光伏电池板数据采集和测试系统设计毕业论文(编辑修改稿)

光伏电池板数据采集和测试系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

电池棱角电流损失，所以有一个并联损失电阻； SR 由于硅片的轨道电阻和接触，接头损失，所以有一个串联的损失电阻； SGSGui / 太阳能产生的电流和电压； LLL uiR // 负载电阻，电流，电压； 其中 LSH ii  ， LSG uu 。 其中 PHi 为光伏电池的光电流，它的值正比于光伏电池的面积和入 射光的辐照度；DD ui / 为内部 PN结二极管的电流和电压， Di 被称为暗电流，所谓暗电流是指光伏电池在无光照时，由外电压作用下 PN结内流过的单向电流，它的大小反映出在当时环境温度下，光伏电池 PN结自身能产生的总扩散电流的变化情况。 硅型光伏电池在无光照情况下的基本行为特性类似于一个普通二极管。 LR 为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接触电阻和金属导体电阻等组 成。 SHR 为并联电阻，它主要是有电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的 PN结漏泄电阻和电池边缘的漏泄电阻等组成。 SGSGui / 为太阳能产生的电流和电压； LLL uiR // 负载电阻、电流、电压。 其中 LSH ii  ， LSG uu 。 光伏系统的状态分析 电池的伏安特性曲线 光伏电池接上负载 LR 之后，负载中就有电流流过，该电流称为光伏电池的工作电流，也称为输出电流或者负载电流。 负载两端的电压 Lu 称为光伏电池的工作电压。 一个理想的光伏电池，串联电阻 SR 很小，而并联电阻 SHR 很大。 由于 SR 和 SHR 是分别串联和并联在电路中的，所以进行理想的电路计算时，这两个电阻可以忽略不计，此时，流过负 载的电流 Li 为： 电源 SHR LR SR PHi Di Du SGi SGu Li Lu 光伏板模型及电磁特性 6 DPHL iii  (21) 采用单二极管模型，理想情况下光伏电池的电压一电流特性即伏安特性可以写为 :  1/  nkTquOPHL DeIii (22) 式 (21)、 (22)中， Di 为光伏电池的暗电流或漏电流，单位为 A： OI 为 P— N结的反向饱和暗电流，单位为 A： q 为电子电荷 (  )，单位为 C； k 为玻尔兹曼常数 ( KJ / 23 )； T 为热力学温度，单位为 K； n为常数因子 (正偏电压大时 n值为 1，正偏电压小时 n值为 2)； e为 自然对数的底。 在短路状态下， Lu =0，可得到短路电流 SCi ；在开路状态下，且 Li =0时，电压表示为 OCu ，用式表示为：   1ln ODOC IiqnkTu (23) 式 (2— 3)是开路电压的表达式，表明要提高光伏电池的开路电压，必须提高短路电流和反向饱和电流的比值。 根据式 (2— 2)、 (2— 3)作图，可得到光伏电池的伏一安特性曲线，如图 2— 2所示，同时也可称为 I— U曲线。 图 22 伏安特性曲线 在现实当中，光伏电池并不处于理想状态，必须考虑到串联电阻和并联电阻，对 i SCi mi mp mu OCu u 光伏板模型及电磁特性 7 应图 21光伏电池的等效电路，可以列出光伏电池两端的电压与电流的关系如下面的关系式：  SHSLLRiun k TqOPHL R RiueIii SLL    1 (24) 当电路处于开路时，负载电流 Li =0，此时的开路电压 OCu 由式 24可得到如下关系式： PHSHOCn k TquO iRueIOC   1 (25) 当电池两端短路时，即 LR =O时，此时负载电压为零，此时的电流为短路电流 SCi ，由式 24可得到如下关系式：    11 n k TiqROPHSHSSCSCSeIiRRi (26) 功率匹配 在一定的光照强度下，光伏电池的输出功率 uip 随着负载的增大，在电流基本不变的前题下，随着输出电压的逐渐增大，输出功率也随之增大，体现了光伏电池恒流源的特性。 而如果负载继续增大，电压和电流都开始急剧下降，而功率最大的那个点，就是光伏电池的最大功率点。 根据光伏电池的这种工作特性，在选择光伏电池的负载时，就需要选择匹配的负载电阻使得负载电阻整体上大概等于光伏电池的内阻。 这样才可以获得最大的功率输出，提高太阳能的利用效率。 下图 23是光伏电池的输出功率与电阻、电流、电压的关系。 图 23 输出功率 与负载、电流、电压的关系 Pp Pp p R i u 光伏板模型及电磁特性 8 光伏电池的检测参数 (1) 开路电压 开路电压 OCu ，即将光伏电池置于 1000W/ 2cm 的光源照射下，在两端开路时，光伏电池的输出电压值。 可用高内阻的直流毫伏计测量电池的开路电压。 (2) 短路电流 短路电流 SCi ，就是将光伏电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过光伏电池两端的电流。 测量短路电流的方法，是用内阻小于 1Ω的电流表接在光伏电池的两端。 (3) 最大输出功率 光伏电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到光伏电池的伏安特性曲线。 如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号 mp 表示。 此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号 mu 和 mi。 表示 : mmm iup 。 (4) 填充因子 光伏电 池的另一个重要参数是填充因子 FF，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比： SCOCmmSCOCm iu iuiu pFF  (27) FF是衡量光伏电池输出特性的重要指标，是代表光伏电池在带最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表示光伏电池的输出功率越大。 