CN112821867A - 一种硅半导体太阳能电池参数测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种硅半导体太阳能电池参数测量仪，利用LM358制作的A/D前端电路用于控制输入信号能够在A/D模块检测范围内；利用继电器模块制作的可编程电阻充当A/D前端电路的负载，连续线性的变化从而精准测量参数；LCD屏幕显示太阳能电池的参数以及触屏控制单片机工作模式；在STM32F407芯片里完成电压电流的测量，实时计算电池在不同负载情况下的输出功率，绘制出电流‑电压曲线和功率‑电压曲线、获得最大功率点的同时计算得到填充因子。该测量仪利用现代电子技术和先进单片机技术实现太阳能电池输出功率的智能化计算及最大功率点的自动化搜寻，具有测量精度高、测速快、结果直观、成本低、实验效率高等优点。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种硅半导体太阳能电池参数测量仪。
背景技术
两次工业革命以后，煤、石油、天然气等化石燃料相继被广泛地应用到生产生活的各个方面。然而，这些都是传统的不可再生能源，长期无限制地使用不仅会造成全球能源危机还会带来较为严重的环境污染问题。因此，开发储量巨大、清洁、无污染的可再生能源已经成为当今社会的共识。
与常规能源相比，太阳能具有三大优势：其一、它是人类可以利用的最丰富的能源；其二、在地球上，只要有光照的地方都有太阳能，这样我们就可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对于交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有实用价值；其三、太阳能是一种十分清洁的能源，在开发和利用太阳能时，不会产生废渣、废水和废气，也没有噪音，更不会出现污染大气、影响生态平衡等环境问题。因此，太阳能是一种具有理想的推广应用前景的新能源，研究和开发太阳能，对于我们人类今后的生产、生活乃至生存，都具有十分重要的意义。
太阳能电池是太阳能应用的重要形式之一，太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体叠层，它只要被满足一定照度条件的光照射到，就可输出电压并在有回路的情况下产生电流，在物理学上称为太阳能光伏效应。太阳能电池发电一般基于光-电直接转换形式，表征和测试太阳能电池的性能对太阳能电池的实际运用起到较好的指导作用，但是在现有技术中还没有较为方便、测速快且测量结果精度较高的太阳能电池参数测量装置。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种硅半导体太阳能电池参数测量仪，旨在简化太阳能电池关键参数测量的步骤并最大程度避免人为测量误差，增加测量可信度，在大学物理实验，产品研发以及生产等方面都有广泛的应用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种硅半导体太阳能电池参数测量仪，包括STM32单片机、与STM32单片机连接的用于A/D前端电路的比例控制电路、用于显示关键参数以及绘制曲线的LCD屏幕以及用于充当前端电路负载的可编程电阻；
测量仪上设有开始测量模式、寻找最大功率点模式、填充因子模式和绘制功率曲线模式；开始测量模式开启，通过STM32单片机改变可变电阻值，从而测量开路电压和短路电流；在寻找最大功率点模式下，通过STM32单片机控制可编程电阻实现线性负载变化，从而测出对应功率，并实时对比记录最大功率点；填充因子模式下，根据已测的开路电压、短路电流、以及最大功率点，计算出填充因子并显示在LCD屏幕上；在绘制功率曲线模式下，利用在寻找最大功率点模式下记录的各负载下各个电压、电流对应值，通过打点法绘制电流-电压曲线和功率-电压曲线；
STM32单片机根据在LCD屏幕上的触屏输入判断工作模式，如果需要改变可编程电阻的值，则通过对应IO电平变化控制电阻阻值变化，测得变化以后的电压、电流值并保存在对应数组中，对比是否需要替换最大功率点；如果不需要改变可编程电阻的值，则判断是否需要绘制图像，如果需要，则抽取对应保存的数组和队列，最后再在LCD屏幕上显示关键参数或绘制图像。
