【正文】 和 的值與太陽電池端電壓 大小接近時(shí)，2 1RU2 t就引入了系統(tǒng)誤差，并且這個(gè)誤差是不可忽略的。 四線制測(cè)量原理在單體太陽電池測(cè)試中，一般單體太陽電池的工作電壓只有 0~，電流可達(dá)到 5A 或以上，如果采用兩線制測(cè)量的話，在電線上的壓降較大，產(chǎn)生測(cè)量誤差。根據(jù)理論推導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)證明四線制測(cè)量可以大大減少引線壓降對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響 [9]。 R 3R 1R 4R 2VA太陽電池R L光源E 圖27 四線制測(cè)量的原理四線制測(cè)量的主要方法就是將電壓測(cè)量線路與電流測(cè)量線路分開，分別用兩組導(dǎo)線完成。因?yàn)殡妷罕淼膬?nèi)阻是無窮大，可3R4L以認(rèn)為電壓線上沒有電流流過，即 , 上的壓降為零，這樣電壓表上的讀數(shù)3R4就是太陽電池輸出電壓 。這種測(cè)試方法就消除了LI由于引線電阻和接觸電阻帶來的系統(tǒng)誤差。從圖27 中可以看出，采用四線制測(cè)量時(shí)，在與被測(cè)器件的連接點(diǎn)上電壓線和電流線是連接在一起的，但在測(cè)試設(shè)備中是分離的，這就存在電壓測(cè)量電路和電流測(cè)量電路不能共地的問題，這里我們采用差分放大器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大來解決這個(gè)問題。根據(jù)原理圖，可以做如下分析 :2R34A D 6 2 0R 1R 3R 2 R 4R b 1R b 2V 1V 2V TIV v o被 測(cè)太 陽電 池I C 2電 流 線電 壓 線電 流 線電 壓 線增 益 電 阻補(bǔ) 償 電 源Q 1RB T 圖28 太陽電池四線制測(cè)量原理圖差分放大器的輸出為： （2??12VOA???9）式中， 為差分放大器AD620的增益。 [10]在電流測(cè)試回路中， 、 、太陽電池、 與補(bǔ)償電源BT 組成測(cè)量回路，1R21Q這時(shí)盡管電流線中的電流I 很大，使得 和 上的壓降不可忽略，但是，在采12R樣電阻R 上測(cè)得的電流與太陽電池流過的電流一樣的，不受電阻 ， 的影響。因此一般采用MOS 管加補(bǔ)償電源組成的電子負(fù)載來代替圖22中的可變電阻 。因此，該區(qū)域又可稱為可調(diào)電阻區(qū)。 V TI被 測(cè)太 陽電 池補(bǔ) 償 電 源Q 1V RB T電 流 采 樣V EV D S電 子 負(fù) 載控 制 極電 壓 測(cè) 量圖 29 電子負(fù)載法測(cè)IV 特性曲線圖中補(bǔ)償電源BT的作用是補(bǔ)償MOS管和采樣電阻上的壓降，并且補(bǔ)償電源要大于MOS 管的飽和壓降加采樣電阻上的壓降。當(dāng)MOS 管處于截至狀態(tài)時(shí)，漏極和SCI源極之間的漏電流只有μA量級(jí)，對(duì)開路電壓的測(cè)試幾乎沒有影響，可認(rèn)為此狀態(tài)下測(cè)得的電壓即是開路電壓Voc。這就是電子負(fù)載測(cè)量的基本原理。本測(cè)試系統(tǒng)必須采集太陽電池的電流、電壓，太陽光模擬器的溫度和光強(qiáng)等信號(hào)。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)了基于ATmegal6單片機(jī)的下位機(jī)和上位PC機(jī)系統(tǒng)。但是單片機(jī)在數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交互方面有著極大的缺陷，PC機(jī)則正好彌補(bǔ)了這種不足。他們之間則通過RS232口進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸。以上是太陽電池參數(shù)測(cè)試的一次完整過程。下面分別介紹構(gòu)成太陽電池測(cè)試系統(tǒng)的四個(gè)重要部分：太陽光模擬器、測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和后期的數(shù)據(jù)分析。太陽光模擬器是模擬太陽光譜和光強(qiáng)的一種光源設(shè)備，是太陽電池測(cè)試系統(tǒng)中不可或缺的一部分，是對(duì)太陽電池進(jìn)行檢測(cè)與標(biāo)定的關(guān)鍵。采用氙燈作為太陽光模擬器的光源，是因?yàn)殡療舻妮椪展庾V與太陽光相近，并且氙燈可以在遠(yuǎn)離被測(cè)件的時(shí)候仍能保證有效測(cè)試面積。l℃ [13]。