编号：
清华大学
本科毕业论文
光伏电池板数据采集和测试系统设计
院 系：电子工程系
姓 名：***
学 号：***
专 业：电子信息工程
年 级：2008级
指导教师：***
职 称：副教授
完成日期：2012年5月
摘 要
基于虚拟仪器光伏电池组件的测试系统采用灯光照射和过滤器为光伏电池板设备提供了一个模拟的太阳光，抛物面发射装置实现高均匀度的模拟太阳光，从而避免了因稳态的温度对测试的影响。测试组件时环境温度要求在25℃。利用虚拟仪器技术，利用多功能数据采集卡等设备，建立了光伏电池性能测试平台，对光伏电池性能参数进行测试。
论文在分析任务、技术指标及系统功能的基础上，设计了系统总体方案，并且从硬件和软件两个方面对系统整体的实现过程进行了详细的介绍。首先介绍了太阳能电池发电的原理以及数据采集卡的选择。选用NI 公司的LabVIEW 软件控制数据采集卡实现对光伏电池电压、电流数据的采集、显示及存储等功能，并对所测数据进行分析处理。最终能对组件进行功率测试，测试组件是否符合要求。最后对自己所设计出来的界面进行调试，虽然没有真正的组件测试，但是可以利用LabVIEW 中的函数信号发生器仿真电压、电流，然后得到电压、电流曲线，I V 图像、功率曲线，进而找到最佳功率点。
关键词：数据采集；信号调理；最佳功率点；LabVIEW
Abstract
The testing system, which is based on photovoltaic cell module using virtual instrument, provides stimulated sunlight for photovoltaic equipment by using lights and filters. A parabolic launch device succeeds in stimulating solar light of high uniformity so that the steady temperature will have no influence on the test. When tested, the ambient temperature should be 25℃. The photovoltaic cell performance testing platform is established to test parameters of the photovoltaic cell performance, making use of the virtual instrument technology and data collection card with multi-function and other equipment.
This paper, on the basis of analysis the task, technical index and system function, designs an overall scheme of the system and makes a detailed introduction of the whole implementation process of the system from two aspects of hardware and software. Firstly, it introduces the principle of the solar power generation and the selection of data acquisition card. The use of NI Company'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 sub-file and test if the testing components 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 I V graph, and the power curve.
Key words: data acquisition; signal regulation; the optimal power point; LabVIEW
目 录
1 绪论...................................................................................................................................... 1
1.1光伏电池领域现状与发展趋势 .................................................................................... 1
1.2 虚拟仪器的概述 ........................................................................................................... 2
1.3 本文研究的内容和目的 ............................................................................................... 2
1.4 本文研究的意义 ........................................................................................................... 3
2 光伏板模型及电磁特性...................................................................................................... 4
2.1 光伏电池的结构和原理 ............................................................................................... 4
2.2 光伏系统的状态分析 ................................................................................................... 5
2.2.1 电池的伏安特性曲线............................................................................................. 5
2.2.2 功率匹配................................................................................................................. 7
2.3 光伏电池的检测参数 ................................................................................................... 8
