CN114640303A - 一种基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统及测试方法 - Google Patents

一种基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统及测试方法,包括可调角度测试固定支架、待测太阳能电池、数字源表、继电器控制单元、若干传感器以及上位机。通过上位机中LabVIEW软件内置的各个测量模块采集太阳电池的I‑V特性曲线及户外环境温度,湿度,太阳辐射强度等数据,数据经过处理后通过监测界面图形化显示,同时根据所设定的测试时间判断,可实现日间I‑V数据测量与夜晚户外温湿度数据采集的自动切换,并将每次采集的数据存储于上位机文档。采用本发明可自动高效的完成对太阳能电池在户外环境下工作状态的评估,并真实反应太阳能电池在户外环境下的稳定性能,该系统使用简单易行,无需人工干预。

Description

一种基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统及 测试方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域,尤其涉及一种基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统及其方法。
背景技术
在人类社会开发利用的众多的能源中,可再生的清洁能源正逐渐成为未来能源需求中的最重要来源。在这中间(太阳能,风能,潮汐能,水力发电等),太阳能由于其储量取之不尽,相对清洁无污染等的优势,一直是可再生能源领域的研究热点。第三代溶液可加工的太阳能电池具有柔性好、价格低廉、重量轻等特点,已成为光伏技术领域研究的热点之一。为实现相关太阳能电池的实际应用,一方面要提高电池能量转换效率,另一方面要延长器件使用寿命。提高能量转换效率关键在于设计合成新型高效给体材料和受体材料,以及研发新型器件结构;延长器件使用寿命必须考虑器件光,热稳定性。虽然有机太阳能电池的光电转换效率已经达到商用及市场推广的要求,但有机材料对环境的敏感性限制了有机太阳能电池的长期稳定性。目前来说,当前太阳能电池稳定性测试主要基于恒定光强的氙灯太阳能模拟器或者其他光源模拟器,环境条件多数是在恒温,氮气保护条件下测试,然而光谱分布,光强,温湿度变化等复杂的户外工作条件与目前室内测试存在较大差异。因此对太阳能电池在不同条件在稳定性的准确评估,已成为新型光伏电池进入市场的必不可少的步骤,进一步的进行户外性能与稳定性测试,评估其在外界环境因素下的性能演变,研究其衰减机理和提出改善稳定性的策略,这些对加速有机太阳能电池从实验室走向大规模工业化有深远意义,因此本发明开发了一套基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统及其方法,该系统利用LabVIEW直观、简明的图形化编程方式,封装的编译模块及丰富多样的控件,软件扩展性强且具有可视化的监测界面,极大的提高了太阳能电池性能测试及稳定性评估效率。
发明内容
针对现有稳定性测试技术的不足及户外稳定认识的匮乏,本发明的主要目的之一在于提供一种基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统及其方法,旨在方便快捷的对太阳能电池在户外条件下工作性能的评估,并记录太阳能电池性能在不同时间尺度下的变化趋势,真实反映电池在户外大气环境下的稳定性性能。
为了达到上述目的,本发明采用以下的技术方案:
一种基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统,其特征在于,包括可调角度测试固定支架、待测太阳能电池、数字源表、继电器控制单元、太阳辐照度传感器、环境温湿度传感器、温度传感器、RS485转USB总线通讯接口和上位机;所述待测太阳能电池,太阳辐照度传感器,环境温湿度传感器共平面安装于可调角度测试固定支架,确保测试条件的一致;所述温度传感器贴敷于待测太阳能电池背部,用于对户外工作条件在电池温度及发热程度的评估;所述继电器控制单元分别连接待测试电池与数字源表,所述数字源表、继电器控制单元、太阳辐照度传感器、环境温湿度传感器、温度传感器分别通过RS485转USB总线通讯接口连接于上位机,LabVIEW软件内置测量单元对各传感器下发命令进行控制。
在上述的基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统,所述上位机为安装LabVIEW测试软件的计算机,LabVIEW测试软件内置I-V测试模块,电池测试选择模块,电池温度测量模块,环境温湿度测量模块,太阳辐照度测量模块和数据处理与存储模块。
