一种智能太阳能电池组件户外测试平台及其测试方法

摘要

本发明公开的是一种智能太阳能电池组件户外测试平台及其测试方法，其是将被测量的太阳能电池组件固定在户外测试平台的支架上，含有以微处理器为核心的控制电路板，有恒压恒流两种工作模式的电子负载，通过控制电子负载对太阳能电池组件的IV特性曲线进行测量；通过控制电路板控制智能拓扑电路，实现两个电池组件单独测量与串联、并联测量的切换；同时根据所提出的太阳能电池组件户外测试流程，将所采集到的数据储存在平台的大容量储存模块中，同时通过网络通信，将数据发送到远程控制计算机中。本发明可真实的反映太阳能电池组件在户外环境下的工作情况，有效的实现太阳能电池组件性能的评估。

说明书

技术领域

本发明属于电工技术、能源技术领域，具体涉及的是一种智能太阳能电池 组件户外测试平台及其测试方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，国内外对于能源的需求日益增加，尤其是进入 21世纪后，能源问题正成为社会、经济、环境等方面的重要问题，因此新能源 被愈加重视，太阳能作为一种绿色可再生资源，在世界能源危机中扮演着日渐 重要的角色。近几年国内太阳能光伏工业迅速发展，各光伏企业的光伏组件产 量逐年增长，对光伏组件的可靠性日益提高，同时为了适应国际市场的要求， 对于所生产的太阳能组件在不同条件下性能准确而全面的测量，已成为各光伏 企业生产流程中必不可少的步骤。

目前国内光伏企业的电池片和组件测试环境，主要是基于室内的太阳光模 拟器，人为地控制电池片和组件所处的环境，以此获得太阳能电池片或光伏组 件在不同环境下的IV特性曲线，并对其进行测量与绘制，其优势在于，可以 人工控制辐照度，温度，组件所受应力等工作环境要求，同时可以模拟各种恶 劣的测试环境，获得组件所能适应的极限工作环境。然而其存在明显的缺陷， 室内模拟的太阳光与实际光线存在区别，由于环境是人为模拟，不能有效反映 组件在户外复杂工作环境下的真实状态。因此，建立光伏组件的户外测试平台 对其进行户外环境下的IV特性曲线测试实验显得极为重要。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明提供一种智能太阳能电池组件户外测 试平台及其测试方法,通过拓扑可以测试太阳能电池组件串、并联和单独作用 下的情况，恒流恒压两种可切换工作模式的电子负载，控制电路板控制智能拓 扑电路和电子负载恒压恒流模式的切换。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种智能太阳能电池组件户外测试平台，其特征在于：其包括可进行智能 调整角度和位置的太阳能电池组件支架、具有恒压恒流两种工作模式的电子负 载、安装在太阳能电池组件支架上的太阳能电池组件和负载连接的智能拓扑电 路及控制电路板；所述太阳能电池组件通过智能拓扑电路与电子负载相连接， 所述电子负载直接与控制电路相连，所述智能拓扑电路通过控制电路控制切 换。其中，动力装置采用的是电机。

所述太阳能电池组件支架包括铝合金支座和太阳能电池组件固定板，支 座具有水平的旋转自由度，可以实现0°到360°的旋转，组件固定板具有垂 直的旋转自由度，可以实现太阳能电池组件由垂直（90°）到水平（180°） 的转变，通过与支座水平旋转共同作用来实现太阳能电池组件朝向的全方位改 变。在支座和支撑转轴以及固定转轴处分别置有编码盘，通过电机工作使得支 撑转轴以及固定转轴转动，其转动角度与编码盘电信号相对应，而电信号经过 信号调理电路传递到CPU模块，可以实时控制和获得太阳能电池组件支架和固 定板的相应位置；太阳能电池组件固定在支架顶部，随支架可调节角度，通过 太阳能电池组件的正输出端和负输出端再连接到智能拓扑电路中。在组件固定 板边缘装有辐照度传感器，获得的辐照度参数经过信号调理电路发送到CPU模 块。

所述智能拓扑电路为，将两组太阳能电池组件通过正、负输出端与智能开 关串联，通过智能开关控制组件串并联智能拓扑电路，便于对两组太阳能电池 组件分别单独测量或者串并联电路切换测量；各个智能开关直接由控制电路板 控制，以实现通断控制电路拓扑转换。

所述具有恒流、恒压工作模式切换的电子负载，包括电子负载电路与控制 信号调理电路；所述电子负载为运算放大器和N沟道低导通MOSFET组成的反 馈控制电路，电子负载的正负输入端分别接智能拓扑电路的正负输入端，从而 与太阳能电池组件连接；所述控制信号调理电路与控制电路板连接，将控制信 号处理后以控制电子负载工作状态。