3 光伏电池板数据采集和测试系统开发设计过程............................................................ 10
3.1 光伏电池板数据采集和测试系统总体结构 ............................................................. 10
3.2 光伏电池板数据采集系统 ......................................................................................... 10
3.3 光伏电池板数据采集和测试系统硬件设计 ............................................................. 11
3.3.1 传感器的选择....................................................................................................... 11
3.3.2 数据采集卡的选择............................................................................................... 13
3.3.3 USB7360数据采集卡 . .......................................................................................... 14
3.4 光伏电池板数据采集和测试中虚拟仪器的软件平台 ............................................. 16
3.4.1 LabVIEW软件介绍 . ............................................................................................. 16
3.4.2 LabVIEW的操作模板 . ......................................................................................... 20
3.4.3 光伏电池板数据采集和测试中软件设计的层次结构....................................... 23
3.4.4 光伏电池板数据采集和测试中软件设计的程序结构....................................... 23
4 光伏电池板数据采集和性能测试系统的软件界面设计及流程.................................... 30
4.1 软件界面设计思想 ..................................................................................................... 30
4.2 子程序的调用 ............................................................................................................. 31
4.3 转换效率的检测 ......................................................................................................... 33
4.4 最大功率 ..................................................................................................................... 34
4.5 串联电阻和并联电阻的检测 ..................................................................................... 34
4.6 填充因子的检测 ......................................................................................................... 36
4.7 滤波子程序 ................................................................................................................. 36
4.8 整体界面的显示 ......................................................................................................... 37
5 结论.................................................................................................................................... 38
参考文献................................................................................................................................ 39
致谢........................................................................................................................................ 40
1 绪论
1.1 光伏电池领域现状与发展趋势
太阳能光伏发电产业在上世纪末本世纪初受到了世界各国的重视。目前光伏发电居世界各国前列的是日本、德国和美国。世界各国纷纷立法，制定鼓励政策，提出发展规划，大力扶持，推广应用，促进了光伏产业飞速发展，使其成为近十年来增速最快的能源产业之一。1998~2008年全球光伏发电产量的年平均增长率(CAGR)以两位数增加，1998~2003年的CAGR 为30％，2003~2008年的CAGR 为44％。光伏发电的安装量从2003年的245MW 猛增到2008年的1460MW ，年平均增长率达43％。其中德国为80％，美国为35％，日本为25％，欧洲其他地区为43％，世界其他地区为13％[8~10]。光伏发电产业在未来十年仍将保持调整发展的势头。在德、日、美等40多个积极发展太阳能产业的政府的推动下，目前太阳能终端用户的需求量大大超过了产能增长。
