單體太陽(yáng)能電池光伏特性智能測(cè)試系統(tǒng)

周小巖，李 乾，李 震，楊喜峰

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院，山東 青島 266580)

單體太陽(yáng)能電池光伏特性智能測(cè)試系統(tǒng)

周小巖，李 乾，李 震，楊喜峰

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院，山東 青島 266580)

設(shè)計(jì)了基于STM單片機(jī)的單體太陽(yáng)能電池光伏特性智能測(cè)試系統(tǒng)，使用數(shù)字電位器改變負(fù)載電阻和加載電壓，采用STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析處理，高精度A/D模塊電路使用MAX1416. 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同條件下太陽(yáng)能電池特性的動(dòng)態(tài)測(cè)量、圖形繪制、結(jié)果顯示和光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)等功能.

太陽(yáng)能電池；光伏特性；STM單片機(jī)

在能源危機(jī)和環(huán)境污染的今天，太陽(yáng)能作為一種新能源越來(lái)越受到人們重視. 太陽(yáng)能電池是將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，是太陽(yáng)能開發(fā)利用的重要途徑[1-3]. 目前商品化的光電池測(cè)試系統(tǒng)價(jià)格不菲，從幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)元，開發(fā)低成本尤其是便攜式戶外光伏測(cè)試系統(tǒng)具有較大的商業(yè)價(jià)值[4-5].太陽(yáng)能電池特性實(shí)驗(yàn)是面對(duì)全校理工科專業(yè)的本科生開設(shè)的綜合性實(shí)驗(yàn),為了培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，切實(shí)提高學(xué)生的科技創(chuàng)新能力，自主設(shè)計(jì)和制作了基于STM單片機(jī)的單體太陽(yáng)能電池光伏特性智能測(cè)試系統(tǒng)，本文闡述了該系統(tǒng)的工作原理與功能. 該測(cè)試系統(tǒng)功能齊全，操作靈活，能夠滿足不同專業(yè)學(xué)生的教學(xué)要求，顯著提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.

1 測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，主要由光源、照明電路、太陽(yáng)能電池、主控單元、工作電路、上位機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成. 照明光源采用60 W的白熾燈，太陽(yáng)能電池采用單晶、多晶硅材料. 主控單元為STM32單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換器為MAX1416，上位機(jī)包括PC機(jī)、Visible Basic語(yǔ)言編寫的可視化界面和RS-232串口. STM32單片機(jī)控制照明電路和測(cè)量電路，接收上位機(jī)發(fā)送的指令和A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送的太陽(yáng)能電池板兩端的輸出電壓和輸出電流的數(shù)字信號(hào)[6-7]. 工作電路模塊由學(xué)生自主開發(fā)設(shè)計(jì)和制作，具有2路數(shù)字量采集通道和5 V的直流電壓輸出等功能[8-9]，與主控單元構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)，如圖2所示. 工作電路中IN2測(cè)量太陽(yáng)能電池兩端的電壓，IN1測(cè)量電阻R1或R2兩端的電壓. 當(dāng)S1置于3，S2置于3，S3置于3或1時(shí)，構(gòu)成太陽(yáng)能電池明狀態(tài)的測(cè)試電路，R1是電流取樣電阻，太陽(yáng)能電池通過(guò)2個(gè)粗細(xì)電位器R5和R6實(shí)現(xiàn)輸出電流的細(xì)致調(diào)節(jié). 當(dāng)S1置于1，S2置于1時(shí)，構(gòu)成太陽(yáng)能電池暗狀態(tài)的測(cè)試電路，R2是電流取樣電阻，R3和R4用來(lái)改變直流5 V的輸出電壓. 照明電路由3個(gè)電阻和3個(gè)繼電器構(gòu)成，能在電路中構(gòu)成6種不同阻值，從而達(dá)到光照強(qiáng)度的6擋可調(diào). 上位機(jī)主要作用是提供人機(jī)操作界面，利用VB語(yǔ)言在PC機(jī)上開發(fā)友好的可視化的界面，通過(guò)RS-232串口將數(shù)字量輸入給PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)參量設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、圖形繪制、結(jié)果顯示等功能.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 工作電路模塊示意圖

