太陽能電池電氣特性的測量方法及裝置的製作方法

2023-05-27 00:14:26

專利名稱：太陽能電池電氣特性的測量方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能電池測量技術，尤其涉及一種太陽能電池電氣特性的測量方法
及裝置。
背景技術：
目前，隨著能源的日益緊張和汙染的加劇，太陽能作為一種易於獲取、能量密度高、無汙染的綠色環保能源正在得到大規模的利用。太陽能電池是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的裝置，其不需要複雜的大型設備，就可以具有相對大的功率發生效率。一般太陽能電池的轉換效率大約為17%，在太陽直射的情況下單元面積能量密度大約為18mW/cm2。太陽能電池的研究和開發，不僅僅是太陽能電池的製造技術，而且所生產的太陽能電池的輸出特性的評價技術也是非常重要。在太陽能電池產品中，太陽能電池的性能特徵主要是其IV特性曲線，因此，在對太陽能電池產品進行測試和使用時，需要對太陽能電池產品輸出的電流和電壓進行測試。現在的一般做法是通過人力用很原始的方法如電流表、電壓表進行測數。用人工檢測會浪費很多時間，其次現在測試電流及電壓參數的工具是萬用表或者一些設備儀器等，其內部會有阻值，造成測試的結果不精確。而且，測量的數據一般通過人工記錄，這樣給測量工作帶來很多不便。總之，現有技術中對太陽能電池電性能進行監測具有以下缺點；第一，檢測效率低，誤差大。第二，無法進行實時檢測。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種太陽能電池電氣特性的測量方法及裝置，以解決現有技術中對太陽能電池的電氣性能進行檢測時效率低下的缺點。根據本發明的一個方面，提供一種太陽能電池電氣特性的測量裝置，包括電子負載，與待測太陽能電池串聯連接，適於為所述待測電池提供負載；電壓採集單元，與待測電池並聯連接，適於採集所述待測電池的電壓；電流採集單元，與待測電池串聯連接，適於採集所述待測電池的電流；和控制單元，分別與電子負載、電壓採集單元和電流採集單元連接，適於向電子負載發送控制信號以改變電子負載的電阻，同時接收來自電壓採集單元和電流採集單元的電壓值和電流值。可選的，所述電子負載為N-MOSFET管；所述N-MOSFET管的漏極與所述待測電池的正極輸出端連接，N-MOSFET管的源極與所述待測電池的負極輸出端連接，N-MOSFET管的柵極與控制單元連接，適於接收來自控制單元的控制信號；所述控制信號為電壓信號，取值範圍是0到導通閾值電壓，用於調節N-MOSFET管漏極與源極之間的導通電阻。可選的，所述電壓採集單元包括高精度電阻和與其連接的模數轉換單元；所述高精度電阻適於將待測電池的電壓分壓調節到模數轉換單元適合轉換的輸入電壓範圍內；所述模數轉換單元與所述控制單元連接，適於向所述控制單元發送採集的電壓，所述控制單元適於根據採集電壓和實際電壓對應關係計算得到實際的待測電池的輸出電壓。可選的，所述電流採集單元包括依次連接的採樣電阻、電流轉換放大單元和模數轉換單元；所述採樣電阻在待測電池與電子負載之間串聯；所述電流轉換放大單元適於獲取採樣電阻兩端的電流信號，並轉化放大為電壓信號；所述電壓信號的範圍為模數轉換單元適合轉換的輸入電壓範圍；所述模數轉換單元與所述控制單元連接，適於向所述控制單元發送轉化的電壓，所述控制單元適於根據轉化電壓和實際電流對應關係計算得到實際的待測電池的輸出電流。可選的，所述控制單元為處理器；適於對接收的電壓、電流數據進行存儲和輸出； 所述處理器還適於接收來自模數轉換單元的電壓值和電流值；所述模數轉換單元包括處理器內部12位的逐次比較的AD轉化器。可選的，所述控制單元還適於根據其所控制的電子負載相對應的接收到的電壓值和電流值，計算或繪製I-V特性曲線。