太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上[11~12]。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。
我国光伏发电产业的大发展在2000年以后，主要是受到国际大环境的影响、国际项目、政府项目的启动和市场的拉动。近5年来，中国光伏电池产量年增长速度达到了100％一300％，光伏电池产量占全球产量的比例也由2005年1.07％增长至2011年的近15％。商业化晶体硅太阳能电池的效率也从3年前的13％-14％提高到16％-17％[13~17]。总体来看，中国太阳能电池的国际市场份额和技术竞争力大幅提高。在产业布局上，中国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。
随着光伏技术的发展，上世纪七十年代，我国投入了相当大的人力和物力，建立了太阳电池测量实验室，开始了太阳电池的标定与测试技术的研究工作。主要的测试设备包括国产和进口的A 级太阳模拟器，用于电性能测量并开发了基于锁相放大技术的太阳能电池光谱响应测量系统。然而太阳电池的量值统一在全世界也是一个待解的难题。我国的电池检测设备1992年以前除少数企业引进少量进口设备以外，均采用比较
粗糙而且落后的方法对产品进行测试。此时，一些公司、科研院所相继进入电池检测领域。其中引进计算机集散控制系统来实施批量大规模的电池测试。以DKl00为代表的电池综合测控系统实现了对电池检测和分选的自动化。
我国的电池测试行业一直在持续不断的发展，但与国际先进水平相比还存在着一定的差距。电池性能的检测是通过检测设备实现的，因此，提高检测技术，提高检测系统的适用性、稳定性、可靠性对电池产品质量水平的提高与电池行业的发展至关重要。
同时作为新兴的行业，太阳能电池产品的种类和性能变化非常快，与之相适应的太阳能电池测试技术却没有能够立即跟上。例如，多结太阳能电池测试技术。近几年我国研制出各种多结太阳能电池新品，对于多结太阳能电池，如果还采用传统的太阳能电池测试设备，必将产生无法估量的测试误差。随着新兴的虚拟仪器技术的发展以及其在各行各业的应用，本文利用虚拟仪器技术建立了一整套光伏电池数据采集和检测装置，对于光伏电池的生产以及在应用时进行数据采集和检测，系统具有很好的可扩展性，适用性和稳定性。
1.2 虚拟仪器的概述
虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。作为虚拟技术的重要组成部分——虚拟仪器(Virtual Instrument)是目前各国研究的热点之一。美国国家仪器公司(National Instrument 简称NI) 于20世纪70年代中期提出虚拟仪器的概念。虚拟仪器是以计算机作为仪器的硬件支撑，充分利用计算机独具的运算、存储、调用显示及文件管理等智能功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统。传统仪器通常由信号的采集，信号的分析，信号的输出3部分组成；虚拟仪器同样可以划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块。
1.3 本文研究的内容和目的
光伏发电是通过光伏电池实现光—电直接转换的过程，是太阳能开发利用的重要途径之一，在世界范围内受到高度重视。我国光伏发电市场需求旺盛，光伏发电系统被应用在多个领域。目前大多的太阳能组件测试系统多为人工施加负载，很难求出太阳能电池组件的最佳功率点，也不能自动画出太阳能电池组件的I V 曲线，也不能随着温度、光强、光谱的变化而自动修正到标准状态。
本文所设计的基于虚拟仪器下的光伏电池组件测试平台利用了反向偏压电子负载的形式，可在极短时间内同时测出多个点的电压、电流值，并且给出光伏电池组件由实时数据修正到标准状态下的电池功率。电压-电流关系曲线(I V 曲线) 在工程科学中是极其重要而又常用的关系曲线，尤其对于光伏电池的研究。随着虚拟仪器技术的迅速发展，有必要建立一个基于虚拟仪器的光伏电池性能测试技术平台。本论文研究内容主要是利用多功能数据采集卡建立一个光伏电池性能测试平台，对光伏电池性能参数进行测试，以此来分析光伏电池的工作特性，在此过程中实现通过LabVIEW 软件编程对数据采集卡的控制等。利用LabVIEW 以及其它相关软件对所测试数据进行分析处理，完成数据采集、参数设置、数据显示及存储等功能。通过LabVIEW 软件的数据处理功能，对光伏电池功率的范围和组件进行标定。
1.4 本文研究的意义
能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力，自上世纪50年代以来，能源安全一直面临着挑战，存在着十分危险的潜在危机，能源危机的重要表现之一便是不断出现的电力紧张。在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，人们渴望用“取之不尽，用之不竭”的可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术，能满足人类的需要。太阳能光伏发电作为一种既清洁又环保的绿色能源，是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。
光伏电池输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某个输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值。光伏发电装置的实际输出功率随光照强度的变化而变化，白天光照强度最强时，发电装置输出功率最大，夜晚几乎无光照，输出功率基本为零。所以除设备故障因素以外，发电装置输出功率随日照、天气、季节、温度等自然因素而变化，输出功率极不稳定。因此，对光伏电池的特性特别是输出特性进行研究非常必要。
2 光伏板模型及电磁特性
2.1 光伏电池的结构和原理
光伏电池是一种对光有响应并能将光能转换成电能的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，砷化镓，非晶硅，硒铟铜等，但是它们的发电原理基本相同，以晶体硅为例来描述光发电过程。P 型晶体硅经过掺杂磷可得N 型硅，形成P-N 结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在PN 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。
硅光伏电池的基本材料为P 型单晶硅，厚度为0.3—0.5mm 左右。上表面为N 型区，构成一个PN 结。顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。上下电极分别与N 区和P 区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。
