太阳能电池数据采集本科毕业设计说明书(编辑修改稿)

太阳能电池数据采集本科毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

兰州 理工大学毕业设计说明书 11 (22) 考虑到太阳能电池的材料 .制造工艺等因素，硅片的内部阻抗和电极接触会引起串联电阻 Rs， pn 结内部的不完整性会引起并联电阻 Rsh， pn 结还具有结电容Cj。 在一定的光强照射下，太阳能电池的光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可以看做恒流源，光电流中 的一部分流经负载，在负载两端建立端电压，端电压反过来又正偏于 pn 结两端，产生一股暗电流，暗电流方向与光电流方向 相反。 因此，太阳能电池的等效电路可以表述为图 22 所示 (其中 R。 为负载电 阻 )： 图 22 太阳能电池等效电路 由于器件的瞬时响应特性与太阳能的转换无关，且瞬时响应时间与绝大多数光伏系统的时问常数相比微不足道，因此在实际的分析过程中结电容 Cj 可以忽略不计。 电压 、 电流方向如图中所示，可以得出太阳能电池的 IV 方程为： (23) 对实际使用的太 阳能电池而言，它们的参数各不相同，因此，在方程中的参数应处理为集中参数。 式中 U 为负载两端电压， Iph 为光生电流， A 的取值范围为l～ 5，称为二极管因子，用于考虑电路中二极管的非理想 pn结。 太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数 太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数 太阳能电池的伏安特性曲线 根据经典光伏理论，在一定的光强和温度下，太阳能电池的伏安特性曲线如图 23 所示： 兰州 理工大学毕业设计说明书 12 图 23 太阳能电池的伏安特性曲线 图中 Voc。 是太阳能电池的开路电压， Isc 是太阳能电池的短路电流， Pm 是太阳能电池的最大输出功率， Vm 是最大功率点电压， Im 是最大功率点电流。 由图中可知，太阳能电池的伏安特性曲线是非线性的，该曲线受太阳能电池自身的工艺参数，外界光照的强度和太阳能电池自身温度等因素的影响。 从太阳能电池的伏安特性曲线中可以看出太阳能电池既不是恒流源，也不是恒压源，不可能为负载提供任意大的功率。 太阳能电池是一个非线性直流电源，输出电流在一定电压范围内相当恒定，最终在到达某个电压值之后，电流迅速下降至零。 太阳能电池的输出电流在短路状态下不是无穷大，而是一个有限值。 太阳能电池有一个最大输出功率 点，工作在最大功率点上时利用效率才最高。 太阳能电池的伏安特性曲线受太阳能电池自身的工艺参数 .外界光照的强度和太阳能电池自身温度等因素的影响，不同的伏安特性曲线可以反映太阳能电池在不同环境条件下工作时的发电能力和最佳效率点。 太阳能电池的性能参数 对太阳能电池进行分类评判需要依据特定的性能参数，这些性能参数通常 包括 ： Voc：太阳能电池在标准光源的照射下，太阳能电池两端开路时的输出电压值。 Isc：太阳能电池在标准光源的照射下，太阳能电池输出端短路时的输出电流值。 Pm：太阳能电池的输出电压和电流随负载变化而变化，如果选择的负载值使输出电压和电流的乘积最大，这个乘积即为太阳能电池的最大输出功率 Pm，此时的输出电压和电流分别称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用 Vm 和 Im 表示。 FF：填充因子是太阳能电池的一个重要参数，定义为太阳能电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比，表述为： 兰州 理工大学毕业设计说明书 13 (24) 填充因子是评判太阳能电池输出特性的重要指标，能够反映太阳能电池质量的优劣程度 ，其值永远小于 1，填充因子越大，表明太阳能电池输出特性越趋于矩形。 η：太阳能电池的转换效率表示的是外电路连接最佳负载时的最大能量转换效率，定义为太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。 