在上述的基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统,
所述I-V测试模块,用于对数字源表的测试参数配置与控制,可调节电池I-V测量的起始与终止电压,钳位电流大小,采集速率与精度,测试点数等。
所述电池测试选择模块,用于对继电器控制单元的程序控制,实现继电器控制单元对待测试电池的依次选择,数字源表通过继电器控制单元联通选中的待测试电池,并形成电流回路,实现对电池的逐个I-V曲线测试。
所述电池温度测量模块,环境温湿度测量模块,太阳辐照度测量模块,分别连接于对温度传感器,环境温湿度传感器,太阳辐照度传感器测量数据的读取,采集当前所测试的单个电池在所处环境下的电池温度,环境温度,湿度和太阳辐照强度。
所述数据处理与存储模块,用于对各个传感器返回的MODBUS通讯协议格式的应答信息的数据处理以及数字源表测量的I-V曲线数据处理,包括数据帧中数据区数据的截取,16进制到10进制转换,数值到字符转换;I-V曲线中短路电流,开路电压,填充因子,最大功率,串联并联电阻,光电转换效率等的计算,最后以文本格式存储于指定位置文档中。
一种基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统的测试方法,步骤如下:
步骤1:按照权利要求1所述基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统搭建;
步骤2:在上位机中设置LabVIEW前面板,前面板包括测试参数设置区、数据存储设置区、待测试电池选择区、I-V曲线显示区和电池结果显示区。在测试参数设置区配置各测试仪器通讯端口,数字源表测量起始与终止电压,钳位电流大小,采集速率与精度,测试点数,日间I-V测试起始测试时间与终止时间,测试周期,太阳能电池面积等测试参数。
步骤3:在上位机中设置LabVIEW前面板数据存储设置区设置数据存储目标路径,在待测试电池选择区选择需要测试的电池编号。
步骤4:太阳能电池稳定性测试开始,上位机配置各仪器驱动及测量参数,软件读取当前系统时间并判断是否处于起始测试时间与终止时间之间。
步骤5:若不满足所设置测试时间范围,进行夜间环境温湿度采集模式,上位机内的LabVIEW软件环境温湿度测量模块下发读取命令至环境温湿度传感器,读取数据,处理并存储于指定位置文档中。若满足所设置测试时间范围,进行日间I-V测试模式,上位机LabVIEW软件内置各个模块通过RS485转USB总线通讯接口将测试命令下发至个各传感器及控制测量单元。
步骤6:继电器控制单元选择第一颗待测试电池,随后数字源表对选中电池进行I-V测试,同步地环境温湿度传感器返回环境温湿度,太阳辐照度传感器返回太阳辐照度,温度传感器返回电池温度,I-V曲线数据处理得到短路电流,开路电压,填充因子,最大功率,串联并联电阻,光电转换效率等,然后将所采集数据一并存储于指定位置文档中,同时在前面板电池测试结果显示区展示,在I-V曲线显示区绘制I-V测试曲线并显示。
步骤7:继电器控制单元依据待测试电池选择区中所选中的电池测试编号,联通下一颗颗待测试电池与数字源表,重复步骤六,直至所有电池测试完毕。
步骤8:根据测试参数设置区所设置的测试周期,等待相应时间后进行时间判断,进入步骤五测试流程,从而完成自动高效数据采集与处理的过程。
在上述的测试方法,所述LabVIEW软件内置时间判断,实现了日间I-V数据测量与夜间温湿度数据采集两种模式的分离。夜间暗态下暗态条件下电池处于断路状态,数字源表暂停扫描,避免了夜间暗态条件下数字源表电流电压扫描激励所引起的电池性能衰减。
在上述的测试方法,采用一种新颖的户外稳定性评估方式,以太阳能电池所接收的累计太阳辐射量为横坐标,对应辐射量下的太阳能电池输出能量为纵坐标,或两者之比的总体平均光电转换效率为纵坐标作为户外稳定性的评判标准,该方法去除了日间光强,温度等环境因素波动对常用的以时间为横坐标,光电转换效率为纵坐标的稳定性评估标准的影响。
本发明具有如下技术效果或者优点:
(1)通过RS485转USB总线通讯接口直接连接上位机与个传感器,简单快速搭建一套LabVIEW测控的便捷户外稳定性测试系统,极大节约了开发时间,同时结合计算机USB多端口优势,轻松实现多通道同步测量;
(2)使用LabVIEW编程软件,能自动化实时对数据采集,处理与保存,同时实时显示测试结果,高效直观;
(3)数据采集时间判断,实现日间I-V测量与夜间温湿度数据采集两种工作模式自动切换,无需人工操作并减少数字源表电压激励对电池性能稳定性的影响。
(4)实时获得不同太阳辐照强度,环境温度,湿度,不同电池温度下的性能参数。真实的反映太阳能电池在户外环境下的工作情况,得到电池相关输出特性参数(包括:短路电流,开路电压,填充因子,最大输出功率,串联电阻,并联电阻),有效的实现了太阳能电池性能在户外环境下的稳定性评估。