当入射光照在电池表面时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子在N 区，PN 结空间电荷区和P 区中激发出光生电子——空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。光生电子留于N 区，光生空穴留于P 区，在PN 结的两侧形成正负电荷的积累，产生光尘电压，此为光生伏打效应。当光伏电池两端接一负载后，光电池就从P 区经负载流至N 区，负载中就有功率输出。
光伏电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。靠近顶区产生阳光电流对短波长的紫光(或紫外光) 敏感，约占总光源电流的5％—10％(随N+区厚度而变) ，PN 结空间电荷的光生电流对可见光敏感，约占5％左右。电池基体区域产生的光电流对红外光敏感，约占80％—90％，是光生电流的主要组成部分。
光伏电池可用恒流源i PH 、PN 结二极管D 、串联电阻R S 和并联电阻R SH 组成的电路来表示，如图2-1所示，电路为光伏电池的等效电路图。
图2-1 光伏电池的等效电路
i PH 光伏电池的光电流；
i D /u D 内部P-N 二极管的电流和电压；
R SH 由于表面不均匀和光伏电池棱角电流损失，所以有一个并联损失电阻；
R S 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；
i SG /u SG 太阳能产生的电流和电压；
R L /i L /u L 负载电阻，电流，电压；
其中i SH =i L ，u SG =u L 。
其中i PH 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；i D /u D 为内部PN 结二极管的电流和电压，i D 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。R L 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。R SH 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。i SG /u SG 为太阳能产生的电流和电压；R L /i L /u L 负载电阻、电流、电压。其中i SH =i L ，u SG =u L 。
2.2 光伏系统的状态分析
2.2.1 电池的伏安特性曲线
光伏电池接上负载R L 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u L 称为光伏电池的工作电压。一个理想的光伏电池，串联电阻R S 很小，而并联电阻R SH 很大。由于R S 和R SH 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i L 为：
i L =i PH -i D (2-1)
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:
i L =i PH -I O e qu D /nkT -1 (2-2) ()
式(2-1)、(2-2)中，
i D 为光伏电池的暗电流或漏电流，单位为A ：
I O 为P —N 结的反向饱和暗电流，单位为A ：
q 为电子电荷(1. 6⨯10-19C ) ，单位为C ；
k 为玻尔兹曼常数(1. 38⨯10-23J /K ) ；
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，u L =0，可得到短路电流i SC ；在开路状态下，且i L =0时，电压表示为u OC ，用式表示为：
u OC =⎫nkT ⎛i D ⎪ (2-3) ln +1 ⎪q ⎝I O ⎭
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
图2-2 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
应图2-1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：
i L =i PH q (u L +i L R S )⎡nkT ⎤u +i R -I O ⎢e -1⎥-L L S (2-4) R SH ⎣⎦
当电路处于开路时，负载电流i L =0，此时的开路电压u OC 由式2-4可得到如下关系式：
OC ⎡qu ⎤u nkT I O ⎢e -1⎥+OC =i PH (2-5) ⎢⎥⎣⎦R SH
当电池两端短路时，即R L =O时，此时负载电压为零，此时的电流为短路电流i SC ，由式2-4可得到如下关系式：
S i SC ⎡qR ⎤⎡R S ⎤nkT i SC ⎢1+-1⎥ (2-6) ⎥=i PH -I O ⎢e R ⎢⎥SH ⎦⎣⎣⎦
2.2.2 功率匹配
在一定的光照强度下，光伏电池的输出功率p =ui 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2-3是光伏电池的输出功率与电阻、电流、电压的关系。
R i u
图2-3 输出功率与负载、电流、电压的关系
2.3 光伏电池的检测参数
(1) 开路电压
开路电压u OC ，即将光伏电池置于1000W/cm 2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i SC ，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p m 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u m 和i m 。表示:p m =u m ⨯i m 。
(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：
FF =p m u i =m m (2-7) u OC i SC u OC i SC
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2-4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。
图2-4 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：
p η=m (2-8) p in
地面用光伏电池的测试标准为：大气质量为AMl.5时的光谱分布，入射的太阳辐照度为1000W/m 2，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0.4％，使用寿命也降低。
3 光伏电池板数据采集和测试系统开发设计过程
3.1 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3-1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3-1 系统总体结构图 3.2 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3-2所示：
图3-2 典型的基于PC 的数据采集(DAQ)系统
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光伏电池板数据采集和测试系统设计
