【正文】 編號(hào)： 清華大學(xué) 本科畢業(yè)論文 光伏電池板數(shù)據(jù)采集和測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) I 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日 期 ： II 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī) 構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。測(cè)試組件時(shí)環(huán)境溫度要求在 25℃ 。選用 NI公司的 LabVIEW軟件控制數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池電壓、電流數(shù)據(jù)的采集、顯示及存儲(chǔ)等功能，并對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。s LabVIEW, by controling the data acquisition card, can make it possible to collect, display, and store the solar battery voltage, to analyse and process the measured data. Its ultimate purpose is to achieve power subfile and test if the testing ponents meet those requirements. Finally, the interface that has been designed will be debugged. Although there is no real module testing, the optimal power point can be found by using the function signal generator in the LabVIEW to stimulate the voltage and current to get their curves, the VI? graph, and the power curve. Key words: data acquisition。目前光伏發(fā)電居世界各國(guó)前列的是日本、德國(guó)和美國(guó)。其中德國(guó)為 80％，美國(guó)為35％，日本為 25％，歐洲其他地區(qū)為 43％，世界其他地區(qū)為 13％ [8~10]。預(yù)計(jì)到 2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到 30％以上，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到 10％以上；到 2040年，可再生能源將占總能耗的 50％以上，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的 20％以上；到 21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到 80％以上，太陽(yáng)能發(fā)電將占到 60％以上 [11~12]。近 5年來(lái)，中國(guó)光伏電池產(chǎn)量年增長(zhǎng)速度達(dá)到了100％一 300％，光伏電池產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的比例也由 2020年 ％增長(zhǎng)至 2020年的近15％。在長(zhǎng)三角、環(huán)渤海、珠三角、中西部地 區(qū)，已經(jīng)形成了各具特色的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)集群。我國(guó)的電池檢測(cè)設(shè)備 1992年以前除少數(shù)企業(yè)引進(jìn)少量進(jìn)口設(shè)備以外，均采用比較緒論 2 粗糙而且落后的方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。 我國(guó)的電池測(cè)試行業(yè)一直在持續(xù)不斷的發(fā)展，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比還存在著一定的差距。近幾年我國(guó)研制出各種多結(jié)太陽(yáng)能電池新品，對(duì)于 多結(jié)太陽(yáng)能電池，如果還采用傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池測(cè)試設(shè)備，必將產(chǎn)生無(wú)法估量的測(cè)試誤差。美國(guó)國(guó)家儀器公司 (National Instrument簡(jiǎn)稱(chēng) NI)于 20世紀(jì) 70年代中期提出虛擬儀器的概念。我國(guó)光伏發(fā)電市場(chǎng)需求旺盛，光伏發(fā)電系統(tǒng)被應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。隨著虛擬儀器技術(shù)的迅速發(fā)展，有必要建立一個(gè)基于虛擬儀器的光伏電池性能測(cè)試技術(shù)平臺(tái)。 本文研究 的 意義 能源是人類(lèi)賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)和社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的動(dòng)力，自上世紀(jì) 50年代以來(lái)，能源安全一直面臨著挑戰(zhàn)，存在著十分危險(xiǎn)的潛在危機(jī)，能源危機(jī)的重要表現(xiàn)之一便是不斷出現(xiàn)的電力緊張。 光伏電池輸出特性具有非線(xiàn)性特征，并且其輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況影響。因此，對(duì)光伏電池的特性特別是輸出特性進(jìn)行研究非常必要。