2 系統(tǒng)功能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果示例

短路電流ISC、開路電壓VOC、最大輸出功率Pm和填充因子Ff是描述太陽(yáng)能電池特性的基本技術(shù)參量，太陽(yáng)能電池特性研究的實(shí)驗(yàn)都是圍繞這些量的測(cè)量展開的. 實(shí)驗(yàn)中，如圖2將太陽(yáng)能電池接入工作電路，開通60 W白熾燈，調(diào)整好太陽(yáng)能電池板和光源的角度和距離. 啟動(dòng)基于VB編制的測(cè)量與分析系統(tǒng)軟件，進(jìn)行參量設(shè)置(選擇通信端口、明暗狀態(tài)、光照強(qiáng)度、加載電壓/負(fù)載電阻)，點(diǎn)擊自動(dòng)采集. 數(shù)據(jù)采集結(jié)束，選擇圖形模式,測(cè)試系統(tǒng)將自動(dòng)生成太陽(yáng)能電池明暗狀態(tài)的伏安特性曲線、負(fù)載電阻與輸出功率曲線、光強(qiáng)比與開路電壓、光強(qiáng)比與短路電流、短路電流與開路電壓關(guān)系曲線. 當(dāng)讀取曲線上某一點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，移動(dòng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊曲線上的點(diǎn)，會(huì)顯示十字光標(biāo)線，并在右側(cè)“光標(biāo)讀數(shù)”窗口顯示所選點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)值. 點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，得到太陽(yáng)能電池特性基本參量(開路電壓、短路電流、填充因子、最大功率).

(a) 暗狀態(tài)下太陽(yáng)能電池的伏安特性

(b) 100%光照強(qiáng)度下太陽(yáng)能電池的伏安特性

(c) 100%光照強(qiáng)度下太陽(yáng)能電池的負(fù)載電阻與 輸出功率的關(guān)系曲線

(d) 太陽(yáng)能電池短路電流與光照強(qiáng)度的關(guān)系曲線 圖3 太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作界面

3 結(jié)束語(yǔ)

自主設(shè)計(jì)和制作的太陽(yáng)能電池特性智能化測(cè)試系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、便于操作和成本低廉等優(yōu)點(diǎn). 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同條件下太陽(yáng)能電池特性的動(dòng)態(tài)測(cè)量、圖形繪制、結(jié)果顯示和光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)等功能，進(jìn)一步拓展了實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，可以滿足不同專業(yè)本科生的教學(xué)要求，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[11]. 此外該系統(tǒng)成本低廉，節(jié)省了購(gòu)買大量設(shè)備和配套軟件的費(fèi)用，同時(shí)降低了系統(tǒng)維護(hù)維修費(fèi)用[12-13]. 通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解更加透徹，動(dòng)手能力也得到了提高.

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[責(zé)任編輯：任德香]

Intelligent testing system of single solar cell photovoltaic characteristics

ZHOU Xiao-yan, LI Qian, LI Zhen, YANG Xi-feng

(College of Science, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

An intelligent testing system of single solar cell photovoltaic characteristics based on STM micro-controller was designed. The load voltage and load resistance were adjusted using digital potentiometer. STM32 was adopted to improve the performance of data collection and analysis, and the high precision A/D module circuit was MAX1416. This testing system had such functions as dynamic measurement, graphics rendering, result display and light intensity adjustment, etc.

solar cell; photovoltaic properties; STM micro-controller

2016-05-30；修改日期：2016-09-07

中國(guó)石油大學(xué)(華東)太陽(yáng)能電池精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(No.JS201413)

周小巖(1977-)，女，山東萊州人，中國(guó)石油大學(xué)(華東)理學(xué)院講師，博士，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).

O472.3; TK511

A

1005-4642(2016)12-0005-03

“第9屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研計(jì)會(huì)”論文