目前，國(guó)內(nèi)外使用的模擬器主要有穩(wěn)態(tài)太陽光模擬器與脈沖太陽光模擬器，表31列出了穩(wěn)態(tài)太陽光模擬器與脈沖太陽光模擬器的比較。通過對(duì)大量的資料進(jìn)行分析以及實(shí)驗(yàn)，我們最終采用脈沖氙燈太陽光模擬器作為我們測(cè)試用的光源，在測(cè)試過程中通過標(biāo)準(zhǔn)太陽電池校正，將光強(qiáng)調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)。 衡量太陽光模擬器的主要技術(shù)指標(biāo)衡量太陽光模擬器的主要技術(shù)指標(biāo)是：輻照強(qiáng)度、輻照不均勻度、輻照不穩(wěn)定度和光譜分布。 輻照強(qiáng)度輻照強(qiáng)度是入射到單位表面積上的輻射功率（ ），公式為：2Wm?? （3eMS??1）為總輻射通量，S 為受光面積。當(dāng)輻照強(qiáng)度不隨時(shí)間改變時(shí)，輻照不均勻度δ由下式計(jì)算： （3maxin10%E??????2）式中： 為有效測(cè)試面上測(cè)得的最大輻照度， 為有效測(cè)試面上測(cè)得的最maxEminE小輻照度。在太陽光模擬器的設(shè)計(jì)中，要求通過聚光系統(tǒng)、光學(xué)積分器以及軟件的補(bǔ)償，在直徑200mm 的有效面積范圍內(nèi)，輻照不均勻度小于177。 輻照強(qiáng)度的不穩(wěn)定度在有效測(cè)試面內(nèi)的任意固定位置上，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，輻照度隨時(shí)間變化的最大相對(duì)偏差，定義為輻照不穩(wěn)定度δ′，由下式計(jì)算： (33)maxin39。39。E為在全部有效測(cè)試面積內(nèi)，在一定時(shí)間內(nèi)測(cè)得的最小輻照度。輻照度、輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度的檢測(cè)方法可見參考文獻(xiàn) [15]。在晴朗的天氣，太陽輻射到達(dá)地面的衰減程度規(guī)定為一個(gè)大氣質(zhì)量，這時(shí)太陽光穿過大氣的厚度最小。當(dāng)太陽以天頂角 斜入?射時(shí)，大氣質(zhì)量由下式給出：大氣質(zhì)量= （31cos?4）由于太陽電池在光照下的響應(yīng)與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)，IEC 規(guī)定太陽光模擬器光譜分布的標(biāo)準(zhǔn)是 ，即 = 176。硅太陽電池將波長(zhǎng)200nm1100nm 的太陽光的能量轉(zhuǎn)換為電能，因此光源的光譜輻照度分布影響著太陽電池的IV 特性中的電流值的改變。由于模擬光源的光譜和自然光譜不可能完全一致，因此造成了模擬光源的光譜相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜的偏離，并且實(shí)際測(cè)試時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電池和被測(cè)電池兩者的光譜響應(yīng)在很多情況下并不一致，存在的偏差會(huì)對(duì)IV 特性中的電流數(shù)據(jù)結(jié)果造成影響。，會(huì)產(chǎn)生光譜失配誤差。()oE?sE從上式我們可以看出，式中不含太陽電池面積參數(shù)，意味著太陽電池面積與光譜失配誤差無關(guān)。但是要實(shí)現(xiàn)太陽光模擬器的光譜和標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜（）完全一致是非常困難的，這會(huì)大大提高太陽光模擬器的成本，因此在實(shí)驗(yàn)的過程中，可采用一片經(jīng)過計(jì)量的太陽電池作為標(biāo)準(zhǔn)電池，對(duì)太陽電池測(cè)試設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。綜上所述，在太陽電池測(cè)試系統(tǒng)中，對(duì)太陽光模擬器選擇的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是輻照強(qiáng)度、輻照不均勻度、輻照不穩(wěn)定度。這三部分分別是數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分以及數(shù)據(jù)傳輸部分。數(shù)據(jù)處理部分的主要的功能就是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，并送交上位機(jī)進(jìn)行顯示。