當(dāng)光線(xiàn)照射太陽(yáng)電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在 PN結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外 部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。頂區(qū)表面有柵狀金屬電極，硅片背面為金屬底電極。光生電子留于 N區(qū)，光生空穴留于 P區(qū)，在 PN結(jié)的兩側(cè)形成正負(fù)電荷的積累，產(chǎn)生光塵電壓，此為光生伏打效應(yīng)。電池基體區(qū)域產(chǎn)生的光電流對(duì)紅外光敏感，約占 80％ — 90％，是光生電流的主要組成部分。 硅型光伏電池在無(wú)光照情況下的基本行為特性類(lèi)似于一個(gè)普通二極管。其中 LSH ii ? ， LSG uu ? 。由于 SR 和 SHR 是分別串聯(lián)和并聯(lián)在電路中的，所以進(jìn)行理想的電路計(jì)算時(shí)，這兩個(gè)電阻可以忽略不計(jì)，此時(shí)，流過(guò)負(fù) 載的電流 Li 為： 電源 SHR LR SR PHi Di Du SGi SGu Li Lu 光伏板模型及電磁特性 6 DPHL iii ?? (21) 采用單二極管模型，理想情況下光伏電池的電壓一電流特性即伏安特性可以寫(xiě)為 : ? ?1/ ??? nkTquOPHL DeIii (22) 式 (21)、 (22)中， Di 為光伏電池的暗電流或漏電流，單位為 A： OI 為 P— N結(jié)的反向飽和暗電流，單位為 A： q 為電子電荷 ( ?? )，單位為 C； k 為玻爾茲曼常數(shù) ( KJ / 23?? )； T 為熱力學(xué)溫度，單位為 K； n為常數(shù)因子 (正偏電壓大時(shí) n值為 1，正偏電壓小時(shí) n值為 2)； e為 自然對(duì)數(shù)的底。而如果負(fù)載繼續(xù)增大，電壓和電流都開(kāi)始急劇下降，而功率最大的那個(gè)點(diǎn)，就是光伏電池的最大功率點(diǎn)。 圖 23 輸出功率 與負(fù)載、電流、電壓的關(guān)系 Pp Pp p R i u 光伏板模型及電磁特性 8 光伏電池的檢測(cè)參數(shù) (1) 開(kāi)路電壓 開(kāi)路電壓 OCu ，即將光伏電池置于 1000W/ 2cm 的光源照射下，在兩端開(kāi)路時(shí)，光伏電池的輸出電壓值。 (3) 最大輸出功率 光伏電池的工作電壓和電流是隨負(fù)載電阻而變化的，將不同阻值所對(duì)應(yīng)的工作電壓和電流值做成曲線(xiàn)就得到光伏電池的伏安特性曲線(xiàn)。 (4) 填充因子 光伏電 池的另一個(gè)重要參數(shù)是填充因子 FF，它是最大輸出功率與開(kāi)路電壓和短路電流乘積之比： SCOCmmSCOCm iu iuiu pFF ?? (27) FF是衡量光伏電池輸出特性的重要指標(biāo)，是代表光伏電池在帶最佳負(fù)載時(shí)，能輸出的最大功率的特性，其值越大表示光伏電池的輸出功率越大。所以減少串聯(lián)電阻和增大并聯(lián)電壓對(duì)于提高電池的填充因子和能量轉(zhuǎn)換有重大作用。 (7) 電池溫度 溫度對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行和元件的壽命有這很大的影響，它是光伏電池的重 要參數(shù)之一，溫度因素在很大程度上影響著電池的效率和使用年限。光伏電池板產(chǎn)生電流電壓，因?yàn)殡娏麟妷簽闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)，不需要傳感器，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路，電壓經(jīng)過(guò)分壓電路，之后可以直接通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì) 算機(jī)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶(hù)自己定義的測(cè)量系統(tǒng)。在所有這些情況下，傳感器可以生成和它們所檢測(cè)的物理量呈比例的電信號(hào)。 (2) 信號(hào)調(diào)理 從傳感器得到 的信號(hào)可能會(huì)很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線(xiàn)性的等，這種信號(hào)在進(jìn)入采集卡之前必須經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理。在本系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求選用溫度傳感器 AD590。 AD590產(chǎn)生的電流與絕對(duì)溫度成正比，它有非常好的線(xiàn)性輸出性能，溫度每增加 1℃，其電流增加 1uA。它的調(diào)理電路如圖 33所示， AD590的輸出電流為： ? ?ti ?? 273 u A (31) 其中 t 為攝氏溫度， 因此量測(cè)的電壓 u 為 : ? ? ?????? ??????? tKutu V (32) 為了將電壓量測(cè)試出來(lái)又需使輸出電流 i 不分流出來(lái)，使用電壓跟隨器，其輸出電壓 2u 等于輸入電壓 u 。 數(shù)據(jù)采集卡的選擇 由于在通用計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡設(shè)備的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的虛擬儀器具有良好的功能擴(kuò)展性，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的工程師采用基于 PC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)完成測(cè)試測(cè)量任務(wù)。它一般由多路開(kāi)關(guān) (MUX)，放大器(Amplifier)，采樣保持電路 (S/H)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 (1) 通道數(shù) 對(duì)于采用單端和差分兩種輸入方式的設(shè)備，模擬輸入通道數(shù)可以分為單端輸入通道數(shù)和差分輸入通道數(shù)。