院 系：电子工程系
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学 号：***
专 业：电子信息工程
年 级：2008级
指导教师：***
职 称：副教授
完成日期：2012年5月
摘 要
基于虚拟仪器光伏电池组件的测试系统采用灯光照射和过滤器为光伏电池板设备提供了一个模拟的太阳光，抛物面发射装置实现高均匀度的模拟太阳光，从而避免了因稳态的温度对测试的影响。测试组件时环境温度要求在25℃。利用虚拟仪器技术，利用多功能数据采集卡等设备，建立了光伏电池性能测试平台，对光伏电池性能参数进行测试。
论文在分析任务、技术指标及系统功能的基础上，设计了系统总体方案，并且从硬件和软件两个方面对系统整体的实现过程进行了详细的介绍。首先介绍了太阳能电池发电的原理以及数据采集卡的选择。选用NI 公司的LabVIEW 软件控制数据采集卡实现对光伏电池电压、电流数据的采集、显示及存储等功能，并对所测数据进行分析处理。最终能对组件进行功率测试，测试组件是否符合要求。最后对自己所设计出来的界面进行调试，虽然没有真正的组件测试，但是可以利用LabVIEW 中的函数信号发生器仿真电压、电流，然后得到电压、电流曲线，I V 图像、功率曲线，进而找到最佳功率点。
关键词：数据采集；信号调理；最佳功率点；LabVIEW
Abstract
The testing system, which is based on photovoltaic cell module using virtual instrument, provides stimulated sunlight for photovoltaic equipment by using lights and filters. A parabolic launch device succeeds in stimulating solar light of high uniformity so that the steady temperature will have no influence on the test. When tested, the ambient temperature should be 25℃. The photovoltaic cell performance testing platform is established to test parameters of the photovoltaic cell performance, making use of the virtual instrument technology and data collection card with multi-function and other equipment.
This paper, on the basis of analysis the task, technical index and system function, designs an overall scheme of the system and makes a detailed introduction of the whole implementation process of the system from two aspects of hardware and software. Firstly, it introduces the principle of the solar power generation and the selection of data acquisition card. The use of NI Company'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 sub-file and test if the testing components 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 I V graph, and the power curve.
Key words: data acquisition; signal regulation; the optimal power point; LabVIEW
目 录
1 绪论...................................................................................................................................... 1
1.1光伏电池领域现状与发展趋势 .................................................................................... 1
1.2 虚拟仪器的概述 ........................................................................................................... 2
1.3 本文研究的内容和目的 ............................................................................................... 2
1.4 本文研究的意义 ........................................................................................................... 3
2 光伏板模型及电磁特性...................................................................................................... 4
2.1 光伏电池的结构和原理 ............................................................................................... 4
2.2 光伏系统的状态分析 ................................................................................................... 5
2.2.1 电池的伏安特性曲线............................................................................................. 5
2.2.2 功率匹配................................................................................................................. 7
