【正文】 .................................................................................. 38 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................ 39 致謝 ........................................................................................................................................ 40 緒論 1 1 緒論 光 伏電池領(lǐng)域現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在上世紀(jì)末本世紀(jì)初受到了世界各國(guó)的重視。世界各國(guó)紛紛立法，制定鼓勵(lì)政策，提出發(fā)展規(guī)劃，大力扶持，推廣應(yīng)用，促進(jìn)了光伏產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，使其成為近十年來增速最快的能源產(chǎn)業(yè)之一。光伏發(fā)電的安裝量從 2020年的 245MW猛增到 2020年的 1460MW，年平均增長(zhǎng)率達(dá) 43％。光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在未來十年仍將保持調(diào)整發(fā)展的勢(shì)頭。 太陽能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。 我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展在 2020年以后，主要是受到國(guó)際大環(huán)境的影響、國(guó)際項(xiàng)目、政府項(xiàng)目的啟動(dòng)和市場(chǎng)的拉動(dòng)。商業(yè)化晶體硅太陽能電池的效率也從 3年前的 13％ 14％提高到 16％ 17％ [13~17]。在產(chǎn)業(yè)布局上，中國(guó)太陽能電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了一定的集聚態(tài)勢(shì)。 隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，上世紀(jì)七十年代，我國(guó)投入了相當(dāng)大的人力和物力，建立了太陽電池測(cè)量實(shí)驗(yàn)室，開始了太陽電池的標(biāo)定與測(cè)試技術(shù)的研究工作。然而太陽電池的量值統(tǒng)一在全世界也是一個(gè)待解的難題。此時(shí)，一些公司、科研院所相繼進(jìn)入電池檢測(cè)領(lǐng)域。以 DKl00為代表的電池綜合測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池檢測(cè)和分選的自動(dòng)化。電池性能的檢測(cè)是通過檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，因此，提高檢測(cè)技術(shù)，提高檢測(cè)系統(tǒng)的適用性、穩(wěn)定性、可靠性對(duì)電池產(chǎn)品質(zhì)量水平的提高與電池行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。例如，多結(jié)太陽能電池測(cè)試技術(shù)。隨著新興的虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展以及其在各行各業(yè)的應(yīng)用，本文利用虛擬儀器技術(shù)建立了一整套光伏電池?cái)?shù)據(jù)采集和檢測(cè)裝置，對(duì)于光伏電池的生產(chǎn)以及在應(yīng)用時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)，系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性，適用性和穩(wěn)定性。作為虛擬技術(shù)的重要組成部分 —— 虛擬儀器(Virtual Instrument)是目前各國(guó)研究的熱點(diǎn) 之一。虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)作為儀器的硬件支撐 ， 充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲(chǔ)、調(diào)用顯示及文件管理等智能功能 ， 把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化，使之與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來融為一體，這樣便構(gòu)成了一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)儀器相同，同時(shí)又充分享用了計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。 本文研究的內(nèi)容和目的 光伏發(fā)電是通過光伏電池實(shí)現(xiàn)光 — 電直接轉(zhuǎn)換的過程，是太陽能開發(fā)利用的重要途徑之一，在世界范圍內(nèi)受到高度重視。目前大多的太陽能組件測(cè)試系統(tǒng)多為人工施加負(fù)載，很難求出太陽能電池組件的最佳功率點(diǎn)，也不能自動(dòng)畫出太陽能電池組件的 VI? 曲線，也不能隨著溫度、光強(qiáng)、光譜的變化而自動(dòng)修正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。電壓 電流關(guān)系曲線 ( VI? 曲線 )在工程科學(xué)中是極其重要而又常用的關(guān)系曲線，尤其對(duì)于光伏電池的研究。本論文研究?jī)?nèi)容主要是利用多功能數(shù)據(jù)采集卡建立一個(gè)光伏電池性能測(cè)試平臺(tái)，對(duì)光伏電池性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，以此來分析光伏電池的工作特性，在此過程中實(shí)現(xiàn)通過 LabVIEW軟件編程對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的控制等。通過 LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)光伏電池功率的范圍和組件進(jìn)行標(biāo)定。在能源枯竭與環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重的今天，人們渴望用“取之不盡，用之不竭”的可再生能源來代替資源有限、污染環(huán)境的常規(guī)能源。太陽能光伏發(fā)電作為一種既清潔又環(huán)保的綠色能源，是近期急需的能源補(bǔ)充，又是未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某個(gè)輸出電壓值時(shí)，光伏電池的輸出功率才能達(dá)到最大值。所以除設(shè)備故障因素以外，發(fā)電裝置輸出功率隨日照、天氣、季節(jié)、溫度等自然因素而 變化，輸出功率極不穩(wěn)定。 光伏板模型及電磁特性 4 2 光伏板模型及電磁特性 光伏電池的結(jié)構(gòu)和原理 光伏電池是一種對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。 P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得 N型硅，形成 PN結(jié)。這個(gè)過程 的 實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。上表面為 N型區(qū)，構(gòu)成一個(gè) PN結(jié)。上下電極分別與 N區(qū)和 P區(qū)形成歐姆接觸，整個(gè)上表面還均勻覆蓋著減反射膜。各區(qū)中的光生載流子如果在復(fù)合前能越過耗盡區(qū)，就 對(duì)發(fā)光電壓作出貢獻(xiàn)。