對(duì)于差分輸入，每一個(gè)輸入信號(hào)都有自有的基準(zhǔn)地線(xiàn)；由于共模噪聲可以被導(dǎo)線(xiàn)所消除，從而減小了噪聲誤差。分辨率越高，信號(hào)范圍被分割光伏電池板數(shù)據(jù)采集和測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程 14 成的區(qū)間數(shù)目越多，因此，能探測(cè)到得電壓變量就越小。數(shù)據(jù)采集卡提供了可選擇的輸入范圍，它與分辨率、增益等配合，以獲得最佳的測(cè)量精度。 USB7360 數(shù)據(jù)采集卡 經(jīng)過(guò)選擇比較，系統(tǒng)選用的是北京中泰研創(chuàng)科技有限公司自行研發(fā)的 USB7360系列數(shù)據(jù)采集卡。 USB接口技 術(shù)在計(jì)算機(jī)接口領(lǐng)域應(yīng)該稱(chēng)是劃時(shí)代的技術(shù)。讓使用數(shù)據(jù)采樣時(shí)更方便、更具有可移植性。在硬 件的安裝上非常簡(jiǎn)單，使用時(shí)只需將 USB7360的 USB接口插入計(jì)算機(jī)內(nèi)任何一個(gè) USB接口插座中，其模入、模出、 I/0信號(hào)、脈沖輸入及脈沖輸出信號(hào)均由模塊上的雙排針光伏電池板數(shù)據(jù)采集和測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程 15 插頭與外部信號(hào)源及設(shè)備連接。開(kāi)關(guān)量部分，本模塊有 16路數(shù)字量輸入和 16路數(shù)字量輸出接口，光隔 16路輸出可配接 PS002繼電器板。 當(dāng)要安裝多塊模塊時(shí)，應(yīng)先安裝第一塊模塊，軟件安裝中會(huì)出現(xiàn)上述 1～ 8的步驟，按以上步驟操作安裝。用戶(hù)通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) (Usb7kC． d11)中的 OpenUSB7kC函數(shù)，將 USB模塊的索引值賦給此函數(shù)，即可操作相應(yīng)的 USB模塊。它是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，并且其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。它可以增強(qiáng)構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。 LabVIEW軟件工具的特點(diǎn)可以歸納為： (1) 圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需編寫(xiě)任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語(yǔ)言； (2) 提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)； (3) 既提供了 傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，同時(shí)提供有獨(dú)到的高亮執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫(huà)式運(yùn)行，利于設(shè)計(jì)者觀(guān)察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開(kāi)發(fā)更為便捷； (4) 32位的編譯器編譯生成 32位的編譯程序，保證用戶(hù)數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量方案的高速執(zhí)行； (5) 囊括了 DAQ， GPIB， PXI， VXI， RS232/485在內(nèi)的各種儀器通訊總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)者也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器； (6) 提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如 DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) )、 DDE(共享庫(kù) )、 ActiveX等； (7) 強(qiáng)大的 Inter功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器開(kāi)發(fā)。一個(gè)完整的 VI程序由三部分組成：前面板 (Front Panel)、框圖程序 (Block Diagram)和圖標(biāo) /連接口。主要包括了節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)端口和連線(xiàn)，其中節(jié)點(diǎn)即一個(gè)執(zhí)行單位，是 VI程序運(yùn)行的要素，可以把它理解為程序的一條語(yǔ)句。 VI是具有層次結(jié)構(gòu)和模塊化的特點(diǎn)。這樣，頂層的 VI包含著一系列的 VI，其中每個(gè) VI都用于完成特定的功能，由于每個(gè)子 VI都可以單獨(dú)執(zhí)行，這樣使得在程序調(diào)試的時(shí)候非常方便。 LabVIEW 的操作模板 在 LabVIEW的用戶(hù)界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具 (Tools)模板、控制 (Eontrols)模板和函數(shù) (FuionS)模板。當(dāng)從模板內(nèi)。如果控制模板不顯示，可以用城 Windows菜單的 Show Controls Palette功能打開(kāi)它，也可以在前面板的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板，如圖 38所示。包含數(shù)字式、指針式 顯示表盤(pán)及各種輸入框。Path(字符串和路徑 ) 字符串和路徑的控制和顯示。Table( 列表和表格 ) 列表和表格的控制和顯示 6 Graph(圖形顯示 ) 顯示數(shù)據(jù)結(jié)果的趨勢(shì)圖和曲線(xiàn)圖。于操作 OLE， ActiveX等功能。函數(shù)模板