(5)上位机采用LabVIEW编程软件,内置不同测量模块,可根据实际需求采用灵活的模块搭配和参数设置,达到不同功能的测试目的,如屏蔽环境温湿度测量模块和时间判断,可快速实现室内太阳能电池性能与稳定性测试与表征,功能多样化。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,下面描述中的附图仅用于优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明的测试系统结构示意图。
图2为本发明的测试方法流程示意图。
图3为本发明的测试系统LabVIEW软件后面板示意图。
图4为本发明的测试系统LabVIEW软件前面板示意图。
图5为太阳能电池日间测试数据结果示意图。
图6为本发明一种新颖的户外稳定性评估方式示意图。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好的理解本发明的技术方案,下面结合附图对本发明作进一步详细说明,并对本发明技术方案进行清楚,完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示,本发明所述的一种基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统,其包括包括可调角度的测试固定支架、待测太阳能电池、数字源表、继电器控制单元、太阳辐照度传感器、环境温湿度传感器、温度传感器、RS485转USB总线通讯接口和上位机。将待测太阳能电池,太阳辐照度传感器,环境温湿度传感器共平面安装于可调角度测试固定支架,确保测试条件的一致,同时调节固定支架为最优角度,满足当地最佳倾角以获得最大太阳能发电量。
其中,继电器控制单元分别连接待测试电池与数字源表,通过继电器控制单元选择测试电池,使得数字源表与被选中的电池间形成电流回路。温度传感器使用CPU导热硅胶贴敷于待测太阳能电池背部,热塑性树脂粘贴固定,用于对户外工作条件在电池温度及发热程度的评估。
在本实施例中,数字源表、继电器控制单元、太阳辐照度传感器、环境温湿度传感器、温度传感器分别通过RS485转USB总线通讯接口连接于上位机,LabVIEW软件内置测量单元对各传感器下发命令进行控制。其中测试命令与返回数据满足Modbus通讯规约。
如图2所示基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试方法流程示意图,测试步骤如下:
步骤一:搭建基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统;
步骤二:在上位机中设置LabVIEW前面板,在测试参数设置区配置各测试仪器通讯端口,数字源表测量起始与终止电压,钳位电流大小,采集速率与精度,测试点数,日间I-V测试起始测试时间与终止时间,测试周期,太阳能电池面积等测试参数。
步骤三:在上位机中设置LabVIEW前面板数据存储设置区设置数据存储目标路径,在待测试电池选择区选择需要测试电池编号。
步骤四:太阳能电池稳定性测试开始,上位机配置各仪器驱动及测量参数,软件读取当前系统时间并判断是否处于起始测试时间与终止时间之间。
步骤五:若不满足所设置测试时间范围,进行夜间环境温湿度采集模式,上位机内的LabVIEW软件环境温湿度测量模块工作,下发读取命令至环境温湿度传感器,读取数据,处理并存储于指定位置文档中。若满足所设置测试时间范围,进行日间I-V测试模式,上位机LabVIEW软件内置个模块通过RS485转USB总线通讯接口将测试命令下发至各个各传感器及控制测量单元。
步骤六:继电器控制单元选择第一颗待测试电池,随后数字源表对选中电池进行I-V测试,同步地环境温湿度传感器返回环境温湿度,太阳辐照度传感器采返回太阳辐照度,温度传感器返回电池温度,I-V曲线数据处理得到短路电流,开路电压,填充因子,最大功率,串联并联电阻,光电转换效率等,然后将所采集数据一并存储于指定位置文档中,同时在前面板电池测试结果显示区展示,在I-V曲线显示区绘制I-V测试曲线并显示。
步骤七:继电器控制单元依据待测试电池选择区中所选中的电池测试编号,联通下一颗颗待测试电池与数字源表,重复步骤六,直至所有电池测试完毕。
步骤八:根据测试参数设置区所设置的测试周期,等待相应时间后进行时间判断,进入步骤五测试流程,从而完成自动高效数据采集与处理的过程。
其中LabVIEW软件内置时间判断实现了日间I-V测量与夜间温湿度数据采集两种模式的分离。夜间暗态下暗态条件下电池处于断路状态,数字源表暂停扫描,避免了夜间暗态条件下数字源表电流电压扫描激励所引起的电池性能衰减。
图3所示为基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统上位机安装的LabVIEW测试软件后面板示意图,LabVIEW测试软件内置I-V测试模块,电池测试选择模块,电池温度测量模块,环境温湿度测量模块,太阳辐照度测量模块和数据处理与存储模块。
