【正文】 線性的等，這種信號(hào)在進(jìn)入采集卡之前必須經(jīng)過信號(hào)調(diào)理。但這 5種信號(hào)并不互相排斥，它只是電信號(hào)的 5種測量角度而已。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(hào)。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(hào)。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)。電流電壓以及溫度信號(hào)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(shí)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。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。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。 (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。 光伏板模型及電磁特性 9 圖 24 串并聯(lián)電阻對(duì)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(hào)表示為 Wp(peak watt)。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。 (5) 串聯(lián)電阻并聯(lián)電阻 串并聯(lián)電阻對(duì)填充因子有很大的影響，同時(shí)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。 (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。此時(shí)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(hào) mu 和 mi 。 (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就得到光伏電池的伏安特性曲線。 (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(shí)，流過光伏電池兩端的電流。 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(shí)，光伏電池的輸出電壓值。這樣才可以獲得最大的功率輸出，提高太陽能的利用效率。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(gè)點(diǎn)，就是光伏電池的最大功率點(diǎn)。 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(shí)也可稱為 I— U曲線。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(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。負(fù)載兩端的電壓 Lu 稱為光伏電池的工作電壓。其中 LSH ii ? ， LSG uu ? 。 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(duì)應(yīng)的 PN結(jié)漏泄電阻和電池邊緣的漏泄電阻等組成。 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(gè)普通二極管。 光伏板模型及電磁特性 5 圖 21 光伏電池的等效電路 PHi 光伏電池的光電流； DD ui / 內(nèi)部 PN二極管的電流和電壓； SHR 由于表 面不均勻和光伏電池棱角電流損失，所以有一個(gè)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(gè)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 ? 。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。 光伏電池各區(qū)對(duì)不同波長光的敏感型是不同的。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)。 當(dāng)入射光照在電池表面時(shí)，光子穿過減反射膜進(jìn)入硅中，能量大于硅禁帶寬度的光子在 N區(qū)， PN結(jié)空間電荷區(qū)和 P區(qū)中激發(fā)出光生電子 —— 空穴對(duì)。頂區(qū)表面有柵狀金屬電極，硅片背面為金屬底電極。 硅光伏電池的基本材料為 P型單晶硅，厚度為 — 。當(dāng)光線照射太陽電池表面時(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)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，砷化鎵，非晶硅，硒銦銅等，但是它們的發(fā)電原理基本相同，以晶體硅為例來描述光發(fā)電過程。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。光伏發(fā)電裝置的實(shí)際輸出功率隨光照強(qiáng)度的變化而變化，白天光照強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)，發(fā)電裝置輸出功率最大，夜晚幾乎無光照，輸出功率基本為零。 光伏電池輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況影響。以半導(dǎo)體光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)的光伏發(fā)電技術(shù)，能滿足 人類的需要。 本文研究 的 意義 能源是人類賴以生存的物質(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，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。利用 LabVIEW以及其它相關(guān) 軟件對(duì)所測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)等功能。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試技術(shù)平臺(tái)。 緒論 3 本文所設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器下的光伏電池組件測試平臺(tái)利用了反向偏壓電子負(fù)載的形式，可在極短時(shí)間內(nèi)同時(shí)測出多個(gè)點(diǎn)的 電壓、電流值，并且給出光伏電池組件由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)修正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電池功率。我國光伏發(fā)電市場需求旺盛，光伏發(fā)電系統(tǒng)被應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)儀器通常由信號(hào)的采集，信號(hào)的分析，信號(hào)的輸出 3部分組成；虛擬儀器同樣可以劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、顯示結(jié)果三大功能模塊。美國國家儀器公司 (National Instrument簡稱 NI)于 20世紀(jì) 70年代中期提出虛擬儀器的概念。 虛擬儀器的概述 虛擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是信息技術(shù)最重要的組成部分，它們被稱為 21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)中的三大核心技術(shù)。近幾年我國研制出各種多結(jié)太陽能電池新品，對(duì)于 多結(jié)太陽能電池，如果還采用傳統(tǒng)的太陽能電池測試設(shè)備，必將產(chǎn)生無法估量的測試誤差。 同時(shí)作為新興的行業(yè)，太陽能電池產(chǎn)品的種類和性能變化非常快，與之相適應(yīng)的太陽能電池測試技術(shù)卻沒有能夠立即跟上。 我國的電池測試行業(yè)一直在持續(xù)不斷的發(fā)展，但與國際先進(jìn)水平相比還存在著一定的差距。其中引進(jìn)計(jì)算機(jī)集散 控制系統(tǒng)來實(shí)施批量大規(guī)模的電池測試。我國的電池檢測設(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)行測試。主要的測試設(shè)備包括國產(chǎn)和進(jìn)口的 A級(jí)太陽模擬器，用于電性能測量并開發(fā)了基于鎖相放大技術(shù)的太陽能電池光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)。在長三角、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能產(chǎn)業(yè)集群?？傮w來看，中國太陽能電池的國際市場份額和技術(shù)競爭力大幅提高。近 5年來，中國光伏電池產(chǎn)量年增長速度達(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 ％增長至 2020年的近15％。由此可以看出，太陽能 電池市場前景廣闊。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，太陽能發(fā)電將占到 60％以上 [11~12]。在德、日、美等 40多個(gè)積極發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)的政府的推動(dòng)下，目前太陽能終端用戶的需求量大大超過了產(chǎn)能 增長。其中德國為 80％，美國為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]。 1998~2020年全球光伏發(fā)電產(chǎn)量的年平均增長率 (CAGR)以兩位數(shù)增加， 1998~2020年的 CAGR為 30％， 2020~2020年的 CAGR為 44％。目前光伏發(fā)電居世界各國前列的是日本、德國和美國。 the optimal power point。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。最后 對(duì)自己所設(shè)計(jì)出來的界面進(jìn)行調(diào)試，雖然沒有真正的組件測試，但是可以利用 LabVIEW中的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器仿真電壓、電流，然后得到電壓、電流曲線， VI? 圖像、功率曲線，進(jìn)而找到最佳功率點(diǎn)。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)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。 論文在分析任 務(wù)、 技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體方案，并且從硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)整體的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。測試組件時(shí)環(huán)境溫度要求在 25℃ 。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 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)校保留并向國家有關(guān)部門或機(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。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 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。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。