2.3 光伏电池的检测参数 ................................................................................................... 8
3 光伏电池板数据采集和测试系统开发设计过程............................................................ 10
3.1 光伏电池板数据采集和测试系统总体结构 ............................................................. 10
3.2 光伏电池板数据采集系统 ......................................................................................... 10
3.3 光伏电池板数据采集和测试系统硬件设计 ............................................................. 11
3.3.1 传感器的选择....................................................................................................... 11
3.3.2 数据采集卡的选择............................................................................................... 13
3.3.3 USB7360数据采集卡 . .......................................................................................... 14
3.4 光伏电池板数据采集和测试中虚拟仪器的软件平台 ............................................. 16
3.4.1 LabVIEW软件介绍 . ............................................................................................. 16
3.4.2 LabVIEW的操作模板 . ......................................................................................... 20
3.4.3 光伏电池板数据采集和测试中软件设计的层次结构....................................... 23
3.4.4 光伏电池板数据采集和测试中软件设计的程序结构....................................... 23
4 光伏电池板数据采集和性能测试系统的软件界面设计及流程.................................... 30
4.1 软件界面设计思想 ..................................................................................................... 30
4.2 子程序的调用 ............................................................................................................. 31
4.3 转换效率的检测 ......................................................................................................... 33
4.4 最大功率 ..................................................................................................................... 34
4.5 串联电阻和并联电阻的检测 ..................................................................................... 34
4.6 填充因子的检测 ......................................................................................................... 36
4.7 滤波子程序 ................................................................................................................. 36
4.8 整体界面的显示 ......................................................................................................... 37
5 结论.................................................................................................................................... 38
参考文献................................................................................................................................ 39
致谢........................................................................................................................................ 40
1 绪论
1.1 光伏电池领域现状与发展趋势
太阳能光伏发电产业在上世纪末本世纪初受到了世界各国的重视。目前光伏发电居世界各国前列的是日本、德国和美国。世界各国纷纷立法，制定鼓励政策，提出发展规划，大力扶持，推广应用，促进了光伏产业飞速发展，使其成为近十年来增速最快的能源产业之一。1998~2008年全球光伏发电产量的年平均增长率(CAGR)以两位数增加，1998~2003年的CAGR 为30％，2003~2008年的CAGR 为44％。光伏发电的安装量从2003年的245MW 猛增到2008年的1460MW ，年平均增长率达43％。其中德国为80％，美国为35％，日本为25％，欧洲其他地区为43％，世界其他地区为13％[8~10]。光伏发电产业在未来十年仍将保持调整发展的势头。在德、日、美等40多个积极发展太阳能产业的政府的推动下，目前太阳能终端用户的需求量大大超过了产能增长。