进一步地，测量仪的电压电流采集部分包括STM32单片机A/D模块，A/D前端电路和可编程电阻；
A/D前端电路由LM358构成，采用同向比例放大器电路设计以及射级跟随器电路设计；
STM32单片机A/D模块，STM32F407的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器，它有19个通道，这些通道的A/D转换可以单次、连续扫描或间断模式执行，其转换时间为0.41us，转换精度为0.805mV，开启其两个通道用来检测电压和电流，并使用卡尔曼滤波以及均值滤波来预测和减少误差；
可编程电阻模块采用二进制递增的电阻排序法，每2的n次方接一个继电器，再通过软件编程控制电阻实现自动化负载输入。
进一步地，STM32单片机的电压电流采集部分还包括自动跟踪算法，单片机进入开始测量模式后，系统会记录实时数据，并实时对比功率最大值，记录最大功率点以及对应负载值。
进一步地，STM32单片机的电压电流采集部分还包括计算填充因子部分，单片机结束测量后，由于可编程电阻的线性电阻输入，系统可以测出光伏电池的开路电压Uoc、短路电流Isc，再根据填充因子FF＝Pmax/(Uoc*Isc)可以计算出填充因子值并显示在LCD屏幕上。
进一步地，LCD屏幕包括LCD触屏模式反馈部分、LCD显示关键参数部分和LCD绘制功率曲线部分；
LCD触屏模式反馈部分使用投射电容式触摸，LCD屏幕中传感器利用触摸屏电极发射出静电场线，并在玻璃表面的横向和纵向的ITO电极的交叉处形成电容，再扫描每个交叉处的电容变化，来判定触摸点的位置；触摸时会影响到相邻电极的耦合，从而改变交叉处的电容量，则可侦测到每个交叉点的电容值和触摸后电容变化，再在软件中根据协议读取相应的坐标值，再进行判断和处理；
LCD显示关键参数部分：单片机根据LCD触屏模式反馈部分触摸反馈来判断模式选择，包括开始检测模式选项、寻找最大功率点模式选项、功率因子模式选项和绘制功率曲线模式选项，采用多叉数的方式将对应的太阳能电池关键参数显示在LCD屏幕上；
LCD绘制功率曲线部分：单片机在开始检测以后，控制可编程电阻实现连续线性负载改变，并将负载对应的包括电流、电压、功率在内的数据保存在数组中，再在绘制曲线模式下根据电压值绘制出功率-电压和电流-电压曲线，并标注最大功率点，以及对应的负载值。
上述硅半导体太阳能电池参数测量仪的操作过程主要涉及到如下几个步骤：
开始检测步骤：在LCD屏幕上按下开始测量模式，光源照射到硅半导体太阳能电池，并接入到回路中，由STM32控制可编程电阻，将负载调零和断开，测得太阳能电池的开路电压和短路电流并显示在LCD屏幕上；
寻找最大功率步骤：在LCD屏幕上按下寻找最大功率点模式，STM32控制可编程电阻，实现连续线性的负载增加，并实时记录电压和电流，计算出实时功率，再实时对比功率，将最大功率点记录下来，当电阻值增加到断开，将测得的最大功率点显示在LCD屏幕上；
功率因子计算步骤：在LCD屏幕上按下功率因子模式，由于开始检测步骤和寻找最大功率步骤已经测出最大功率点，开路电压和短路电流，根据FF＝Pmax/(Uoc*Isc)可以计算出功率因子值并显示在LCD屏幕上；
绘制功率曲线步骤：在LCD屏幕上按下绘制功率模式，由于寻找最大功率步骤中线性变换电阻值，其电压、电流变化曲线也是连续并且被记录在数组中，故可以通过打点法绘制曲线，x轴范围为0-开路电压Uoc，y轴范围为0-短路电路Isc，将数组中记录的点打印到LCD屏上，再连点成线，便可绘制出一条连续的电流-电压曲线，再按照同样的方法绘制一条功率-电压曲线，并标注最大功率点以及对应电阻值。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1.本发明公开的硅半导体太阳能电池参数测量仪利用现代电子技术和先进单片机技术实现太阳能电池输出功率的智能化计算及最大功率点的自动化搜寻，具有测量精度高、测量速度快、结果直观、成本低、实验效率高等优点，能够避免人为测量误差，全自动测量硅半导体太阳能电池关键参数；