測(cè)試系統(tǒng)的框圖如圖 4l 所示。測(cè)試時(shí)，單片機(jī)先通過電子多路開關(guān)和繼電器用量程最大的電壓和電流檔位預(yù)測(cè)量太陽電池的開路電壓和短路電流值，再根據(jù)預(yù)測(cè)量的電壓和電流值計(jì)算出合理的檔位值，然后單片機(jī)根據(jù)計(jì)算出的檔位值，通過多路開關(guān)和繼電器來接通需要的放大電阻，最后再用計(jì)算出的檔位測(cè)量太陽電池的特性曲線。太陽電池的輸出電壓的放大可以用精密放大器來實(shí)現(xiàn)，電壓經(jīng)放大后經(jīng)過進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換芯片的模擬輸入通道，在單片機(jī)的控制下經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換輸出到單片機(jī)的電壓值緩沖區(qū)。電子負(fù)載用來模擬太陽電池的負(fù)載特性，在單片機(jī)的控制下，測(cè)出太陽電池從開路到短路連續(xù)工作過程中的電流和電壓值。精密放大器源于運(yùn)算放大器，優(yōu)于運(yùn)算放大器。 V c cV +V V I N +V I N 12345678V 0圖42AD620AN典型接法IQ 1V R+ 1 5 V 1 5 V12345678B T 1R 1 3R 1 4R 1 5R 1 2G N DG N DG N DA D C O M 1A D C O M 2S o l l a rc e l lA D 6 2 0 A NV D AR 43電壓、電流采樣電路太陽電池的輸出極連接到精密放大器AD620AN的輸入引腳2腳和3腳，AD620AN的6腳輸出到A/D轉(zhuǎn)換芯片的模擬輸入端， AD620AN的4腳和7腳接177。?K精密電阻 、 、 、 可以對(duì)太陽電池輸出電壓進(jìn)行分壓。A/D 轉(zhuǎn)換芯片一般不允許接太高的電源電壓。在本線路中，為提高測(cè)試精度，滿足不同量程的太陽電池的測(cè)試，選用了多路電子開關(guān)CD4051BE 來接通不同阻值的電阻，以改變AD620AN的放大倍數(shù)，間接達(dá)到這個(gè)目的。 圖44 多路電子開關(guān)CD4051BE原理圖CD4051BE相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開關(guān)，開關(guān)接通哪一通道，由輸入的3 位地址碼ABC來決定。ADCOM1 和 ADCOM2 之間并接8個(gè)不同阻值的電阻以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽電池電壓的不同放大倍數(shù)。參照?qǐng)D44 ，當(dāng)PC0=1，PC1=0，PC2=0時(shí)，可測(cè)0～10V的電壓。當(dāng)PC0=0， PC1=0，PC2=l 時(shí)，可測(cè)0～50V的電壓。本設(shè)計(jì)是通過控制三極管的基極來調(diào)節(jié)三級(jí)管的集電極和射極之間的電壓，進(jìn)而改變太陽電池的輸出電流。根據(jù)這個(gè)要求選擇了富士電機(jī)的2SB757型的低頻大功率晶體管，它的主要參數(shù)如下： ， ，WPCM80?AICM15。VCO40? 電子負(fù)載電路電子負(fù)載用來模擬太陽電池負(fù)載特性，以測(cè)出太陽電池從開路到短路連續(xù)工作過程中的電流和電壓值。被測(cè)太陽電池兩端的電壓為 ，調(diào)節(jié)三極管基極電壓，改ERCEU???變 大小，使 =0，這時(shí)流過取樣電阻的電流為真正的短路CEURCEU???電流。如果要測(cè)量伏安特性曲線上電壓為 時(shí)對(duì)應(yīng)的電流 ，首先根據(jù)PUPI的大小通過 D/A 轉(zhuǎn)換器送出和 值大小成比例為 K 的模擬量至電壓自動(dòng)跟PUP蹤電路，即電壓給定輸入端 。 直接加到三極管的基極，控制流過三極管的電流，同時(shí)也改變 與 ，當(dāng) 時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)過程結(jié)束，取得的流過取樣電阻的電CEUP?流值，即為 。 (1) 定電壓給定電路 (D/A轉(zhuǎn)換電路)轉(zhuǎn)換器是數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)接口的關(guān)鍵部件，也是信號(hào)處理系統(tǒng)的/DA重要組成部分。轉(zhuǎn)換器的選用主要考慮其分辨率和線性誤差，根據(jù)分辨率的定義，位/數(shù)越多，分辨率越高，但只靠增加轉(zhuǎn)換器的位數(shù)并不能使 轉(zhuǎn)換器的分辨率/DA無限增加。