可選的，所述的測量裝置還包括環境檢測單元，與控制單元連接，適於採集環境信息，並實時提供環境信息到控制單元；所述環境檢測單元包括光照度傳感器，溫溼度傳感器；所述控制單元還適於根據I-V特性曲線以及實時環境信息，計算所述待測電池在該環境下的最大輸出功率值。根據本發明的另一個方面，提供一種太陽能電池電氣特性的測量方法，包括步驟一、將待測太陽能電池與電子負載電連接，以組成電路；步驟二、利用控制單元改變電子負載的電阻值，以模擬所組成的電路從開路到短路的工作狀態；和步驟三、在上述電阻值改變過程中，採集待測電池輸出的電壓值和電流值序列。可選的，所述的測量方法，還包括在步驟三之後執行步驟四、利用採集的電壓值和電流值序列，繪製I-V特性曲線。可選的，所述電子負載為滑動變阻器、P-MOSFET管或N-MOSFET管。可選的，步驟二中改變電子負載的電阻值包括為N-MOSFET管柵極提供0到導通閾值電壓。可選的，所述的測量方法還包括步驟五、通過得到的I-V特性曲線，計算所述電池的最大輸出功率值。可選的，所述的測量方法還包括步驟六、採集所述電池的環境信息，包括溫度、溼度和光照強度信息，結合得到的I-V特性曲線，計算所述待測電池在該環境下的最大輸出功率值。使用本發明提供的方法和設備測試，可以在2s左右的時間內測量出大約2000多個採樣點的數據。極大的提高了測量效率、降低了誤差，並且可以進行實時檢測。


圖1是本發明一個實施例中提供的太陽能電池電氣特性的測量方法；圖2是本發明一個實施例中提供的太陽能電池電氣特性的測量裝置；圖3是本發明一個實施例中電子負載的實施結構圖；圖4是本發明另一個實施例中提供的太陽能電池電氣特性的測量裝置
圖5是圖4中電壓採集單元的實施結構圖；圖6是圖4中電流採集單元的實施結構圖；圖7是圖4中電子負載的實施結構圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖，對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。發明人通過實驗發現，通過自動模擬電池負載變化過程，可以測量得到電池隨負載變化的輸出功率信息(電壓和電流信息)，包括太陽能電池的I-V特性曲線，尤其是開路電壓、短路電流和最大功率輸出點的電壓值和電流值。從而可以自動測量太陽能電池的電氣特性，繼而可以保證太陽能電池板以最大功率輸出能量。根據本發明的一個實施例，提供一種太陽能電池電氣特性的測量方法。如圖1所示，該測量方法包括S101，將待測電池與電子負載電連接，以組成電路；S102,自動改變電子負載的電阻值，以模擬所組成的電路從開路到短路的工作狀態；S103，在上述電阻值改變過程中，採集待測電池輸出的電壓值和電流值；以及S104，利用採集的電壓值和電流值序列，繪製I-V特性曲線。其中，步驟SlOl中，電子負載為可以調節負載的電阻，例如滑動變阻器、PMOS管或 NMOS 管。優選的，本實施例中使用N-MOSFET管作為電子負載。不使用PMOS管的原因是其控制電壓一般需要負極性電壓，一般不易產生負極的電壓，就算可以產生，其需要的代價也比較高。不使用滑動變阻器的原因是需要選擇合適功率的電阻值，而且大功率的電阻一般體積比較大，同時，其電阻的範圍沒有MOS管範圍廣，也沒有其精度高。其中，步驟S102中，當模擬或真實的太陽能光源照射在待測的太陽能電池上，通過改變電子負載N-MOSFET管柵極電壓，電子負載N-MOSFET管導通電阻R可從數百M Ω (截止)到0. 1 Ω (全導通)之間變化，將待測電池與電子負載相連，即可模擬太陽能電池從開路到短路的全部工作狀態。另外，自動改變電子負載N-MOSFET管柵極電壓可以通過將其與控制單元連接，由控制單元自動提供0到導通閾值電壓到N-MOSFET管柵極；所述控制單元的詳細描述請見下方實施例。進一步的，太陽能電池的輸出特性與材料、PN結、光照度和溫度有關。一般理論上認為，太陽能電池的I-V特性曲線為超越方程，其有很重要的兩個參數開路電壓(V。。)和短路電流(Is。)。這兩個參數決定太陽能電池輸出的最大功率。在一定的光照下，太陽能電池 I-V特性曲線中存在一個點，這個點的電流和電壓的乘積達到最大，能夠使太陽能電池輸出功率能夠達到最大，這個點也稱為太陽能電池最大輸出功率點(MPP)。通過I-V特性曲線可以計算最大功率輸出，通過設置太陽能電池為最大功率輸出可以使系統能夠最大化的利用太陽能。所述太陽能電池電氣特性的測量方法還可以包括