所述控制电路板，包括CPU模块，AD信号调理电路，信号调理电路，DA 模块，实时时钟模块，辐照度测量模块，温度测量模块，LCD液晶显示模块， SD卡存储模块，网络通讯模块；所述CPU模块以TI公司生产的DSP芯片 TMS320F28027为核心控制器；所述辐照度测量模块采用IMT Solar公司生产的 硅辐照度传感器，与太阳能电池组件并置；所述温度测量模块采用了多个Pt100 铂热电阻作为温度传感器，分别置于太阳能电池组件背部和空气中；所述辐照 度与温度传感器以及编码盘输出信号均经由信号调理电路与CPU模块相连，DA 模块与实时时钟模块通过I2C总线与CPU模块相连，LCD显示模块、大容量存 储模块以及网络通讯模块通过SPI总线与CPU模块相连，CPU模块经由网络通 讯模块，与无线路由器相连。

一种太阳能电池组件户外测试方法，基于上述太阳能电池组件户外测试平 台，太阳能电池组件户外测试方法步骤如下：

（1）通过控制电路板控制智能拓扑电路，使得开关（205）（207）导通， （206）（208）断开，实现两组太阳能电池组件分别与负载相连分别测量2组 太阳能电池组件单独作用。测量当前单个太阳能电池组件所处环境的太阳辐照 度，电池组件温度，环境温度，并记录数据；

（2）测量太阳能电池组件在当前环境中的短路电流Isc与开路电压Voc， 计算其近似最大功率点处工作电压Vapp，相应公式如下：

Vapp＝kVoc；

其中k取0.8；根据Vapp值，计算恒压模式下可能需要测量的工作点Ncv’， 公式如下：

${\mathrm{Ncv}}^{\prime }=\frac{\mathrm{Vapp}}{10\mathrm{mV}},$

若Ncv’小于128，则恒压模式下测量点数Ncv为对Ncv’取整的值；若 Ncv’大于等于128，则取Ncv=128；由Ncv可计算出电子负载在恒压模式下控 制的电压变化步长ΔV：

$\mathrm{\Delta V}=\frac{\mathrm{Vapp}}{\mathrm{Ncv}};$

（3）使电子负载工作在恒压模式下，测量太阳能电池组件工作于Vapp时 的电流值Iapp；

（4）由Iapp值，可计算电子负载在恒流模式下可能需测量的点数Ncc’：

${\mathrm{Ncc}}^{\prime }=\frac{\mathrm{Iapp}}{1.7\mathrm{mA}};$

若Ncc’小于128，则恒流模式下测量点数Ncc为Ncc’取整的值；若Ncc’ 大于等于128，去Ncc=128；由Ncc计算出负载在恒流模式下控制的电流步长 ΔI：

$\mathrm{\Delta I}=\frac{\mathrm{Iapp}}{\mathrm{Ncc}};$

（5）在恒压模式下，通过控制电子负载工作电压由0变化到Vapp，步长 为ΔV；再切换电子负载为恒流工作模式，控制其工作电流，由Iapp变化到0， 步长为ΔI；控制电路板通过AD采样模块，记录太阳能电池组件的IV曲线数 据；

（6）IV曲线测量完成后，再一次对当前环境中太阳辐照度，环境气温， 组件温度测量，并记录数据；

（7）由获得的IV特性曲线，计算太阳能电池组件短路电流Isc，开路电 压Voc，最大功率点功率Pm，最大功率点处电流值Im，最大功率点处电压值 Vm，填充系数FF等特征参数；

（8）所有数据处理并存储后，重复第（1）步骤，进行下一时刻的太阳能 电池组件IV曲线测量；

（9）当需要对平台进行方向调整时，转动支撑转轴（103）和固定转轴 （105），通过编码盘精确控制太阳能电池组件转动角度和所处位置，同时信号 传递到CPU储存，再进行上述1-8的步骤；

（10）通过控制电路板控制智能拓扑电路，第二单向开关（206）闭合， 双向开关（208）导通，第一单向开关（205）和第三单向开关（207）断开， 使得两组太阳能电池组件处于两个串联状态，重复上述1-9步骤，测量2组太 阳能电池组件串联后的IV特性曲线，并记录存储数据；通过智能拓扑电路， 第一单向开关（205）和第三单向开关（207）导通，双向开关（208）导通， 第二单向开关（206）断开，使得两组太阳能电池组件处于两个并联状态，重 复上述1-9步骤，测量2组太阳能电池组件并联联后的IV特性曲线，并记录 存储数据；

其中，控制电路每隔5秒对太阳能电池组件的IV曲线进行一次扫描，将 测量到的曲线数据以及环境参数存储在SD卡内，并通过以太网接口，经过无 线路由器，与上位机通讯，将数据存放在上位机的数据库中。