2.本发明利用LM358制作的A/D前端电路用于控制输入信号能够在A/D模块检测范围内；利用继电器模块制作的可编程电阻，用于充当A/D前端电路的负载，连续线性的变化从而更加精准的测量参数；利用LCD屏幕显示太阳能电池的关键参数，以及触屏控制单片机工作模式；在主控芯片STM32F407芯片里完成电压电流的测量，实时计算电池在不同负载情况下的输出功率，绘制出电流-电压曲线和功率-电压曲线，并获得电池输出的最大功率点，同时计算得到电池的填充因子。
附图说明
图1是一种硅半导体太阳能电池参数测量仪的总体框图；
图2是一种硅半导体太阳能电池参数测量仪的总体设计流程图；
图3是STM32F407软件系统设计总体流程图；
图4是开始测量步骤的流程图；
图5是寻找最大功率点步骤的流程图；
图6是功率因子步骤流程图；
图7是绘制功率曲线步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
为提高太阳能电池参数的测试精度和数据获知速度，本实施方式中提供一种硅半导体太阳能电池参数测量仪，参考图1显示的测量仪总体框图可知，该测量仪主要包括STM32单片机、与STM32单片机连接的用于A/D前端电路的比例控制电路、用于显示关键参数以及绘制曲线的LCD屏幕以及用于充当前端电路负载的可编程电阻；至于其他满足测量仪基本运行所需的电源等设计元件等在此不多做赘述。
图2是太阳能电池参数测量仪总体设计流程图，包括开始测量、寻找最大功率点、填充因子和绘制功率曲线模式，系统开始测量以后，通过单片机改变可变电阻值，从而测量开路电压和短路电流；在寻找最大功率点模式，通过单片机控制可编程电阻实现线性负载变化，从而测出对应功率，并实时对比记录最大功率点；填充因子模式下，根据已测的开路电压、短路电流、以及最大功率点，计算出填充因子并显示在LCD屏幕上；在绘制功率曲线模式下，在寻找最大功率点模式下记录各负载下各个电压电流对应值，并通过打点法绘制电流-电压曲线和功率-电压曲线。
图3是STM32F407软件系统设计总体流程图，单片机根据触屏输入判断工作模式，如果需要改变可编程电阻的值，则通过对应IO电平变化控制电阻阻值变化，测得变化以后的电压、电流值并保存在对应数组中，对比是否需要替换最大功率点；如果不需要改变可编程电阻的值，则判断是否需要绘制图像，如果需要，则抽取对应保存的数组和队列，最后再在LCD屏幕上显示关键参数或绘制图像。
测量仪的电压电流采集部分包括STM32单片机A/D模块，A/D前端电路和可编程电阻；
A/D前端电路由LM358构成，采用同向比例放大器电路设计以及射级跟随器电路设计，这是由于单片机A/D转换的范围是0-3.3V，故需要使用同向比例放大电路缩放太阳电池输入电压电流，并根据欧姆定律变形式U＝IR，将太阳能电池通过一个检流电阻，检流电阻上会产生一定的压差，通过射级跟随器输入到单片机的A/D模块；多数ADC内部都有采样电容，以实现采样保持功能，故单片机内部A/D模块并不会有很大的输入电阻，而射级跟随器以及同向比例放大电路能够增加输入电阻，便于后级滤波以及差分输入。
STM32单片机A/D模块，STM32F407的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器，它有19个通道，这些通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行，其转换时间为0.41us，转换精度为0.805mV，开启其两个通道用来检测电压和电流，并使用卡尔曼滤波以及均值滤波来预测和减少误差；
可编程电阻模块，采用二进制递增的电阻排序法，每2的n次方接一个继电器，即0.1、0.2、0.4...1.6M欧姆，共24路继电器，这样可以近似线性的获得每一个电阻值，再通过软件编程控制电阻实现自动化负载输入，从而实现太阳能电池的全自动参数测量。
STM32单片机的电压电流采集部分还包括自动跟踪算法，单片机进入开始测量模式后，系统会记录实时数据，并实时对比功率最大值，记录最大功率点以及对应负载值。
STM32单片机的电压电流采集部分还包括计算填充因子部分，单片机结束测量后，由于可编程电阻的线性电阻输入，系统可以测出光伏电池的开路电压、短路电流，再根据FF＝Pmax/(Uoc*Isc)可以计算出功率因子并显示在LCD屏幕上。