表述为： (25) 太阳能电池的光电转换效率是评判电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构 .结特性 .工作温度 .材料性质 .放射性 粒子辐射损伤和环境变化等因素有关，其中与制造太阳能电池半导体材料的禁带宽度的大小的关系最为直接。 Rs：串联电阻主要由半导体材料的体电阻 .半导体材料与电极的接触电阻 .金属导体电阻和电极导体电阻等组成。 串联电阻对填充因子有重要影响，串联电阻越小，填充因子越大，太阳能电池的 VI 特性曲线越接近矩形，太阳能电池的转换效率越高；串联电阻越大，短路电流越小，开路电压不变，填充因子越小，转换效率越低。 Rsh：并联电阻主要是由电池表面不清洁和半导体体内缺陷引起的，包括 pn结的漏电阻和电池边缘 的漏电阻等，并联电阻对太阳能电池的开路电压有很大的影响。 日照强度和电池温度对太阳能电池伏安特性的影响 太阳能电池的伏安特性曲线是对太阳能电池进行分类评判的基础。 太阳能电池的伏安特性曲线与 日 照强度和电池温度有关，通常，地面上同照强度的变化范围是 0 到 1000W/m2，电池温度的变化范围是 10℃到 70℃。 日照强度对太阳能电池伏安特性的影响 太阳能电池的温度实际上是受日照强度影响的。 为了探讨日照强度对太阳能电池伏安特性的影响，可以保持太阳能电池的温度和大气质量等条件不变而仅改变同 照强度。 如图 24 所示，开路电压随同照强度的变化很轻微，短路电流随日照强度的变化很明显。 兰州 理工大学毕业设计说明书 14 图 24 不同日照强度下太阳能电池的伏安特性曲线 电池温度对太阳能电池伏安特性的影响 保持日照强度等条件不变，短路电流随温度升高有轻微增加，开路电压随温度的升高而降低，与温度几乎成线性变化。 太阳能电池的测试方法 太阳能电池的伏安特性受日照强度和电池温度的影响，因此规定太阳辐射光谱为 ，日照强度为 1000W/m2，太阳能电池温度为 25℃时为地面测试太阳能电池性能的标准测试条件。 太阳能电池分析评判的依据是太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数，对太阳能电池进行测试，就是要测出太阳能电池在标准日照强度 S 和标准温度 T 条件下，太阳能电池所带负载从零变化到无穷大时太阳能电池的输出电压和输出电流的值，根据输出电压和输出电流的值作出太阳能电池的 IV 特性曲线，并根据测得的数据计算出太阳能电池的性能参数，根据得出的 IV 特性曲线和性能参数来评判太阳能电池的性能。 为了尽可能降低光强和温度变化对测试带来的影响，必须保证太阳能电池的测试是在极短时间内完成的。 本章小结 本章主要介绍了太阳能电 池依据不同标准而采用的几种不同分类方法：并以目前在市场中占主导地位的硅材料太阳能电池为例，讨论了太阳能电池的工作原理，结合相关的电子学理论知识和太阳能电池自身的特点，给出了太阳能电池的等效电路和伏安特性方程；最后简要阐述了太阳能电池的性能参数和测试方法。 兰州 理工大学毕业设计说明书 15 第三章 系统方案设计 方案一 系统的温度采集选用 PTl000 铂电阻温度传感器， PT100 是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。 PT后的 100 即表 示它在 0℃ 时阻值为 100 欧姆，在 100℃ 时它的阻值约为 欧姆。 它的工业原理：当 PT100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。 采集到的电压信号经集成运放 LM324 放大到 一 伏之间，转换结果由单片机处理。 显示电路 采用直接驱动四位七段数码管进行显示，通过 查询方式 键盘进行 各项数据采集的控制，通过软件手段实现按键的消抖。 方框图如图 31 所示。 图 31 方案一方框图 方案二 系统的温度采集选 用 采用温度传感器 DS18B20，它是美国 Dallas 半导体公司生产的数字化温度传感器 DS18B20，它支持 “一线总线 ”接口的温度传感器，全部传感元件及转化电路集成在形如一只三极管的集成电路内。 我们可以采用DS18B20 采集温度，再进行温度数值转化，再在显示电路上显示。 