CN103207363B

CN103207363B - 一种测量太阳电池参数的仪器

Info

Publication number: CN103207363B
Application number: CN201310137974.XA
Authority: CN
Inventors: 曹期军; 曹华翔; 卓儒盛; 肖文波; 张青; 马冰洋; 林万云; 杨志伟; 袁永标
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2013-04-21
Filing date: 2013-04-21
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2033-04-21
Also published as: CN103207363A

Abstract

一种测量太阳电池参数的仪器，用于测量太阳电池的光生电流、反向饱和电流、二极管影响因子、串联电阻、并联电阻、短路电流、开路电压、最大输出功率、最佳工作电压、最佳工作电流、填充因子和IV曲线这十二个参数。本仪器主要包含DSP、电子负载模块、电流采集模块、电压采集模块、滤波模块和DA转换模块。本发明中，DSP的使用使其摆脱了对PC机的依赖，为提高参数测量精度，采用恒压、恒流两种电子负载，电压、电流采集模块均设有两个量程，并采用变频采样技术。

Description

一种测量太阳电池参数的仪器

技术领域

本发明涉及一种测量仪器，尤其涉及一种测量太阳电池参数的仪器。

背景技术

太阳能电池参数是衡量太阳电池品质优劣的重要依据，是衡量光电转换效率的的具体目标，对太阳电池的参数进行精确测量意义重大。目前，太阳电池参数测试仪多是基于PC机，如西安交通大学开发的JDSGC-8/9系列太阳电池检测仪，这种装置设备体积庞大、且成本高，不适于大规模批量电池的测试使用，还有如基于LabVIEW的太阳能电池及组件测试***[杨志刚等，一种基于LabVIEW的太阳能电池及组件测试***，发明专利号：CN102621469A]，虽然结构较为简单，但其数据处理及图像显示部分仍在PC机上完成。便携式太阳电池参数提取设备还处于大量空白，已知有以DSP为核心的太阳电池参数测试装置[黎步银等，一种太阳电池参数测试装置，发明专利号：CN101551437B]，该发明中的太阳电池参数测试仪采用DSP处理作为控制核心，该装置结构简单，成功摆脱了对PC机的依赖，但其获取参数少，且参数测量精度较低。

发明内容

为了克服现有便携式太阳电池参数测量装置参数测量不全，精度较低的缺点，本发明提供了一种拥有较高精度以及全面参数测量的便携式太阳电池参数提取设备，同时又有操作简单、体积小、功耗低的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种测量太阳电池参数的仪器，包括DSP、电子负载模块、电流采集模块、电压采集模块、显示模块、键盘输入模块、存储模块和DAC模块，其中ADC模块采用DSP内置的AD芯片；DSP与电流采集模块、电压采集模块、显示模块、键盘输入模块、存储模块和DAC模块相连接，电子负载模块经电流、电压采集模块输出电压和电流信号，送入DSP，经DSP内置的ADC模块采样，转换为数字信号，对转换后的数字量作滤波后，可将多组电流、电压值存入存储器；DSP对电子负载模块、显示模块、存储模块和DAC模块在发出控制信号；对滤波后的多组电流、电压值作运算处理，处理结果送至显示模块。

为获得更高的参数测量精度，采取以下措施：

一、在电压、电流采集模块中设计量程选择电路，各设有两个量程，可依据太阳电池输出电压范围进行选择，这样可以提高AD转换后的精度；

二、采用变频采样，采样过程分三个阶段：第一阶段，当电压小于开路电压的69%时，电压变化较大，电流变化缓慢，采样频率设为F1，F1为0.7MHz；第二阶段为电压位于开路电压的69%到93%之间时，电压和电流变化剧烈，IV曲线变化较大，需要提高采样频率，采样频率设为F2=F1*4；第三阶段为电压大于开路电压的93%时，电压变化较慢，电流变化较大。采样频率设为F3=F1*2；