LCD屏幕包括LCD触屏模式反馈部分、LCD显示关键参数部分和LCD绘制功率曲线部分；
LCD触屏模式反馈部分使用投射电容式触摸，LCD屏幕中传感器利用触摸屏电极发射出静电场线，并在玻璃表面的横向和纵向的ITO电极的交叉处形成电容，再扫描每个交叉处的电容变化，来判定触摸点的位置；触摸时会影响到相邻电极的耦合，从而改变交叉处的电容量，则可侦测到每个交叉点的电容值和触摸后电容变化，再在软件中根据协议读取相应的坐标值，再进行判断和处理；
LCD显示关键参数部分：单片机根据前者触摸反馈来判断模式选择，包括开始检测模式选项、寻找最大功率点模式选项、功率因子模式选项和绘制功率模式选项，采用多叉数的方式将对应的太阳能电池关键参数显示在LCD屏幕上；
LCD绘制功率曲线部分：单片机在开始检测以后，控制可编程电阻实现连续线性负载改变，并将负载对应的包括电流、电压、功率在内的数据保存在数组中，再在绘制曲线模式下根据电压值绘制出功率-电压和电流-电压曲线，并标注最大功率点，以及对应的负载值。
在利用上述硅半导体太阳能电池参数测量仪进行参数测量时主要涉及到如下几个步骤：
开始检测步骤：参考图4，光源照射到硅半导体太阳能电池，并接入到回路中，由STM32控制可编程电阻，将负载调零和断开，便可测得太阳能电池的开路电压和短路电流，测完后，将测得的开路电压和短路电流显示在LCD屏幕上；
寻找最大功率步骤：参考图5，触摸屏上按下寻找最大功率点模式选项，STM32控制可编程电阻，实现连续线性的负载增加，并实时记录电压和电流，计算出实时功率，再实时对比功率，将最大功率点记录下来，当电阻值增加到断开，将测得的最大功率点显示在LCD屏幕上；
功率因子计算步骤：参考图6，触摸屏上按下功率因子模式选项，由于前两个步骤已经测出最大功率点，开路电压和短路电流，故根据FF＝Pmax/(Uoc*Isc)可以计算出功率因子并显示在LCD屏幕上；
绘制功率曲线步骤：参考图7，触摸屏上按下绘制功率模式选项，由于寻找最大功率步骤中线性变换电阻值，其电压、电流变化曲线也是连续并且被记录在数组中，故可以通过打点法绘制曲线；x轴范围为0-开路电压Uoc，y轴范围为0-短路电路Isc，将数组中记录的点打印到LCD屏上，再连点成线，便可绘制出一条连续的电流-电压曲线，再按照同样的方法绘制一条功率-电压曲线，并标注最大功率点以及对应电阻值。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种硅半导体太阳能电池参数测量仪，其特征在于，包括STM32单片机、与STM32单片机连接的用于A/D前端电路的比例控制电路、用于显示关键参数以及绘制曲线的LCD屏幕以及用于充当前端电路负载的可编程电阻；
测量仪上设有开始测量模式、寻找最大功率点模式、填充因子模式和绘制功率曲线模式；
开始测量模式开启，通过STM32单片机改变可变电阻值，从而测量开路电压和短路电流；
在寻找最大功率点模式下，通过STM32单片机控制可编程电阻实现线性负载变化，从而测出对应功率，并实时对比记录最大功率点；
填充因子模式下，根据已测的开路电压、短路电流、以及最大功率点，计算出填充因子并显示在LCD屏幕上；
在绘制功率曲线模式下，利用在寻找最大功率点模式下记录的各负载下各个电压、电流对应值，通过打点法绘制电流-电压曲线和功率-电压曲线；
STM32单片机根据在LCD屏幕上的触屏输入判断工作模式，如果需要改变可编程电阻的值，则通过对应IO电平变化控制电阻阻值变化，测得变化以后的电压、电流值并保存在对应数组中，对比是否需要替换最大功率点；如果不需要改变可编程电阻的值，则判断是否需要绘制图像，如果需要，则抽取对应保存的数组和队列，最后再在LCD屏幕上显示关键参数或绘制图像。
2.如权利要求1所述的一种硅半导体太阳能电池参数测量仪，其特征在于，测量仪的电压电流采集部分包括STM32单片机A/D模块，A/D前端电路和可编程电阻；
A/D前端电路由LM358构成，采用同向比例放大器电路设计以及射级跟随器电路设计；
