【文章內(nèi)容簡介】 電池棱角電流損失，所以有一個并聯(lián)損失電阻； SR 由于硅片的軌道電阻和接觸，接頭損失，所以有一個串聯(lián)的損失電阻； SGSGui / 太陽能產(chǎn)生的電流和電壓； LLL uiR // 負(fù)載電阻，電流，電壓； 其中 LSH ii ? ， LSG uu ? 。 其中 PHi 為光伏電池的光電流，它的值正比于光伏電池的面積和入 射光的輻照度；DD ui / 為內(nèi)部 PN結(jié)二極管的電流和電壓， Di 被稱為暗電流，所謂暗電流是指光伏電池在無光照時，由外電壓作用下 PN結(jié)內(nèi)流過的單向電流，它的大小反映出在當(dāng)時環(huán)境溫度下，光伏電池 PN結(jié)自身能產(chǎn)生的總擴(kuò)散電流的變化情況。 硅型光伏電池在無光照情況下的基本行為特性類似于一個普通二極管。 LR 為串聯(lián)電阻，它主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻、電極與硅表面間接觸電阻和金屬導(dǎo)體電阻等組 成。 SHR 為并聯(lián)電阻，它主要是有電池表面污濁和半導(dǎo)體晶體缺陷引起的漏電流所對應(yīng)的 PN結(jié)漏泄電阻和電池邊緣的漏泄電阻等組成。 SGSGui / 為太陽能產(chǎn)生的電流和電壓； LLL uiR // 負(fù)載電阻、電流、電壓。其中 LSH ii ? ， LSG uu ? 。 光伏系統(tǒng)的狀態(tài)分析 電池的伏安特性曲線 光伏電池接上負(fù)載 LR 之后，負(fù)載中就有電流流過，該電流稱為光伏電池的工作電流，也稱為輸出電流或者負(fù)載電流。負(fù)載兩端的電壓 Lu 稱為光伏電池的工作電壓。一個理想的光伏電池，串聯(lián)電阻 SR 很小，而并聯(lián)電阻 SHR 很大。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，這兩個電阻可以忽略不計(jì)，此時，流過負(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 n值為 1，正偏電壓小時 n值為 2)； e為 自然對數(shù)的底。 在短路狀態(tài)下， Lu =0，可得到短路電流 SCi ；在開路狀態(tài)下，且 Li =0時，電壓表示為 OCu ，用式表示為： ???????? ?? 1ln ODOC IiqnkTu (23) 式 (2— 3)是開路電壓的表達(dá)式，表明要提高光伏電池的開路電壓，必須提高短路電流和反向飽和電流的比值。 根據(jù)式 (2— 2)、 (2— 3)作圖，可得到光伏電池的伏一安特性曲線，如圖 2— 2所示，同時也可稱為 I— U曲線。 圖 22 伏安特性曲線 在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，光伏電池并不處于理想狀態(tài)，必須考慮到串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，對 i SCi mi mp mu OCu u 光伏板模型及電磁特性 7 應(yīng)圖 21光伏電池的等效電路，可以列出光伏電池兩端的電壓與電流的關(guān)系如下面的關(guān)系式： ? ?SHSLLRiun k TqOPHL R RiueIii SLL ???????? ??? ? 1 (24) 當(dāng)電路處于開路時，負(fù)載電流 Li =0，此時的開路電壓 OCu 由式 24可得到如下關(guān)系式： PHSHOCn k TquO iRueIOC ?????????? ? 1 (25) 當(dāng)電池兩端短路時，即 LR =O時，此時負(fù)載電壓為零，此時的電流為短路電流 SCi ，由式 24可得到如下關(guān)系式： ???????? ????????? ? 11 n k TiqROPHSHSSCSCSeIiRRi (26) 功率匹配 在一定的光照強(qiáng)度下，光伏電池的輸出功率 uip? 隨著負(fù)載的增大，在電流基本不變的前題下，隨著輸出電壓的逐漸增大，輸出功率也隨之增大，體現(xiàn)了光伏電池恒流源的特性。而如果負(fù)載繼續(xù)增大，電壓和電流都開始急劇下降，而功率最大的那個點(diǎn)，就是光伏電池的最大功率點(diǎn)。 根據(jù)光伏電池的這種工作特性，在選擇光伏電池的負(fù)載時，就需要選擇匹配的負(fù)載電阻使得負(fù)載電阻整體上大概等于光伏電池的內(nèi)阻。這樣才可以獲得最大的功率輸出，提高太陽能的利用效率。下圖 23是光伏電池的輸出功率與電阻、電流、電壓的關(guān)系。 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 光伏電池的檢測參數(shù) (1) 開路電壓 開路電壓 OCu ，即將光伏電池置于 1000W/ 2cm 的光源照射下，在兩端開路時，光伏電池的輸出電壓值?？