三、采用恒压、恒流两种电子负载，以提高整体的采集精度。

为获得全面的参数值，编程实现太阳电池的I_ph-光生电流、I_o-反向饱和电流、n-二极管影响因子、R_s-串联电阻、R_sh-并联电阻、I_sc-短路电流、V_oc-开路电压、P_max最大输出功率、Vm-最佳工作电压、I_m-最佳工作电流、FF-填充因子和I-V曲线这十二个参数的求解，其求解方法如下：

对恒流型负载采集的电压电流数据作AD转换后，将得到的电压值和电流值分别进行数字滤波处理，进而将得到的多组电压值V和电流值I相乘得各点的功率值P，将各功率点进行比较得最大功率值P_max，其对应的电压值和电流值分别为最佳工作电压V_m和最佳工作电流I_m，取I接近零的一些点用最小二乘法作直线拟合得到其I=0时电压值开路电压V_oc，及其斜率值的倒数K_i；同理，对恒压型电子负载采集的电压电流数据作AD转换和数字滤波处理后，得多组电压值V和电流值I，进而将得到的多组电压电流值输出到显示模块上得到I-V曲线，取I-V曲线上靠近V=0处的一些点的做线性拟合得到其斜率值的倒数K_v及其与电流坐标轴的交点值短路电流I_sc，并由以下公式可求得其他各参数的值：（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

本发明的有益效果是，测量参数全面，精度高，并且在保证精确、全面的参数测量的同时又有体积小，功耗低的特优点，便于携带，而且造价低廉，其工作的功耗降至每小时2W一下，使用12-2200mah格式锂电池电池可以保证在户外连续工作11小时以上。

附图说明

图1是设备***框图。

图2是电子负载与电压采集模块电路图。

图3是大量程电流采集电路图。

图4是电流量程选择与小量程电流采集电路图。

图5参数计算流程图。

图6设备的软件设计流程。

具体实施方式

如图1所示，一种测量太阳电池参数的仪器，ADC模块7采用DSP处理器10内置的ADC模块7；DSP处理器10与电流采集模块4、电压采集模块5、显示模块6、键盘输入模块8、存储模块9和DAC模块3相连接，电子负载模块2经电流、电压采集模块输出电压和电流信号，送入DSP处理器10，经DSP处理器7内置的ADC模块采样，转换为数字信号；DSP处理器对电子负载模块、显示模块、存储模块9和DAC模块3在发出控制信号，对转换后的数字量作滤波和计算处理后，处理结果送至显示模块，由DSP控制负载模块，使其分别工作在恒压负载与恒流负载模式下，在两个模式下分别采集电压电流数据。采集过程为，首先由太阳电1给电子负载供电；然后DSP芯片通过DAC模块将电压控制信号传输到电子负载模块，控制太阳电池的输出电压，从而使负载工作在不同工作点；再通过电流、电压采集模块分别采集得负载上的电流、电压值，并送入DSP，经DSP内置的ADC模块采样，转换为数字信号；最后对AD转换后的数字化的电压、电流值在DSP中进行数字滤波，将滤波后的恒压电子负载采集的电压电流值输出到显示模块，显示出I-V曲线，对滤波后的恒流恒压负载模块采集的多组电流、电压值进行运算处理可得其余十一个参数的值，进而在显示模块中显示出来，DSP芯片附属的存储模块用于存储多组电流、电压值，键盘输入模块用于控制DSP中程序的执行。