STM32单片机A/D模块，STM32F407的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器，它有19个通道，这些通道的A/D转换可以单次、连续扫描或间断模式执行，其转换时间为0.41us，转换精度为0.805mV，开启其两个通道用来检测电压和电流，并使用卡尔曼滤波以及均值滤波来预测和减少误差；
可编程电阻模块采用二进制递增的电阻排序法，每2的n次方接一个继电器，再通过软件编程控制电阻实现自动化负载输入。
3.如权利要求2所述的一种硅半导体太阳能电池参数测量仪，其特征在于，STM32单片机的电压电流采集部分还包括自动跟踪算法，单片机进入开始测量模式后，系统会记录实时数据，并实时对比功率最大值，记录最大功率点以及对应负载值。
4.如权利要求3所述的一种硅半导体太阳能电池参数测量仪，其特征在于，STM32单片机的电压电流采集部分还包括计算填充因子部分，单片机结束测量后，由于可编程电阻的线性电阻输入，系统可以测出光伏电池的开路电压Uoc、短路电流Isc，再根据填充因子FF＝Pmax/(Uoc*Isc)可以计算出填充因子值并显示在LCD屏幕上。
5.如权利要求4所述的一种硅半导体太阳能电池参数测量仪，其特征在于，LCD屏幕包括LCD触屏模式反馈部分、LCD显示关键参数部分和LCD绘制功率曲线部分；
LCD触屏模式反馈部分使用投射电容式触摸，LCD屏幕中传感器利用触摸屏电极发射出静电场线，并在玻璃表面的横向和纵向的ITO电极的交叉处形成电容，再扫描每个交叉处的电容变化，来判定触摸点的位置；触摸时会影响到相邻电极的耦合，从而改变交叉处的电容量，则可侦测到每个交叉点的电容值和触摸后电容变化，再在软件中根据协议读取相应的坐标值，再进行判断和处理；
LCD显示关键参数部分：单片机根据LCD触屏模式反馈部分触摸反馈来判断模式选择，包括开始检测模式选项、寻找最大功率点模式选项、功率因子模式选项和绘制功率曲线模式选项，采用多叉数的方式将对应的太阳能电池关键参数显示在LCD屏幕上；
LCD绘制功率曲线部分：单片机在开始检测以后，控制可编程电阻实现连续线性负载改变，并将负载对应的包括电流、电压、功率在内的数据保存在数组中，再在绘制曲线模式下根据电压值绘制出功率-电压和电流-电压曲线，并标注最大功率点，以及对应的负载值。
6.如权利要求1-5中任一项所述的一种硅半导体太阳能电池参数测量仪的操作方法，其特征在于，主要涉及到如下几个步骤：
开始检测步骤：在LCD屏幕上按下开始测量模式，光源照射到硅半导体太阳能电池，并接入到回路中，由STM32控制可编程电阻，将负载调零和断开，测得太阳能电池的开路电压和短路电流并显示在LCD屏幕上；
寻找最大功率步骤：在LCD屏幕上按下寻找最大功率点模式，STM32控制可编程电阻，实现连续线性的负载增加，并实时记录电压和电流，计算出实时功率，再实时对比功率，将最大功率点记录下来，当电阻值增加到断开，将测得的最大功率点显示在LCD屏幕上；
功率因子计算步骤：在LCD屏幕上按下功率因子模式，由于开始检测步骤和寻找最大功率步骤已经测出最大功率点，开路电压和短路电流，根据FF＝Pmax/(Uoc*Isc)可以计算出功率因子并显示在LCD屏幕上；
绘制功率曲线步骤：在LCD屏幕上按下绘制功率模式，由于寻找最大功率步骤中线性变换电阻值，其电压、电流变化曲线也是连续并且被记录在数组中，故可以通过打点法绘制曲线，x轴范围为0-开路电压Uoc，y轴范围为0-短路电路Isc，将数组中记录的点打印到LCD屏上，再连点成线，便可绘制出一条连续的电流-电压曲线，再按照同样的方法绘制一条功率-电压曲线，并标注最大功率点以及对应电阻值。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 赖其涛: ""高精度光伏组件测试仪电控系统设计"" * |
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| CN117707086A (zh) * | 2023-12-23 | 2024-03-15 | 广东顺德格立美光电科技有限公司 | 一种能源管理系统 |
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