FF的值始终小于 l。 (5) 串联电阻并联电阻 串并联电阻对填充因子有很大的影响，同时电池的短路电流只受串联电阻的影响，而开路电压只受并联电阻的影响。 如图 24所示，串联的电阻越大，短路电流下降的越多，填充因子也随之减少的越多；并联的电阻越小，这部分电流就越大，开路电压就下降的越多，填充因子也随之也下降的越多。 所以减少串联电阻和增大并联电压对于提高电池的填充因子和能量转换有重大作用。 这一结论对于光伏电池的制造以及光伏特性的改善有重要的作用。 光伏板模型及电磁特性 9 图 24 串并联电阻对填充因子的影响 [4] (6) 转换效率 光伏电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻式的最大能量转换效率，等于光伏电池的输出功率与入射到光伏电池表面的能量之比： inmpp (28) 地面用光伏电池的测试标准为：大气质量为 ，入射的太阳辐照度为 1000W/ 2m ，温度为 25℃，在此条件下光伏电池的输出功率定义为光伏电池的峰瓦数，用符号表示为 Wp(peak watt)。 光伏电池的光电转换率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。 (7) 电池温度 温度对系统的运行和元件的寿命有这很大的影响，它是光伏电池的重 要参数之一，温度因素在很大程度上影响着电池的效率和使用年限。 在给定光强下，光伏电池工作温度的升高将影响电池的输出功率。 电池的输出功率和效率随温度升高而减少，每升高 1℃，效率约下降 ％，使用寿命也降低。 光伏电池板数据采集和测试系统开发设计过程 10 3 光伏电池板数据采集和测试系统开发设计过程 光伏电池板数据采集和测试系统总体结构 系统的总体结构图如上图 31所示，太阳光照射到光伏电池板上。 光伏电池板产生电流电压，因为电流电压为标准信号，不需要传感器，电流信号经过电压转换电路，电压经过分压电路，之后可以直接通过数据采集卡进行采集。 同时温度 传感器采集光伏电地板的温度，温度信号也通过数据采集卡进行采集。 电流电压以及温度信号经采集卡传到电脑上的 LabVIEW软件系统进行数据处理和保存，经处理和保存过的数据在测试系统中再次被调用，同时通过日射强度计来采集光照强度，以此来分析光伏电池的特性。 图 31 系统 总体结构图 光伏电池板数据采集系统 数据采集 (Data AcQuisition， DAQ)是从传感器和其他待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集信息的过程。 数据采集系统是结合基于计 算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自己定义的测量系统。 一个完整的 DAQ系统包括传感器或变换器、信号调理设备、数据采集和分析硬件、计算机、驱动程序和应用软件等，如图 32所示： USB 图 32 典型的基于 PC的数据采集 (DAQ)系统 太阳 光伏电池板 数据采集卡 数据采集 特性分析 光伏电池板面积 日射强度计 温度传感 电流 电压 温度 LABVIEW PC 被测对象 传感器信号 调理信号 数据采集卡 DAQ PC LABVIEW 软件 光伏电池板数据采集和测试系统开发设计过程 11 (1) 传感器和变换器 传感器感应物 理信息并生成可测量的电信号。 例如热电偶、电阻式测温计 (RTD)、热敏电阻器和 IC传感器可以把温度转变成 ADC可测量的模拟信号。 其他例子包括应力计、流速传感器、压力传感器等，它们可以相应地测量应力、流速或压力。 在所有这些情况下，传感器可以生成和它们所检测的物理量呈比例的电信号。 常见的信号类型有 5类，其中模拟信号包括直流 (DC)信号、时域信号和频域信号；数字信号包括通断和脉冲序列两种类型。 但这 5种信号并不互相排斥，它只是电信号的 5种测量角度而已。 对同一个信号可以采用多种测量角度。 (2) 信号调理 从传感器得到 的信号可能会很微弱，或者含有大量噪声，或者是非线性的等，这种信号在进入采集卡之前必须经过信号调理。 信号调理的方法主要包括放大、衰减、隔离、多路复用、滤波、激励和数字信号调理等。 光伏电池板数据采集和测试系统硬件设计 本检测系统的硬件主要有一台电脑，数据采集卡 USB7360，温度传感器，日射强度计，万用表，可变电阻、电线组成。 传感器的选择 在温度检测系统中，根据具体系统对传感器的选择很重要，它是系统设计的第一步，传感器的性能直接影响系统的性能。 在本系统中，根据系统的设计要求选用温度传感器 AD590。 AD590是 AD公司利用 PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型温度传感器．这种传感器在被测温度一定时，相当于一个恒流源。 该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。 即使电源在 5～ 10V之间变化，其电流只是在 1uA以下作微小变化。 AD590产生的电流与绝对温度成正比，它有非常好的线性输出性能，温度每增加 1℃，其电流增加 1uA。 AD590的 主要技术指标： (1) 测温范围为 55℃ ～ +150℃ ； (2) 电源电压范围为 4V～ 30V，可以承受 44V正向电压和 20V反向电 压，因而器件即使反接也不会被损坏； (3) 输出电阻为 710mΩ； (4) 精度高， AD590在 55℃ ～ +150℃ 范围内，非线性误差仅为 177。 ℃。 光伏电池板数据采集和测试系统开发设计过程 12 AD590在应用时，是一个恒流源，它将温度值转换为电流值，而此系统在设计时将此电流值再转换为电压值。 它的调理电路如图 33所示， AD590的输出电流为：  ti  273 u A (31) 其中 t 为摄氏温度， 因此量测的电压 u 为 :     tKutu V (32) 为了将电压量测试出来又需使输出电流 i 不分流出来，使用电压跟随器，其输出电压 2u 等于输入电压。