此发明软件部分包括测试程序、显示程序、写存储程序、读存储程序和参数计算程序，由按键输入控制它的执行。

如图2所示，电路包括电子负载模块和电压采集模块，电子负载模块又分为恒压型电子负载、恒流型电子负载和模块选择电路。

电压采集电路主要由两个三极管（Q4、Q8）、两个MOSFET（Q3、Q7）和四个电阻（R6、R8、R17、R16）组成，MOSFETQ3、Q7可采用2N700X，电阻R6、R8、R17依次串联接于太阳电池输出端，其中电阻R6接于太阳电池正向输出端，电阻R17接地，这三个电阻的阻值都很大只起分压的作用，用来采集电压信号，而对流经电子负载的电流影响非常微小，电阻R16的一端接电阻R6与电阻R8的连接点，另一端引出电压信号。VRC3为量程选择端，VRC3接低电平时，三极管Q4导通MOSFETQ3截止，R8与R17之间的节点接地，采集的电压为太阳电池输出电压的R8/(R6+R8)倍，由于DSP中的内置AD芯片参考电压为3.3V，所以此时量程为0--3.3(R6+R8)/R8V；VRC3接高电平时，MOSFETQ3导通三极管Q4截止，此时采集电压为太阳电池输出电压的(R8+R17)/(R6+R8+R17)倍，同理知此时量程为0--(R6+R8+R17)/(R8+R17)V。实际中，可根据***电压测量的量程调整这三个电阻的阻值比以提高测量的精度。

恒压型电子负载主要由五个电阻（R5、R7、R10、R14、R15）、两个MOSFET（Q5、Q6）和和一个运算放大器（OP37）组成，MOSFETQ5、Q6可采用IRF540，运算放大器的反向输入端接DA芯片输出端，正向输入端接于电阻R5与R7之间，电阻R5、R7、R10依次串联接于太阳电池两输出端，其中，太阳电池的负端接地，电阻R5接于太阳电池正向输出端，MOSFETQ5、Q6的栅极分别与电阻R10、R14连接，源极均接于太阳电池正向输出端，漏极相连引出电流信号，电阻R10、R14的另一端均与运算放大器输出端相连，选用0--3.3(R6+R8)/R8V量程，VRC1为低电平，VRC2为高电平时，其两端的电压稳定在(R5+R7)/R7*V_-；选用0--(R6+R8+R17)/(R8+R17)V量程时，电子负载两端电压则稳定在(R5+R7+R15)/(R7+R15)*V_-，V_-为运算放大器的反相输入端的电压值。

恒流型电子负载主要由三个电阻（R31、R32、R33）、两个MOSFET（Q9、Q10）和一个运算放大器（OP37）组成，MOSFETQ9、Q10可采用IRF540，运算放大器的正向输入端接DA芯片输出端，反向输入端与电阻R33以及MOSFETQ9、Q10的漏极相连，电阻R33的另一端引出电流信号，R31、R32一端依次分别与MOSFETQ9、Q10的栅极相连，另一端接于元算放大器的输出端，其中，太阳电池的负端接地，电阻R5接于太阳电池正向输出端，VRC1为高电平，VRC2为低电平时，太阳电池输出电流将稳定在V₊/R33。

模块选择电路由四个电阻（R34、R35、R36、R37）、两个MOSFET（Q11、Q12）和两个三极管（Q13、Q14）组成，其中电阻R34、R36的一端分别与VRC1和VRC2相连，另一端分别与三极管Q13、Q14的基极相连，电阻R35、R37的一端接地，另一端分别与三极管Q14集电极MOSFETQ11栅极的连接点和三极管Q13集电极MOSFETQ12栅极的连接点相连，MOSFETQ11、Q12的源极分别相连并接于太阳电池的正向输出端，三极管Q13、Q14的发射极均接于地，VRC1为高电平，VRC2为低电平时恒流型电子负载接通，反之，则恒压型电子负载接通。

如图3所示，大量程电流采集电路主要由一个线形电流传感器（ACS712）、一个运算放大器（LM358）和五个电阻（R22、R23、R26、R28、R29）组成，线形电流传感器采用ACS712，其基本工作原理为霍尔效应，以电压的形式输出一定倍数的流经他它的电流值，而且内阻（正反向输入端间）只有1.2毫欧；线形电流传感器正向输入端接MOSFETQ5、Q6的漏极，引入负载上的电流，并由反向输入端流出，电阻R22跨接在线形电流传感器输出端与运算放大器反向输入端之间，电阻R26跨接于运算放大器反向输入与输出端之间，电阻R28、R29大小相等串联接于5V电源的正负极，从两电阻间引出2.5V电压接于运算放大器正向输入端，此电流采集电路的量程为0--2.5R26/δR22,δ为线形电流传感器的输出灵敏度。