本发明通过上述技术方案，可以测试太阳能电池组件串、并联和单独作用 下的情况，恒流恒压两种可切换工作模式的电子负载，控制电路板控制智能拓 扑电路和电子负载恒压恒流模式的切换，可实时显示当前所测量的太阳能电池 组件所处的角度位置、当前环境因素（太阳辐照度和组件、环境温度）、太阳 能电池组件的输出特性曲线等重要参数，其可真实的反映太阳能电池组件在户 外环境下的工作情况，实现了对户外环境下的IV特性曲线测试实验，有效的 实现太阳能电池组件性能的评估。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明智能太阳能户外测试平台的具体实施方案；

图2是本发明为组件固定板垂直状态时的智能太阳能电池组件户外测试平 台支架的结构示意图；

图3是本发明为组件固定板水平状态时的智能太阳能电池组件户外测试平 台支架的结构示意图；

图4是本发明太阳能电池组件串并联智能拓扑电路示意图；

图5是本发明太阳能电池组件电子负载电路示意图；

图6是本发明太阳能电池组件工作流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解， 下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明智能太阳能电池组件户外测试平台，其包括太阳能电 池组件支架，智能拓扑电路，电子负载和控制电路板，太阳能电池组件支架上 的固定方法，其可以实现太阳能电池组件全方位多角度的旋转，智能化的适应 不同时段辐照情况，太阳能电池组件和负载电路的智能拓扑，通过拓扑可以测 试太阳能电池组件串、并联和单独作用下的情况，恒流恒压两种可切换工作模 式的电子负载，控制电路板控制智能拓扑电路和电子负载恒压恒流模式的切 换。

本实施例中，控制电路板包括CPU模块、DA模块、AD采样调理电路、 编码盘模块、LCD显示模块、大容量储存模块和时钟模块；所述CPU模块经 由DA模块连接到电子负载，电子负载输出端接入AD采样调理电路，测量环 境因素的辐照度传感器、各温度传感器，用于确定太阳能电池组件所处位置的 编码盘模块通过信号采样调理电路与CPU模块相连；所述的大容量储存模块、 LCD模块、时钟模块和网络模块直接与CPU模块相连；其中，网络模块通过 测试平台路由器与远程控制计算机路由器相连，并连接至远程控制计算机。

上述CPU模块为TI公司生产的DSP芯片TMS320F28027，其内置12位AD 转换器，可实现对各路模拟信号的采样，并进行相应的信号数据的调理。其中， 需要进行采样和调理的信号包括：电子负载输入端的负载电压，经过电子负载 的负载电流，两组太阳能电池组件的组件温度，环境温度，太阳辐照度，由编 码盘获得的太阳能电池组件转过的角度和所处位置。当DSP采样到各路模拟信 号后，将测量时间、IV特性曲线数据、环境参数、组件旋转角度和所处位置通 过SPI总线存储在SD卡中；同时，DSP经过DA模块对电子负载的工作状态进 行调整，实现IV特性曲线的测量，从而改变太阳能电池组件的工作点，使得 其工作在最大功率点上；户外测试平台的网络模块与远程控制计算机共同接入 网络，使得DSP能够将当天测量的数据即使发送到远程控制计算机，并存放在 数据库中；户外测试平台的LCD可实时显示当前所测量的太阳能电池组件所处 的角度位置、当前环境因素（太阳辐照度和组件、环境温度）、太阳能电池组 件的输出特性曲线等重要参数。其中大容量储存模块可选用SD卡等，网络可 选用无线局域网。

如图2和图3所示，太阳能电池组件支架包括放置于户外地面上的支座 101、设置在支座101上的支撑转轴103、带动支撑转轴103的动力装置、安装 在支撑转轴103上的顶部支座104以及安装在顶部支座104上并可调整角度和 位置的组件固定板106；在顶部支座104上还设置有固定转轴105，所述组件 固定板104通过顶杆与固定转轴105相连接，组件固定板106的边缘还设置有 辐照度传感器107。太阳能电池组件支架还包括用于固定固定转轴105与组件 固定板106的可伸缩固定杆102，所述可伸缩固定杆102一端连接组件固定板 106，其另一端连接支撑转轴103的底部。

本实施例中，支座101放置于地面,在支座上安装支撑旋转轴102的位置 置有编码盘，用于控制电机带动支撑转轴103的转动时所需要的角度，其精度 控制在1°，同时通过电信号将太阳能电池组件所处角度和位置传送给CPU。 顶部支座（104），上有固定转轴（105），同样只有编码盘，通过支撑杆与组件 固定板（106）固定。在顶部支座104上安装固定转轴105的位置处设置有编 码盘，以此控制转轴运动实现所需角度的控制，其范围90°～180°，通过编 码盘精确控制所转动的角度，并将信号传递至CPU模块储存，实现测试平台 全方位、多角度的工作状态。