太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上[11~12]。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。
我国光伏发电产业的大发展在2000年以后，主要是受到国际大环境的影响、国际项目、政府项目的启动和市场的拉动。近5年来，中国光伏电池产量年增长速度达到了100％一300％，光伏电池产量占全球产量的比例也由2005年1.07％增长至2011年的近15％。商业化晶体硅太阳能电池的效率也从3年前的13％-14％提高到16％-17％[13~17]。总体来看，中国太阳能电池的国际市场份额和技术竞争力大幅提高。在产业布局上，中国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。
随着光伏技术的发展，上世纪七十年代，我国投入了相当大的人力和物力，建立了太阳电池测量实验室，开始了太阳电池的标定与测试技术的研究工作。主要的测试设备包括国产和进口的A 级太阳模拟器，用于电性能测量并开发了基于锁相放大技术的太阳能电池光谱响应测量系统。然而太阳电池的量值统一在全世界也是一个待解的难题。我国的电池检测设备1992年以前除少数企业引进少量进口设备以外，均采用比较
粗糙而且落后的方法对产品进行测试。此时，一些公司、科研院所相继进入电池检测领域。其中引进计算机集散控制系统来实施批量大规模的电池测试。以DKl00为代表的电池综合测控系统实现了对电池检测和分选的自动化。
我国的电池测试行业一直在持续不断的发展，但与国际先进水平相比还存在着一定的差距。电池性能的检测是通过检测设备实现的，因此，提高检测技术，提高检测系统的适用性、稳定性、可靠性对电池产品质量水平的提高与电池行业的发展至关重要。
同时作为新兴的行业，太阳能电池产品的种类和性能变化非常快，与之相适应的太阳能电池测试技术却没有能够立即跟上。例如，多结太阳能电池测试技术。近几年我国研制出各种多结太阳能电池新品，对于多结太阳能电池，如果还采用传统的太阳能电池测试设备，必将产生无法估量的测试误差。随着新兴的虚拟仪器技术的发展以及其在各行各业的应用，本文利用虚拟仪器技术建立了一整套光伏电池数据采集和检测装置，对于光伏电池的生产以及在应用时进行数据采集和检测，系统具有很好的可扩展性，适用性和稳定性。
1.2 虚拟仪器的概述
虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。作为虚拟技术的重要组成部分——虚拟仪器(Virtual Instrument)是目前各国研究的热点之一。美国国家仪器公司(National Instrument 简称NI) 于20世纪70年代中期提出虚拟仪器的概念。虚拟仪器是以计算机作为仪器的硬件支撑，充分利用计算机独具的运算、存储、调用显示及文件管理等智能功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统。传统仪器通常由信号的采集，信号的分析，信号的输出3部分组成；虚拟仪器同样可以划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块。
1.3 本文研究的内容和目的
光伏发电是通过光伏电池实现光—电直接转换的过程，是太阳能开发利用的重要途径之一，在世界范围内受到高度重视。我国光伏发电市场需求旺盛，光伏发电系统被应用在多个领域。目前大多的太阳能组件测试系统多为人工施加负载，很难求出太阳能电池组件的最佳功率点，也不能自动画出太阳能电池组件的I V 曲线，也不能随着温度、光强、光谱的变化而自动修正到标准状态。
本文所设计的基于虚拟仪器下的光伏电池组件测试平台利用了反向偏压电子负载的形式，可在极短时间内同时测出多个点的电压、电流值，并且给出光伏电池组件由实时数据修正到标准状态下的电池功率。电压-电流关系曲线(I V 曲线) 在工程科学中是极其重要而又常用的关系曲线，尤其对于光伏电池的研究。随着虚拟仪器技术的迅速发展，有必要建立一个基于虚拟仪器的光伏电池性能测试技术平台。本论文研究内容主要是利用多功能数据采集卡建立一个光伏电池性能测试平台，对光伏电池性能参数进行测试，以此来分析光伏电池的工作特性，在此过程中实现通过LabVIEW 软件编程对数据采集卡的控制等。利用LabVIEW 以及其它相关软件对所测试数据进行分析处理，完成数据采集、参数设置、数据显示及存储等功能。通过LabVIEW 软件的数据处理功能，对光伏电池功率的范围和组件进行标定。
1.4 本文研究的意义
能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力，自上世纪50年代以来，能源安全一直面临着挑战，存在着十分危险的潜在危机，能源危机的重要表现之一便是不断出现的电力紧张。在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，人们渴望用“取之不尽，用之不竭”的可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术，能满足人类的需要。太阳能光伏发电作为一种既清洁又环保的绿色能源，是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。
光伏电池输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某个输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值。光伏发电装置的实际输出功率随光照强度的变化而变化，白天光照强度最强时，发电装置输出功率最大，夜晚几乎无光照，输出功率基本为零。所以除设备故障因素以外，发电装置输出功率随日照、天气、季节、温度等自然因素而变化，输出功率极不稳定。因此，对光伏电池的特性特别是输出特性进行研究非常必要。
2 光伏板模型及电磁特性
2.1 光伏电池的结构和原理
光伏电池是一种对光有响应并能将光能转换成电能的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，砷化镓，非晶硅，硒铟铜等，但是它们的发电原理基本相同，以晶体硅为例来描述光发电过程。P 型晶体硅经过掺杂磷可得N 型硅，形成P-N 结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在PN 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。
硅光伏电池的基本材料为P 型单晶硅，厚度为0.3—0.5mm 左右。上表面为N 型区，构成一个PN 结。顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。上下电极分别与N 区和P 区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。