如图4所示，小量程电流采集电路主要由一个运算放大器（OP27）和三个电阻(R9、R12、R13)组成，其中电阻R9的一端接运放正向输入端和图3中线形电流传感器ACS712的反向输入端，另一端接地；电阻R12、R13串联，其中电阻R12的另一端接地，电阻R13的另一端接运放输出端，R12与R13之间的连接点接至运放的反向输输入端，其量程为0-3.3R12/(R12+R13)R9A,为减小电阻R9对输出电流的影响，电阻R9应尽可能小。

电流量程选择电路主要由一个三极管（Q1），一个MOSFET（Q2）和两个电阻（R3、R15）组成，其中MOSFET可采用IRF530，CRC接高电平时，三极管Q1导通MOSFETQ2截止，小量程电流采集电路正常工作；CRC接低电平时，三极管Q1截止MOSFETQ2导通电阻R9被短路，小量程电流采集电路无输出。

图3和图4一起组成电流采集模块。

图2、图3、图4中的二极管均起保护作用，保证输出电压在0--3.3V之间，电容起滤波的作用，使电路能有更稳定的输出。

如图5所示，对通过恒流型负载采集进行数字滤波处理后的电流值I、电压值V相乘得各点的功率值P，将各功率点进行比较得最大功率值P_max，其对应的电压值和电流值分别为最佳工作电压V_m和最佳工作电流I_m，取I接近零的一些点用最小二乘法作直线拟合得到其I=0时电压值开路电压V_oc，及其斜率值的倒数K_i；同理，对恒压型电子负载采集的数据数字滤波处理后，得多组电压值V和电流值I，进而将得到的多组电压电流值输出到显示模块上得到I-V曲线，取I-V曲线上靠近V=0处的一些点的做线性拟合得到其斜率值的倒数K_v及其与电流坐标轴的交点值短路电流I_sc，最后，由V_m、I_m、I_sc、K_v、V_oc、K_i的值，结合公式（1）（2）（3）（4）（5）（6）求出其余六个参数I_ph-光生电流、I_o-反向饱和电流、n-二极管影响因子、R_s-串联电阻、R_sh-并联电阻和FF-填充因子，并退出函数。

如图6所示，为本设备工作的软件设计流程，首先，连接好太阳电池，接通电源，选择开始，***进入初始化。由控制按键的触发信号选择电源和电流量程，确认采集开始后，数据经AD转换后，经数字滤波被采集并储存。***显示IV曲线，确认数据处理后，***调用数据并使用数据处理子程序处理，否则清除数据，重新返回量程选择程序，处理结果别送至显示器并被显示.为了减少内存占用，用户可以按照需求选择是否擦除数据以节省内存，也可以翻看历史数据和处理结果。

仪器测试流程如下：接通电源，根据需求选择量程，按下数据采集键，得到滤波后的数据并确定是否保存，按下显示键显示I-V曲线，按下参数计算键，参数值将自动在显示屏上显示。

Claims

1.一种测量太阳电池参数的仪器，包括DSP处理器、电流采集模块、电压采集模块、显示模块、键盘输入模块、存储模块、DAC模块和电子负载模块，其中电子负载模块由恒压型电子负载、恒流型电子负载和负载选择电路组成，其特征是：ADC模块采用DSP处理器内置的ADC模块；DSP处理器与电流采集模块、电压采集模块、显示模块、键盘输入模块、存储模块和DAC模块相连接，电子负载模块经电流、电压采集模块输出电流和电压信号，送入DSP处理器，经DSP处理器内置的ADC模块采样，转换为数字信号；DSP处理器对电子负载模块、显示模块、存储模块和DAC模块在发出控制信号，对转换后的数字量作滤波和计算处理后，处理结果送至显示模块。