显示电路 采用LCD 进行显示，通过 中断方式 键盘进行 各项数据采集 的控制， 当按下按键就可以跳入新的采集任务。 通过软件手段实现按键的消抖。 方框图如图 32 所示。 光强信号采集单元 PT100 温度采集器DS18B20 电压、电流采集单元PT100 16F877 PIC 单片机 查询方式键盘 LED 显示 串口通信 兰州 理工大学毕业设计说明书 16 图 32 方案 二 方框图 方 案比较 从以上两种方案中，很容易看出采用方案二所设计的电路相对来说稍微复杂，但外围电路的复杂却大大简化了程序方面的编写。 采用一种智能温度传感器 DS18B20 作为检测元器件，测温范围 55℃ ~125℃ ，分辨率最大可达 ℃。 DS18B20 可以直接读出被测温度值。 采用 3 线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。 本设计要求显示每次采集任务的具体数值 ， 从显示的内容，以及考虑到设计的可靠性，最后决定选择 LCD 显示 最为合适。 在键盘设计方面采用了 中断方式 ， 这样在任何时间的采样任务都可以 得到响应，程序的逻辑性也更强。 综上所述，最终决定采用方案二作为设计方案。 光强信号采集单元 DS18B20 温度采集8B20 电压、电流采集单元PT100 16F877 PIC 单片机 中断方式键盘 LCD 显示 串口通信 兰州 理工大学毕业设计说明书 17 第 4 章 硬件 部分设计 在太阳能电池测试系统中，数据采集部分主要是对太阳能电池外接负载在从零变化到无穷大过程中太阳能电池的输出电压和输出电流 .太阳能电池温度和只照强度进行采集，并和 PC 机进行通信，将采集到的数据传到 PC 机，由 PC 机完成采集数据的分析处理。 根据太阳能电池测试原理及本文所选器件的特性，可以做出本文数据采集部分的总体结构如图 41 所示： 图 41 数据 采集部分总体结构 本文设计的数据采集系统主要采集太阳能电池的电压 .电流 .测试光强 .电池温度四种数据。 其中电压 .电流 .测试光强需要经过 A/D 转换单元，实现由模拟信号到数字信号的转换，而温度信号的采集采用数字温度传感器，可以直接输出二进制数据；转换成二进制的电压 、 电流 、 光强和温度数据通过串口与 PC 机进行通信，在 PC 机中进行数据的处理和处理后结果的显示；整个数据采集部分以单片机为控制核心，通过单片机实现数据采集单元 、 A/D 转换单元和串口通信单元之间的协调工作。 在测试系统的工作过程中，调节太阳能电池的负载电阻从 零变化到无穷大，并在负载电阻每增加一个固定阻值时采集此时负载电阻两端的电压和通过负载电阻的电流，负载电阻为零时采集到的电流即为短路电流，负载电阻为无穷大时采集到的电压即为开路电压；根据太阳能电池的短路电流与光照强度成正比关系的原理来间接测得太阳能电池的光照强度；温度数据的采集采用数字温度传感器DSl8B20，可以直接把现场采集到的温度信号转换成二进制数据，无需 使用 A/D转换器。 光强信号采集单元 DS18B20 温度采集8B20 电压、电流采集单元PT100 16F877 PIC 单片机 中断方式键盘 LCD 显示 串口通信 兰州 理工大学毕业设计说明书 18 PIC16F877 PICl6F877 的工作频率范围为 DC— 20MHz，内置 POR(Poweron Reset)和BOR(Bmwnout Reset)两种 复 位功能、上电延时定时器 (Powerup Timer， PWRT)、振荡器起振定时器 (Oscillator StartupTimer， OST)，除了 1 个看门狗定时器之外，另外还有 3 个定时器及 2 个 CCP 模块，串行通信模式方面则支持 MSSP 和 USART。 这些都是 P1C16F877 的特点。 PICl6F877 微处理器的核心特点 使用高性能的 RISC CPU 核心；只需要学习 35 个单字的指令即可；除了部分程序分支 (Branch)的指令需要 2 个指令周期外，所有的指令执行 时间都只需要 1个指令周期而已；操作时钟速度范围： DC 到 20MHZ 的时钟输入，相当于 DC 到最短 200ns 的指令周期；程序存储器 (Flash)最多可到 8K 的字 (14 位宽 )， 368 的字节 (8 位 )以及 256 字节的 EEPR。