所述I-V测试模块,用于对数字源表的测试参数配置与控制,可调节电池I-V测量的起始与终止电压,钳位电流大小,采集速率与精度,测试点数等。
所述电池测试选择模块,用于对继电器控制单元的程序控制,实现继电器控制单元对待测试电池的依次选择,数字源表通过继电器控制单元联通选中的待测试电池,并形成电流回路,实现对电池的逐个I-V曲线测试。
所述电池温度测量模块,环境温湿度测量模块,太阳辐照度测量模块,分别连接于对温度传感器,环境温湿度传感器,太阳辐照度传感器测量数据的读取,采集当前所测试的单个电池在所处环境下的电池温度,环境温度,湿度和太阳辐照强度。
所述数据处理与存储模块,MODBUS通讯协议格式的应答信息的数据处理以及数字源表测量的I-V曲线数据处理,包括数据帧中数据区数据的截取,16进制到10进制转换,数值到字符转换;I-V曲线中短路电流,开路电压,填充因子,最大功率,串联并联电阻,光电转换效率等的计算,最后以文本格式存储于指定位置文档中。
对于LabVIEW测试软件后面板程序框图,采用最简单的结构框图组合,实现不同的逻辑输出,其中顺序结构实现继电器控制单元与数字源表的依次响应,先对待测试电池的选中,后对选中电池进行I-V测试扫描的目的;For循环结构指定内部各模块程序循环次数,控制选中的电池依次输入并测试,即测试步骤七的逻辑体现;Case结构对时间判断进行响应,实现日间I-V测量与夜间温湿度数据采集两种模式的判断执行,即对应测试步骤五;最外While循环结构与Event结构共同组成事件结构,用于对开始,停止按钮按下事件的响应,对应开始测试和停止测试,同时在Event结构内部,初始化各个仪器通讯端口并等待测试命令下发。上位机采用LabVIEW编程软件,采用模块化设计思想,可根据实际需求采用灵活的模块搭配和参数设置,达到不同功能的测试目的,屏蔽环境温湿度测量模块和时间判断,可快速实现室内太阳能电池性能与稳定性测试与表征。
参见图4所示基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统上位机安装的LabVIEW测试软件前面板示意图,包括测试参数设置区、数据存储设置区、待测试电池选择区、I-V曲线显示区和电池结果显示区。在测试参数设置区配置各测试仪器通讯端口,数字源表测量起始与终止电压,钳位电流大小,采集速率与精度,测试点数,日间起始测试时间与终止时间,测试周期,太阳能电池面积等测试参数;数据存储设置区设置数据存储目标路径;在待测试电池选择区选择需要测试电池编号,由For循环结构依次检索所选中电池索引编号,逐一进行For循环结构内部测试;I-V曲线显示区绘制由数字源表测量的当前电池I-V曲线;电池结果显示区展示For循环结构周期内,即测试步骤七所有电池的测试结果,包括测试电池编号、测试时间、环境温度,湿度、太阳辐照强度、短路电流、开路电压、填充因子、最大功率、串联并联电阻、光电转换效率、电池温度等数据。
进一步,本发明实施例采用一种新颖的户外稳定性评估方法,根据图5所示为太阳能电池日间测试数据结果示意图,其日间光强,温度等环境因素波动对常用的以时间为横坐标,光电转换效率为纵坐标的稳定性评估标准的影响较大,难以进行直接的稳定性评估,为此参考图6,采用以太阳能电池所接收的累计太阳辐射量为横坐标,对应辐射量下的太阳能电池输出能量(即最大功率)为纵坐标,或以两者之比的总体平均光电转换效率为纵坐标作为户外稳定性的评判标准,这一方法不仅真实反应太阳能电池户外条件下的工作性能,也方便后期数据处理及不同类型太阳能电池户外稳定性的快速研究对比。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,以及部分运用的实施例,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统,其特征在于,包括可调角度测试固定支架、待测太阳能电池、数字源表、继电器控制单元、太阳辐照度传感器、环境温湿度传感器、温度传感器、RS485转USB总线通讯接口和上位机;所述待测太阳能电池,太阳辐照度传感器,环境温湿度传感器共平面安装于可调角度测试固定支架,确保测试条件的一致;所述温度传感器贴敷于待测太阳能电池背部,用于对户外工作条件在电池温度及发热程度的评估;所述继电器控制单元分别连接待测试电池与数字源表,所述数字源表、继电器控制单元、太阳辐照度传感器、环境温湿度传感器、温度传感器分别通过RS485转USB总线通讯接口连接于上位机,LabVIEW软件内置测量单元对各传感器下发命令进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统,其特征在于:所述上位机为安装LabVIEW测试软件的计算机,LabVIEW测试软件内置I-V测试模块,电池测试选择模块,电池温度测量模块,环境温湿度测量模块,太阳辐照度测量模块和数据处理与存储模块。