S105，通過得到的I-V特性曲線，計算出所述電池的最大輸出功率值。進一步的，由於太陽能電池其最大輸出功率值與環境溫度、溼度和光照強度都有關係。為了明確其最大輸出功率所處的環境條件，所述太陽能電池電氣特性的測量方法還可以包括S106，採集所述最大輸出功率值對應的溫度、溼度和光照強度信息，以計算出所述電池在該環境下的最大輸出功率值。與上述方法相應的，根據本發明的一個實施例，提供一種太陽能電池電氣特性的測量裝置。如圖2所示，該測量裝置200包括電子負載201、控制單元202、電壓採集單元203和電流採集單元204。太陽能電池(即待測電池)101分別與電壓採集單元203並聯連接，與電流採集單元204和電子負載201串聯連接；控制單元202分別與電子負載201、電壓採集單元203和電流採集單元204連接，向電子負載201發送控制信號，同時接收來自電壓採集單元203和電流採集單元204的電壓值和電流值。所述電壓採集單元203的作用是採集太陽能電池101輸出的電壓信息，電流採集單元204的作用是採集太陽能電池輸出的電流信息，電子負載201作為被測太陽能電池101 的工作負載，可以使被測太陽能電池工作在不同的負載下，同時測出太陽能電池的工作電壓和電流。本實施例的電子負載201的實施結構圖如圖3所示，所述的電子負載201的實現為N-MOSFET管，太陽能電池101的正極輸出端與N-MOSFET管的漏極201D連接，太陽能電池的負極輸出端與N-MOSFET管的源極連接，N-MOSFET管的柵極與控制單元202連接。通過控制單元202輸出電壓信號控制N-MOSFET管的柵極，可以調節N-MOSFET管漏極與源極之間的導通電阻，其導通電阻的阻值可從數百ΜΩ (截止)到0. 1Ω (全導通)之間變化，即可模擬太陽能電池101從開路到短路的全部工作狀態，再對其產生的電壓和電流通過電壓採集單元203和電流採集單元204進行採樣，可以得到一系類與負載相對應的電壓值和電流值發送給控制單元202，最終由控制單元202繪製或計算待測電池101的I-V特性曲線。根據本發明的另一個實施例，提供一種太陽能電池電氣特性的測量裝置。如圖4 所示，該測量裝置300包括電壓採集單元102、電流採集單元103、電子負載104、模數轉換單元105、數模轉換單元106、控制單元107、數據輸出單元108、環境檢測單元109。太陽能電池101分別與電壓採集單元102並聯連接，與電流採集單元103和電子負載104串聯連接。電壓採集單元102和電流採集單元103分別與模數轉換單元105連接。 電子負載104與數模轉換單元106連接。所述控制單元107為處理器，所述處理器107分別與模數轉換單元105、數模轉換單元106、數據輸出單元108、環境檢測單元109通過相應接口連接。電壓採集單元102的作用是採集太陽能電池輸出的電壓信息，如圖5所示，本實施例中電壓採樣單元102使用高精度電阻201將太陽能電池電壓分壓調節到模數轉換單元 105適合轉換的輸入電壓範圍內。分壓的作用是將太陽能電池板的電壓輸出範圍調節到模數轉換單元105的測量電壓範圍內。之後處理器107再根據電壓對應關係計算得到實際的太陽能電池板輸出電壓。