當(dāng)光伏電池兩端接一負(fù)載后，光電池就從 P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至 N區(qū)，負(fù)載中就有功率輸出?？拷攨^(qū)產(chǎn)生陽光電流對(duì)短波長(zhǎng)的紫光 (或紫外光 )敏感，約占總光源電流的 5％ — 10％ (隨 N+區(qū)厚度而變 )， PN結(jié)空間電荷的光生電流對(duì)可見光敏感，約占 5％左右。 光伏電池可用恒流源 PHi 、 PN結(jié)二極管 D、串聯(lián)電阻 SR 和并聯(lián)電阻 SHR 組成的電路來表示，如圖 21所示，電路為光伏電池的等效電路圖。 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(shí)，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(shí)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。 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。 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。 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。一個(gè)理想的光伏電池，串聯(lián)電阻 SR 很小，而并聯(lián)電阻 SHR 很大。 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(shí)，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。 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(duì) 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(shí)，負(fù)載電流 Li =0，此時(shí)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(shí)，即 LR =O時(shí)，此時(shí)負(fù)載電壓為零，此時(shí)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。 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(shí)，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。下圖 23是光伏電池的輸出功率與電阻、電流、電壓的關(guān)系?？捎酶邇?nèi)阻的直流毫伏計(jì)測(cè)量電池的開路電壓。測(cè)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。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(hào) mp 表示。表示 : mmm iup ?? 。 FF的值始終小于 l。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。這一結(jié)論對(duì)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)。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。 光伏電池板數(shù)據(jù)采集和測(cè)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(cè)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(cè)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。同時(shí)溫度 傳感器采集光伏電地板的溫度，溫度信號(hào)也通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。 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(cè)設(shè)備等模擬或數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息的過程。一個(gè)完整的 DAQ系統(tǒng)包括傳感器或變換器、信號(hào)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(dòng)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(cè)對(duì)象 傳感器信號(hào) 調(diào)理信號(hào) 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(cè)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(cè)量的電信號(hào)。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(cè)量應(yīng)力、流速或壓力。常見的信號(hào)類型有 5類，其中模擬信號(hào)包括直流 (DC)信號(hào)、時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)；數(shù)字信號(hào)包括通斷和脈沖序列兩種類型。對(duì)同一個(gè)信號(hào)可以采用多種測(cè)量角度。信號(hào)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(lì)和數(shù)字信號(hào)調(diào)理等。 傳感器的選擇 在溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，根據(jù)具體系統(tǒng)對(duì)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。 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(cè)溫度一定時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)恒流源。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的 主要技術(shù)指標(biāo)： (1) 測(cè)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(huì)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(cè)試系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)過程 12 AD590在應(yīng)用時(shí)，是一個(gè)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(shí)將此電流值再轉(zhuǎn)換為電壓值。由于一般電源供應(yīng)較多元件之后，電源是帶噪聲的，因此使用齊納二極管作為穩(wěn)壓零件，再利用可變電阻分壓，其輸出電 壓 1u 需調(diào)整至 。此調(diào)理電路原理圖如下圖 33所示： 圖 33 傳感器 AD590調(diào)理電路 根據(jù)放大器的工作原理可得出式 33， 34： KuuKuu NNO 20200 1??? (33) 20k 20k 光伏電池板數(shù)據(jù)采集和測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)過程 13 K uuKu NN 201 0 0 2??? (34) 由式 33， 34可得 Ou : 20tuO? V (35) 當(dāng)所測(cè)溫度為 30~80℃時(shí)，給出電壓 Ou 為 ~4V，適應(yīng)本測(cè)試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集范圍 5~+5V。 一 個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入，模擬輸出，數(shù)字 I