运算放 大器反向输入端之间,电阻R26跨接于运算放大器反向输入与输出端之间,电阻R28、R29大 小相等串联接于5V电源的正负极,从两电阻间引出2. 5V电压接于运算放大器正向输入端, 此电流采集电路的量程为0-2. 5R26/5R22, 5为线形电流传感器的输出灵敏度。
[0031] 如图4所示,小量程电流采集电路主要由一个运算放大器(0P27)和S个电阻(R9、 R12、R13)组成,其中电阻R9的一端接运放正向输入端和图3中线形电流传感器ACS712的 反向输入端,另一端接地;电阻R12、R13串联,其中电阻R12的另一端接地,电阻Rl3的另一 端接运放输出端,R12与R13之间的连接点接至运放的反向输输入端,其量程为0-3. 3R12/ (R^+R13)R9A,为减小电阻R9对输出电流的影响,电阻R9应尽可能小。
[0032] 电流量程选择电路主要由一个S极管(Q1),一个MOS阳T(Q2)和两个电阻(R3、 R15)组成,其中MOS阳T可采用IRF530,CRC接高电平时,S极管Ql导通MOS阳TQ2截止,小 量程电流采集电路正常工作;CRC接低电平时,S极管Ql截止M0SFETQ2导通电阻R9被短 路,小量程电流采集电路无输出。
[0033] 图3和图4 一起组成电流采集模块。
[0034] 图2、图3、图4中的二极管均起保护作用,保证输出电压在0-3. 3V之间,电容起 滤波的作用,使电路能有更稳定的输出。
[0035] 如图5所示,对通过恒流型负载采集进行数字滤波处理后的电流值I、电压值V相 乘得各点的功率值P,将各功率点进行比较得最大功率值Pm。、,其对应的电压值和电流值分 别为最佳工作电压Vm和最佳工作电流Im,取I接近零的一些点用最小二乘法作直线拟合得 到其I=O时电压值开路电压V。。,及其斜率值的倒数Ki;同理,对恒压型电子负载采集的数据 数字滤波处理后,得多组电压值V和电流值I,进而将得到的多组电压电流值输出到显示模 块上得到I-V曲线,取I-V曲线上靠近V=O处的一些点的做线性拟合得到其斜率值的倒数 Kv及其与电流坐标轴的交点值短路电流IS。,最后,由乂">、1">、15。、1^、、¥。。、町的值,结合公式(1) (2) (3) (4) (5)(6)求出其余六个参数Iph-光生电流、I。-反向饱和电流、n-二极管影响 因子、V串联电阻、Rsh-并联电阻和FF-填充因子,并退出函数。
[0036] 如图6所示,为本设备工作的软件设计流程,首先,连接好太阳电池,接通电源,选 择开始,系统进入初始化。由控制按键的触发信号选择电源和电流量程,确认采集开始后, 数据经AD转换后,经数字滤波被采集并储存。系统显示IV曲线,确认数据处理后,系统调用 数据并使用数据处理子程序处理,否则清除数据,重新返回量程选择程序,处理结果别送至 显示器并被显示.为了减少内存占用,用户可W按照需求选择是否擦除数据W节省内存, 也可W翻看历史数据和处理结果。
[0037] 仪器测试流程如下:接通电源,根据需求选择量程,按下数据采集键,得到滤波后 的数据并确定是否保存,按下显示键显示I-V曲线,按下参数计算键,参数值将自动在显示 屏上显示。

Claims (6)

1. 一种测量太阳电池参数的仪器,包括DSP处理器、电流采集模块、电压采集模块、显 示模块、键盘输入模块、存储模块、DAC模块和电子负载模块,其中电子负载模块由恒压型电 子负载、恒流型电子负载和负载选择电路组成,其特征是:ADC模块采用DSP处理器内置的 ADC模块;DSP处理器与电流采集模块、电压采集模块、显示模块、键盘输入模块、存储模块 和DAC模块相连接,电子负载模块经电流、电压采集模块输出电流和电压信号,送入DSP处 理器,经DSP处理器内置的ADC模块采样,转换为数字信号;DSP处理器对电子负载模块、显 示模块、存储模块和DAC模块在发出控制信号,对转换后的数字量作滤波和计算处理后,处 理结果送至显示模块。