電流採集單元103的作用是採集太陽能電池輸出的電流信息。如圖6所示，本實施例中電流採樣單元103的實施方式為在太陽能電池101與電子負載104之間串聯採樣電阻301，再將採樣電阻301兩端獲取的電流信號送入電流轉換放大單元302中轉化放大為電壓信號，其電壓信號輸出範圍也應在模數轉化模塊的測量電壓範圍內，再將轉換後的電壓信號通過模數轉換單元送入處理器107進行處理，處理器根據測量電壓和實際電流的對應關係計算得到太陽能電池的輸出電流值。電子負載104作為被測太陽能電池101的工作負載，可以使被測太陽能電池工作在不同的負載下，同時輸出被測太陽能電池的工作電壓和電流信號。本實例的電子負載的實施結構圖如圖7所示，所述的電子負載的實現為N-MOSFET管，太陽能電池的正極輸出端與N-MOSFET管的漏極104D連接，太陽能電池的負極輸出端與N-MOSFET管的源極104S 連接，N-MOSFET管的柵極104G與數模轉換單元106的輸出端連接。通過處理器107控制數模轉換單元106輸出電壓信號，輸出電壓信號控制N-MOSFET管的柵極104G，可以調節 N-MOSFET管漏極104D與源極104S之間的導通電阻，其導通電阻的阻值可從數百ΜΩ (截止)到0. 1Ω (全導通)之間變化，即可模擬太陽能電池101從開路到短路的全部工作狀態， 再對其產生的電壓和電流通過電壓採集單元102和電流採集單元103進行採樣，再送到模數轉換單元105進行轉換。模數轉換單元105是通過處理器107內部的模數轉化單元實現的，處理器107內部有一個12位的逐次比較的AD轉化器。通過對電壓和電流信息的分析知道處理器107內部的模數轉換單元可以滿足系統數據採樣的要求。數模轉換單元106是通過獨立的12位軌對軌數模轉換晶片實現的，處理器107通過其數字接口控制其輸出電壓值。處理器107 通過一個微程序控制器(MCU, Microprogrammed ControlUnit)實現， 微程序控制器是將CPU、RAM、ROM、定時器、多種1/0接口和模數轉化單元集成在一塊晶片上，形成晶片級的計算機。處理器107需要對經過模數轉化單元105處理的太陽能電池輸出電流和輸出電壓進行一系列的處理，在本實施例中，處理器107主要實現對電壓電流數據的存儲、輸出和跟蹤最大功率輸出等功能。測量最大功率輸出主要目的使系統能夠最大化的利用太陽能，尋找太陽能電池最大功率有很多方法，經過對電壓電流數據的分析以及對多種算法的分析、實踐比較。在本領域的普通技術人員都應當理解，很多可以尋找最大功率輸出點的算法都可以應用到本發明中的。數據輸出單元108輸出系統相關信息，包括環境溫度、溼度、光照度等信息和太陽能電池IV特性曲線波形、開路電壓、短路電流和最大功率輸出點(MPP)信息等。環境檢測單元109的作用是實時提供檢測測量環境信息，在本實施例中包括光照度傳感器1091和溫溼度傳感器1092。光照度傳感器1091的作用是實時測量和提供環境光照度信息，並且為跟蹤太陽能電池最大功率輸出提供信息；溫溼度傳感器1092的作用是實時測量和提供環境溫度和溼度信息。本領域的技術人員可以理解，本實施例中所述的模數轉換單元是通過處理器內部的模數轉化單元實現的，在其他實施例中也可以是通過處理器外部的模數轉化單元實現， 或者如果電流採集單元和電壓採集單元可以直接提供數字輸出，則不需要模數轉換單元。本領域的技術人員可以理解，上述實施例中所述的數據輸出單元可採用液晶輸出或數碼管輸出、列印輸出、無線傳輸方式或有線傳輸方式或存儲介質拷貝方式或者以上幾種方式的任意組合或者任意可以進行信息輸出的方式。應該注意到並理解，在不脫離後附的權利要求所要求的本發明的精神和範圍的情況下，能夠對上述詳細描述的本發明做出各種修改和改進。因此，要求保護的技術方案的範圍不受所給出的任何特定示範教導的限制。
權利要求
1.一種太陽能電池電氣特性的測量裝置，包括電子負載，與待測太陽能電池串聯連接，適於為所述待測電池提供負載；電壓採集單元，與待測電池並聯連接，適於採集所述待測電池的電壓；電流採集單元，與待測電池串聯連接，適於採集所述待測電池的電流；和控制單元，分別與電子負載、電壓採集單元和電流採集單元連接，適於向電子負載發送控制信號以改變電子負載的電阻，同時接收來自電壓採集單元和電流採集單元的電壓值和電流值。