本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)太陽電池的電流、電壓等參數(shù)具有精度上的要求(電流為1mA，電壓為1mV)。DAC輸出電壓范圍為基準(zhǔn)電壓的兩倍，且其輸出是單調(diào)變化的，因此采用MCl403作為 TLV5618的基準(zhǔn)電壓源。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，TLV5618 用三根信號(hào)線連接 ATmegal6單片機(jī)的串行通信接口SPI，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入與輸出。 DIN1SCLK2CS3OUTA4 GND 5REF 6OUTB 7VCC 8TVL5618PB7PB5PB6VCCOUTBC21C22Ref+圖46 TLV5618定電壓給定電路原理圖在本測(cè)試系統(tǒng)中，MCl403輸出的基準(zhǔn)電壓送給TLV5618 ，作為 的基/DA準(zhǔn)電壓。(2) 轉(zhuǎn)換器的選用/AD轉(zhuǎn)換器是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)與模擬世界的重要接口器件，在測(cè)試電路中， 轉(zhuǎn)換器用來將太陽電池的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳給ATmegal6/單片機(jī)。 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的差異主要是影響 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度//和分辨率這兩個(gè)參數(shù)。Σ△ 轉(zhuǎn)換器是新近出現(xiàn)的一種 轉(zhuǎn)換器，其主要組成部分有Σ△/ /調(diào)制器和數(shù)字濾波器，它是為滿足數(shù)字音響的需求而發(fā)展起來的。本測(cè)試系統(tǒng)要對(duì)太陽電池的電壓、電流、太陽光模擬器的溫度(此信號(hào)的采集直接從數(shù)字溫度傳感器獲得)和光強(qiáng)這四路信號(hào)進(jìn)行采樣。其在測(cè)試系統(tǒng)中的連接如圖47 所示。ADS8341自身干擾是很低的，但由于ADS8341沒有提供對(duì)電壓基準(zhǔn)濾波或抗電壓變化的功能，并且因?yàn)橹鸫伪平紸/D 轉(zhuǎn)換器自身的局限性，電路中所有元件的旁路電容、電壓基準(zhǔn)的濾波電容都不能省掉。太陽電池輸出電壓 U偏小，則()()gfgUtK???變大，進(jìn)而引起 和采樣電阻上的壓降就變小，所以 增大， 增大則out CE變小直到 ，停止調(diào)節(jié)。其電路原理如圖48所示。AD620AN的兩輸入端分別接太陽電池的輸出電壓極和D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5618AC的輸出腳。當(dāng)輸入端有電壓差時(shí)，輸出經(jīng)過三極管的基極來間接控制太陽電池的輸出電壓，直到太陽電池電壓等于給定值，停止自動(dòng)調(diào)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，溫度每上升1℃，太陽電池的效率下降5％。(1)溫度采樣本課題要求能控制溫度在 25 士 1℃。美國(guó) Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20 是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板(ONBOARD) 專利技術(shù)。 “一線總線”獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，新一代的 DS18B20 體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。同 DS1820一樣，DS 18B20 也支持 “一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為55℃～+125 ℃，在10℃ ～+85℃范圍內(nèi)，精度為177?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。(2)溫度控制溫度采樣與控制電路如圖 49 所示。單片機(jī)將得到的溫度值與目標(biāo)溫度值(這里為 25℃) 比較，根據(jù)比較結(jié)果控制 PD5 端口的輸出