2. 根据权利要求1所述的一种测量太阳电池参数的仪器,其特征在于:所述的电压采 集模块由两个Ξ极管Q4、Q8,两个MOS阳TQ3、Q7,和四个电阻R6、R8、R17、R16组成,电阻R6、 R8、R17依次串联接于太阳电池输出端,其中电阻R6接于太阳电池正向输出端,电阻R17接 地,电阻R16的一端接电阻R6与R8之间的连接点,另一端引出电压信号;VRC为量程选择 端,VRC接低电平时,Ξ极管Q4导通,M0SFETQ3截止,电阻R8与R17之间的节点接地,采集 的电压为太阳电池输出电压的R8/(R6+R8)倍;VRC接高电平时,M0SFETQ3导通,Ξ极管Q4 截止,此时采集电压为太阳电池输出电压的(R8+R17) / (R6+R8+R17)倍。
3. 根据权利要求1所述一种测量太阳电池参数的仪器,其特征在于:所述的恒流型电 子负载主要由Ξ个电阻R31、R32、R33,两个MOS阳TQ9、Q10,和一个运算放大器组成,运算放 大器的正向输入端接DAC模块输出端,反向输入端与电阻R33W及M0SFETQ9、Q10的漏极相 连,电阻R33的另一端引出电流信号,R3UR32 -端依次分别与MOS阳TQ9、Q10的栅极相连, 另一端接于运算放大器的输出端。
4. 根据权利要求1所述一种测量太阳电池参数的仪器,其特征在于:所述的恒压型电 子负载模块主要由五个电阻R5、R7、R10、R14、R15,两个MOS阳TQ5、Q6,和一个运算放大器组 成,运算放大器的反向输入端接DAC模块输出端,正向输入端接于电阻R5与R7之间,电阻 R5、R7、R10依次串联接于太阳电池两输出端,其中,太阳电池的负端接地,电阻R5接于太 阳电池正向输出端,MOS阳TQ5、Q6的栅极分别与电阻R10、R14连接,源极均接于太阳电池正 向输出端,电阻R10、R14的另一端均与运算放大器输出端相连。
5. 根据权利要求1所述一种测量太阳电池参数的仪器,其特征在于:所述的负载选择 电路由四个电阻R34、R35、R36、R37,两个MOS阳TQ11、Q12,和两个Ξ极管Q13、Q14组成,其 中电阻R34、R36的一端分别与Ξ极管Q13、Q14的基极相连,电阻R35、R37的一端接地,另 一端分别与Ξ极管Q14集电极和M0SFETQ11栅极的连接点、Ξ极管Q13集电极和M0SFETQ12 栅极的连接点相连,M0SFETQ1UQ12的源极分别相连并接于太阳电池的正向输出端,Ξ极管 Q13、Q14的发射极均接地。
6. 根据权利要求1所述一种测量太阳电池参数的仪器,其特征在于:所述的参数计算 程序主要流程如下: 通过恒压型负载采集的电流值I、电压值V得各点的功率值P,将各功率值进行比较得 最大功率值Pm。、,其对应的电压值和电流值分别为最佳工作电压Vm和最佳工作电流Im; 取I-V曲线上靠近V=〇处的一些点作线性拟合得到其与电流坐标轴的交点值短路电流Is。,及其斜率值的倒数Ky,同理,取靠近1=0处的一些点作线性拟合得到其与电压坐标轴的 交点值开路电压V。。,其斜率值的倒数Ki; 由Vm、Im、Iw、Ky、V"e、Ki的值,根据如下六个公式求出其余六个参数Iph-光生电流、I。-反 向饱和电流、η-二极管影响因子、氏-串联电阻、Rgh-并联电阻和FF-填充因子,并退出函 数;
Figure CN103207363BC00031
W上式中Vth是热电压常数。
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