2.根據權利要求1所述的測量裝置，所述電子負載為N-MOSFET管；所述N-MOSFET管的漏極與所述待測電池的正極輸出端連接，N-MOSFET管的源極與所述待測電池的負極輸出端連接，N-MOSFET管的柵極與控制單元連接，適於接收來自控制單元的控制信號；所述控制信號為電壓信號，取值範圍是0到導通閾值電壓，用於調節 N-MOSFET管漏極與源極之間的導通電阻。
3.根據權利要求1所述的測量裝置，所述電壓採集單元包括高精度電阻和與其連接的模數轉換單元；所述高精度電阻適於將待測電池的電壓分壓調節到模數轉換單元適合轉換的輸入電壓範圍內；所述模數轉換單元與所述控制單元連接，適於向所述控制單元發送採集的電壓，所述控制單元適於根據採集電壓和實際電壓對應關係計算得到實際的待測電池的輸出電壓。
4.根據權利要求1所述的測量裝置，所述電流採集單元包括依次連接的採樣電阻、電流轉換放大單元和模數轉換單元；所述採樣電阻在待測電池與電子負載之間串聯；所述電流轉換放大單元適於獲取採樣電阻兩端的電流信號，並轉化放大為電壓信號； 所述電壓信號的範圍為模數轉換單元適合轉換的輸入電壓範圍；所述模數轉換單元與所述控制單元連接，適於向所述控制單元發送轉化的電壓，所述控制單元適於根據轉化電壓和實際電流對應關係計算得到實際的待測電池的輸出電流。
5.根據權利要求3或4所述的測量裝置，所述控制單元為處理器；適於對接收的電壓、電流數據進行存儲和輸出；所述處理器還適於接收來自模數轉換單元的電壓值和電流值；所述模數轉換單元包括處理器內部12 位的逐次比較的AD轉化器。
6.根據權利要求1所述的測量裝置，所述控制單元還適於根據其所控制的電子負載相對應的接收到的電壓值和電流值，計算或繪製I-V特性曲線。
7.根據權利要求6所述的測量裝置，還包括環境檢測單元，與控制單元連接，適於採集環境信息，並實時提供環境信息到控制單元；所述環境檢測單元包括光照度傳感器，溫溼度傳感器；所述控制單元還適於根據I-V特性曲線以及實時環境信息，計算所述待測電池在該環境下的最大輸出功率值。
8.一種太陽能電池電氣特性的測量方法，包括步驟一、將待測太陽能電池與電子負載電連接，以組成電路；步驟二、利用控制單元改變電子負載的電阻值，以模擬所組成的電路從開路到短路的工作狀態；和步驟三、在上述電阻值改變過程中，採集待測電池輸出的電壓值和電流值序列。
9.根據權利要求8所述的測量方法，還包括在步驟三之後執行 步驟四、利用採集的電壓值和電流值序列，繪製I-V特性曲線。
10.根據權利要求8或9所述的測量方法，所述電子負載為滑動變阻器、P-MOSFET管或 N-MOSFET 管。
11.根據權利要求10所述的測量方法，步驟二中改變電子負載的電阻值包括 為N-MOSFET管柵極提供0到導通閾值電壓。
12.根據權利要求11所述的測量方法，還包括步驟五、通過得到的I-V特性曲線，計算所述電池的最大輸出功率值。
13.根據權利要求12所述的測量方法，還包括步驟六、採集所述電池的環境信息，包括溫度、溼度和光照強度信息，結合得到的I-V 特性曲線，計算所述待測電池在該環境下的最大輸出功率值。
全文摘要
本發明提供一種太陽能電池電氣特性的測量方法，包括步驟一、將待測太陽能電池與電子負載電連接，以組成電路；步驟二、利用控制單元改變電子負載的電阻值，以模擬所組成的電路從開路到短路的工作狀態；和步驟三、在上述電阻值改變過程中，採集待測電池輸出的電壓值和電流值序列。還提供一種測量裝置，包括電子負載，適於為所述待測電池提供負載；電壓採集單元，適於採集所述待測電池的電壓；電流採集單元，適於採集所述待測電池的電流；和控制單元，適於向電子負載發送控制信號以改變電子負載的電阻，同時接收來自電壓採集單元和電流採集單元的電壓值和電流值。提高了測量效率、降低了誤差，並且可以進行實時檢測。
文檔編號G01R19/25GK102298110SQ20111025131
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月29日 優先權日2011年8月29日
發明者崔莉, 張靜靜, 趙澤, 陳海明 申請人:中國科學院計算技術研究所