当入射光照在电池表面时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子在N 区，PN 结空间电荷区和P 区中激发出光生电子——空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。光生电子留于N 区，光生空穴留于P 区，在PN 结的两侧形成正负电荷的积累，产生光尘电压，此为光生伏打效应。当光伏电池两端接一负载后，光电池就从P 区经负载流至N 区，负载中就有功率输出。
光伏电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。靠近顶区产生阳光电流对短波长的紫光(或紫外光) 敏感，约占总光源电流的5％—10％(随N+区厚度而变) ，PN 结空间电荷的光生电流对可见光敏感，约占5％左右。电池基体区域产生的光电流对红外光敏感，约占80％—90％，是光生电流的主要组成部分。
光伏电池可用恒流源i PH 、PN 结二极管D 、串联电阻R S 和并联电阻R SH 组成的电路来表示，如图2-1所示，电路为光伏电池的等效电路图。
图2-1 光伏电池的等效电路
i PH 光伏电池的光电流；
i D /u D 内部P-N 二极管的电流和电压；
R SH 由于表面不均匀和光伏电池棱角电流损失，所以有一个并联损失电阻；
R S 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；
i SG /u SG 太阳能产生的电流和电压；
R L /i L /u L 负载电阻，电流，电压；
其中i SH =i L ，u SG =u L 。
其中i PH 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；i D /u D 为内部PN 结二极管的电流和电压，i D 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。R L 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。R SH 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。i SG /u SG 为太阳能产生的电流和电压；R L /i L /u L 负载电阻、电流、电压。其中i SH =i L ，u SG =u L 。
2.2 光伏系统的状态分析
2.2.1 电池的伏安特性曲线
光伏电池接上负载R L 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u L 称为光伏电池的工作电压。一个理想的光伏电池，串联电阻R S 很小，而并联电阻R SH 很大。由于R S 和R SH 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i L 为：
i L =i PH -i D (2-1)
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:
i L =i PH -I O e qu D /nkT -1 (2-2) ()
式(2-1)、(2-2)中，
i D 为光伏电池的暗电流或漏电流，单位为A ：
I O 为P —N 结的反向饱和暗电流，单位为A ：
q 为电子电荷(1. 6⨯10-19C ) ，单位为C ；
k 为玻尔兹曼常数(1. 38⨯10-23J /K ) ；
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，u L =0，可得到短路电流i SC ；在开路状态下，且i L =0时，电压表示为u OC ，用式表示为：
u OC =⎫nkT ⎛i D ⎪ (2-3) ln +1 ⎪q ⎝I O ⎭
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
图2-2 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
应图2-1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：
i L =i PH q (u L +i L R S )⎡nkT ⎤u +i R -I O ⎢e -1⎥-L L S (2-4) R SH ⎣⎦
当电路处于开路时，负载电流i L =0，此时的开路电压u OC 由式2-4可得到如下关系式：
OC ⎡qu ⎤u nkT I O ⎢e -1⎥+OC =i PH (2-5) ⎢⎥⎣⎦R SH
当电池两端短路时，即R L =O时，此时负载电压为零，此时的电流为短路电流i SC ，由式2-4可得到如下关系式：
S i SC ⎡qR ⎤⎡R S ⎤nkT i SC ⎢1+-1⎥ (2-6) ⎥=i PH -I O ⎢e R ⎢⎥SH ⎦⎣⎣⎦
2.2.2 功率匹配
在一定的光照强度下，光伏电池的输出功率p =ui 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2-3是光伏电池的输出功率与电阻、电流、电压的关系。
R i u
图2-3 输出功率与负载、电流、电压的关系
2.3 光伏电池的检测参数
(1) 开路电压
开路电压u OC ，即将光伏电池置于1000W/cm 2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i SC ，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p m 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u m 和i m 。表示:p m =u m ⨯i m 。
(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：
FF =p m u i =m m (2-7) u OC i SC u OC i SC
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2-4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。
图2-4 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：
p η=m (2-8) p in
地面用光伏电池的测试标准为：大气质量为AMl.5时的光谱分布，入射的太阳辐照度为1000W/m 2，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0.4％，使用寿命也降低。
3 光伏电池板数据采集和测试系统开发设计过程
3.1 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3-1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3-1 系统总体结构图 3.2 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3-2所示：
图3-2 典型的基于PC 的数据采集(DAQ)系统