捎酶邇?nèi)阻的直流毫伏計(jì)測量電池的開路電壓。 (2) 短路電流 短路電流 SCi ，就是將光伏電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，在輸出端短路時，流過光伏電池兩端的電流。測量短路電流的方法，是用內(nèi)阻小于 1Ω的電流表接在光伏電池的兩端。 (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，將不同阻值所對應(yīng)的工作電壓和電流值做成曲線就得到光伏電池的伏安特性曲線。如果選擇的負(fù)載電阻值能使輸出電壓和電流的乘積最大，即可獲得最大輸出功率，用符號 mp 表示。此時的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓和最佳工作電流，分別用符號 mu 和 mi 。表示 : mmm iup ?? 。 (4) 填充因子 光伏電 池的另一個重要參數(shù)是填充因子 FF，它是最大輸出功率與開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，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。 FF的值始終小于 l。 (5) 串聯(lián)電阻并聯(lián)電阻 串并聯(lián)電阻對填充因子有很大的影響，同時電池的短路電流只受串聯(lián)電阻的影響，而開路電壓只受并聯(lián)電阻的影響。如圖 24所示，串聯(lián)的電阻越大，短路電流下降的越多，填充因子也隨之減少的越多；并聯(lián)的電阻越小，這部分電流就越大，開路電壓就下降的越多，填充因子也隨之也下降的越多。所以減少串聯(lián)電阻和增大并聯(lián)電壓對于提高電池的填充因子和能量轉(zhuǎn)換有重大作用。這一結(jié)論對于光伏電池的制造以及光伏特性的改善有重要的作用。 光伏板模型及電磁特性 9 圖 24 串并聯(lián)電阻對填充因子的影響 [4] (6) 轉(zhuǎn)換效率 光伏電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負(fù)載電阻式的最大能量轉(zhuǎn)換效率，等于光伏電池的輸出功率與入射到光伏電池表面的能量之比： inmpp?? (28) 地面用光伏電池的測試標(biāo)準(zhǔn)為：大氣質(zhì)量為 ，入射的太陽輻照度為 1000W/ 2m ，溫度為 25℃，在此條件下光伏電池的輸出功率定義為光伏電池的峰瓦數(shù)，用符號表示為 Wp(peak watt)。 光伏電池的光電轉(zhuǎn)換率是衡量電池質(zhì)量和技術(shù)水平的重要參數(shù)，它與電池的結(jié)構(gòu)、結(jié)特性、材料性質(zhì)、工作溫度、放射性粒子輻射損傷和環(huán)境變化等有關(guān)。 (7) 電池溫度 溫度對系統(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。在給定光強(qiáng)下，光伏電池工作溫度的升高將影響電池的輸出功率。電池的輸出功率和效率隨溫度升高而減少，每升高 1℃，效率約下降 ％，使用壽命也降低。 光伏電池板數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)過程 10 3 光伏電池板數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)過程 光伏電池板數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如上圖 31所示，太陽光照射到光伏電池板上。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，不需要傳感器，電流信號經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路，電壓經(jīng)過分壓電路，之后可以直接通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。同時溫度 傳感器采集光伏電地板的溫度，溫度信號也通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。電流電壓以及溫度信號經(jīng)采集卡傳到電腦上的 LabVIEW軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和保存，經(jīng)處理和保存過的數(shù)據(jù)在測試系統(tǒng)中再次被調(diào)用，同時通過日射強(qiáng)度計(jì)來采集光照強(qiáng)度，以此來分析光伏電池的特性。 