2.根据权利要求1所述的一种测量太阳电池参数的仪器，其特征在于:所述的电压采集模块由两个三极管Q4、Q8，两个MOSFETQ3、Q7，和四个电阻R6、R8、R17、R16组成，电阻R6、R8、R17依次串联接于太阳电池输出端，其中电阻R6接于太阳电池正向输出端，电阻R17接地，电阻R16的一端接电阻R6与R8之间的连接点，另一端引出电压信号；VRC为量程选择端，VRC接低电平时，三极管Q4导通，MOSFETQ3截止，电阻R8与R17之间的节点接地，采集的电压为太阳电池输出电压的R8/(R6+R8)倍；VRC接高电平时，MOSFETQ3导通，三极管Q4截止，此时采集电压为太阳电池输出电压的(R8+R17)/(R6+R8+R17)倍。

3.根据权利要求1所述一种测量太阳电池参数的仪器，其特征在于:所述的恒流型电子负载主要由三个电阻R31、R32、R33，两个MOSFETQ9、Q10，和一个运算放大器组成，运算放大器的正向输入端接DAC模块输出端，反向输入端与电阻R33以及MOSFETQ9、Q10的漏极相连，电阻R33的另一端引出电流信号，R31、R32一端依次分别与MOSFETQ9、Q10的栅极相连，另一端接于运算放大器的输出端。

4.根据权利要求1所述一种测量太阳电池参数的仪器，其特征在于：所述的恒压型电子负载模块主要由五个电阻R5、R7、R10、R14、R15，两个MOSFETQ5、Q6，和一个运算放大器组成，运算放大器的反向输入端接DAC模块输出端，正向输入端接于电阻R5与R7之间，电阻R5、R7、R10依次串联接于太阳电池两输出端，其中，太阳电池的负端接地，电阻R5接于太阳电池正向输出端，MOSFETQ5、Q6的栅极分别与电阻R10、R14连接，源极均接于太阳电池正向输出端，电阻R10、R14的另一端均与运算放大器输出端相连。

5.根据权利要求1所述一种测量太阳电池参数的仪器，其特征在于:所述的负载选择电路由四个电阻R34、R35、R36、R37，两个MOSFETQ11、Q12，和两个三极管Q13、Q14组成，其中电阻R34、R36的一端分别与三极管Q13、Q14的基极相连，电阻R35、R37的一端接地，另一端分别与三极管Q14集电极和MOSFETQ11栅极的连接点、三极管Q13集电极和MOSFETQ12栅极的连接点相连，MOSFETQ11、Q12的源极分别相连并接于太阳电池的正向输出端，三极管Q13、Q14的发射极均接地。

6.根据权利要求1所述一种测量太阳电池参数的仪器，其特征在于：所述的参数计算程序主要流程如下：

通过恒压型负载采集的电流值I、电压值V得各点的功率值P，将各功率值进行比较得最大功率值P_max，其对应的电压值和电流值分别为最佳工作电压V_m和最佳工作电流I_m；

取I-V曲线上靠近V=0处的一些点作线性拟合得到其与电流坐标轴的交点值短路电流I_sc，及其斜率值的倒数K_v，同理，取靠近I=0处的一些点作线性拟合得到其与电压坐标轴的交点值开路电压V_oc，其斜率值的倒数K_i；

由V_m、I_m、I_sc、K_v、V_oc、K_i的值，根据如下六个公式求出其余六个参数I_ph-光生电流、I_o-反向饱和电流、n-二极管影响因子、R_s-串联电阻、R_sh-并联电阻和FF-填充因子，并退出函数；

；

以上式中V_th是热电压常数。