3.根据权利要求2所述的基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统,其特征在于:
所述I-V测试模块,用于对数字源表的测试参数配置与控制,可调节电池I-V测量的起始与终止电压,钳位电流大小,采集速率与精度,测试点数等;
所述电池测试选择模块,用于对继电器控制单元的程序控制,实现继电器控制单元对待测试电池的依次选择,数字源表通过继电器控制单元联通选中的待测试电池,并形成电流回路,实现对电池的逐个I-V曲线测试;
所述电池温度测量模块,环境温湿度测量模块,太阳辐照度测量模块,分别连接于对温度传感器,环境温湿度传感器,太阳辐照度传感器测量数据的读取,采集当前所测试的单个电池在所处环境下的电池温度,环境温度,湿度和太阳辐照强度;
所述数据处理与存储模块,用于对各个传感器返回的MODBUS通讯协议格式的应答信息的数据处理以及数字源表测量的I-V曲线数据处理,包括数据帧中数据区数据的截取,16进制到10进制转换,数值到字符转换;I-V曲线中短路电流,开路电压,填充因子,最大功率,串联并联电阻,光电转换效率等的计算,最后以文本格式存储于指定位置文档中。
4.一种基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统的测试方法,其特征在于,步骤如下:
步骤1:按照权利要求1所述基于LabVIEW测控的太阳能电池户外稳定性测试系统搭建;
步骤2:在上位机中设置LabVIEW前面板,前面板包括测试参数设置区、数据存储设置区、待测试电池选择区、I-V曲线显示区和电池结果显示区。在测试参数设置区配置各测试仪器通讯端口,数字源表测量起始与终止电压,钳位电流大小,采集速率与精度,测试点数,日间I-V测试起始测试时间与终止时间,测试周期,太阳能电池面积等测试参数;
步骤3:在上位机中设置LabVIEW前面板数据存储设置区设置数据存储目标路径,在待测试电池选择区选择需要测试的电池编号;
步骤4:太阳能电池稳定性测试开始,上位机配置各仪器驱动及测量参数,软件读取当前系统时间并判断是否处于起始测试时间与终止时间之间;
步骤5:若不满足所设置测试时间范围,进行夜间环境温湿度采集模式,上位机内的LabVIEW软件环境温湿度测量模块下发读取命令至环境温湿度传感器,读取数据,处理并存储于指定位置文档中,若满足所设置测试时间范围,进行日间I-V测试模式,上位机LabVIEW软件内置各个模块通过RS485转USB总线通讯接口将测试命令下发至个各传感器及控制测量单元;
步骤6:继电器控制单元选择第一颗待测试电池,随后数字源表对选中电池进行I-V测试,同步地环境温湿度传感器返回环境温湿度,太阳辐照度传感器返回太阳辐照度,温度传感器返回电池温度,I-V曲线数据处理得到短路电流,开路电压,填充因子,最大功率,串联并联电阻,光电转换效率等,然后将所采集数据一并存储于指定位置文档中,同时在前面板电池测试结果显示区展示,在I-V曲线显示区绘制I-V测试曲线并显示;
步骤7:继电器控制单元依据待测试电池选择区中所选中的电池测试编号,联通下一颗颗待测试电池与数字源表,重复步骤六,直至所有电池测试完毕;
步骤8:根据测试参数设置区所设置的测试周期,等待相应时间后进行时间判断,进入步骤五测试流程,从而完成自动高效数据采集与处理的过程。
5.根据权利要求4所述的测试方法,其特征在于:所述LabVIEW软件内置时间判断,实现了日间I-V数据测量与夜间温湿度数据采集两种模式的分离,夜间暗态下暗态条件下电池处于断路状态,数字源表暂停扫描,避免了夜间暗态条件下数字源表电流电压扫描激励所引起的电池性能衰减。
6.根据权利要求5所述的测试方法,其特征在于:采用一种新颖的户外稳定性评估方式,以太阳能电池所接收的累计太阳辐射量为横坐标,对应辐射量下的太阳能电池输出能量为纵坐标,或两者之比的总体平均光电转换效率为纵坐标作为户外稳定性的评判标准,该方法去除了日间光强,温度等环境因素波动对常用的以时间为横坐标,光电转换效率为纵坐标的稳定性评估标准的影响。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115001394A (zh) * 2022-08-01 2022-09-02 一道新能源科技(衢州)有限公司 基于人工智能的太阳能电池状态监测方法及系统
CN115333480A (zh) * 2022-08-10 2022-11-11 长春工业大学 模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法及系统

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