圖 31 系統(tǒng) 總體結(jié)構(gòu)圖 光伏電池板數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集 (Data AcQuisition， DAQ)是從傳感器和其他待測設(shè)備等模擬或數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì) 算機(jī)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自己定義的測量系統(tǒng)。一個完整的 DAQ系統(tǒng)包括傳感器或變換器、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和分析硬件、計(jì)算機(jī)、驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件等，如圖 32所示： USB 圖 32 典型的基于 PC的數(shù)據(jù)采集 (DAQ)系統(tǒng) 太陽 光伏電池板 數(shù)據(jù)采集卡 數(shù)據(jù)采集 特性分析 光伏電池板面積 日射強(qiáng)度計(jì) 溫度傳感 電流 電壓 溫度 LABVIEW PC 被測對象 傳感器信號 調(diào)理信號 數(shù)據(jù)采集卡 DAQ PC LABVIEW 軟件 光伏電池板數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)過程 11 (1) 傳感器和變換器 傳感器感應(yīng)物 理信息并生成可測量的電信號。例如熱電偶、電阻式測溫計(jì) (RTD)、熱敏電阻器和 IC傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變成 ADC可測量的模擬信號。其他例子包括應(yīng)力計(jì)、流速傳感器、壓力傳感器等，它們可以相應(yīng)地測量應(yīng)力、流速或壓力。在所有這些情況下，傳感器可以生成和它們所檢測的物理量呈比例的電信號。常見的信號類型有 5類，其中模擬信號包括直流 (DC)信號、時域信號和頻域信號；數(shù)字信號包括通斷和脈沖序列兩種類型。但這 5種信號并不互相排斥，它只是電信號的 5種測量角度而已。對同一個信號可以采用多種測量角度。 (2) 信號調(diào)理 從傳感器得到 的信號可能會很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的等，這種信號在進(jìn)入采集卡之前必須經(jīng)過信號調(diào)理。信號調(diào)理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復(fù)用、濾波、激勵和數(shù)字信號調(diào)理等。 光伏電池板數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本檢測系統(tǒng)的硬件主要有一臺電腦，數(shù)據(jù)采集卡 USB7360，溫度傳感器，日射強(qiáng)度計(jì)，萬用表，可變電阻、電線組成。 傳感器的選擇 在溫度檢測系統(tǒng)中，根據(jù)具體系統(tǒng)對傳感器的選擇很重要，它是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，傳感器的性能直接影響系統(tǒng)的性能。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是 AD公司利用 PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型溫度傳感器．這種傳感器在被測溫度一定時，相當(dāng)于一個恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。即使電源在 5～ 10V之間變化，其電流只是在 1uA以下作微小變化。 AD590產(chǎn)生的電流與絕對溫度成正比，它有非常好的線性輸出性能，溫度每增加 1℃，其電流增加 1uA。 AD590的 主要技術(shù)指標(biāo)： (1) 測溫范圍為 55℃ ～ +150℃ ； (2) 電源電壓范圍為 4V～ 30V，可以承受 44V正向電壓和 20V反向電 壓，因而器件即使反接也不會被損壞； (3) 輸出電阻為 710mΩ； (4) 精度高， AD590在 55℃ ～ +150℃ 范圍內(nèi)，非線性誤差僅為 177。℃ 。 光伏電池板數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)過程 12 AD590在應(yīng)用時，是一個恒流源，它將溫度值轉(zhuǎn)換為電流值，而此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時將此電流值再轉(zhuǎn)換為電壓值。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， 因此量測的電壓 u 為 : ? ? ?????? ??????? tKutu V (32) 為了將電壓量測試出來又需使輸出電流 i 不分流出來，使用電壓跟隨器，其輸出電壓 2u 等于輸入電壓