在组件固定板上并置有辐照度传感器（107），在太阳能电池组件背部装有 温度传感器PT100，获得的辐照度和温度数据传送到CPU模块。太阳能电池组 件安装于组件固定板上，通过支撑转轴（103）和固定转轴（105）的共同作用， 可以实现测试平台全方位、多角度的工作状态。

其中，支座101、支撑转轴103和支撑杆的材料均选用铝合金，轻便且有 一定的硬度。组件固定板106可选用单晶硅组件板，但也不限制材料，根据测 试需要也可选择多晶硅组件板，薄膜电池组件板等。

如图4所示是两组太阳能电池组件与负载串并联智能拓扑电路。该智能拓 扑电路包括并联连接的电子负载203、204和太阳能电池组件201、202，在太 阳能电池组件201与电子负载204和太阳能电池组件202之间分别连接有第一 单向开关205和第二单向开关206，太阳能电池组件202与电子负载203之间 连接有第三单向开关207，在电子负载203与电子负载204之间连接有双向开 关（208）。其中，两组电池组件201、202，其输出线经过第一单向开关205、 第二单向开关206、第三单向开关207和双向开关208与负载电路203、204 相连接。其中，第一单向开关205、第二单向开关206和第三单向开关207可 选用低导通MOSFET管来实现电流的通断，而双向开关208可以有两个MOSFET 管并联获得。在考虑不同条件下，开关可选择继电器等其他元器件代替。

当第一单向开关205和第三单向开关207导通，第二单向开关206和双向 开关208断开时，可实现两组太阳能电池组件分别与负载相连，测试各自工作 情况。当第一单向开关205和第三单向开关207导通，双向开关208导通，第 二单向开关206断开时，实现两组组件并联连接，通过调整负载可测试两组组 件并联状态下的工作情况。当第二单向开关206闭合，双向开关208导通，第 一单向开关205和第三单向开关207断开时，可实现两组组件串联连接通过调 整负载可测试两组太阳能电池组件串联状态下的工作情况。

如图5所示，其是太阳能电池组件电子负载电路图，可进行恒压模式和恒 流模式的切换。

工作在恒压模式时，MOSFET管Q9的栅极低电压，源极和漏极间不导通， MOSFET管Q10由控制电路提供高电压给栅极，使得其源极和漏极导通，整个电 路工作在恒压模式。此时，在运算放大器U8A的负输入端给定额定的控制电压 （DA_CV），运算放大器输出端经过电阻R20和二极管D4接到三极管Q11的基 极，三极管的输出端接并联的N沟道MOSFET管的栅极，MOSFET管的漏极接太 阳能电池组件的正输出端，源极接低阻值的参考电阻，MOSFET的漏极经过分压 电阻R18、R19后接入运算放大器的同相输入端。由此，可以在MOSFET管的漏 极处得到稳定的输出电压。

工作在恒流模式时，MOSFET管Q10的栅极低电压，源极和漏极间不导通， MOSFET管Q9由控制电路提供高电压给栅极，使得其源极和漏极导通，整个电 路工作在恒流模式。此时，在运算放大器U8B的正输入端给定额定的控制电压 （DA_CC），运算放大器的输出端经过电阻R24和二极管D5，连接到三极管Q12 的基极，三极管Q12的发射极连接并联N沟道MOSFET管Q9的栅极，而在MOSFET 管Q9的漏极接入太阳能电池组件的正输入端，MOSFET管Q9的源极经过电阻 R23接到运算放大器U8A的反相输入端。由此，可以在并联MOSFET管的源极处 得到稳定的输出电压。

其中，运算放大器U8A正输入端和U8B负输入端所提供的控制电压由控制 电路板上的DA芯片经过放大电路后提供。电阻R17和电容C22，电阻R22和电 容C24，电阻R19和电容C23分别起到滤波整流的作用。采取并联多个MOSFET 管作用，可以起到分流的作用，防止单个MOSFET管的工作温度过高。MOSFET 管Q9、Q10的漏极分别接到两个运算放大器U8A、U8B的输出端，其栅极接到 控制电路，当控制电路给Q9栅极低电平，Q10栅极高电平时，电路处于恒压工 作模式；当控制电路给Q10栅极低电平，Q9栅极高电平时，电路处于恒流工作 模式。

图6是一种智能太阳能电池组件户外测试平台的工作流程图。该测试方法 步骤如下：

（1）通过控制电路板控制智能拓扑电路，使得第一单向开关205和第三 单向开关207导通，第二单向开关206和双向开关208断开，实现两组太阳能 电池组件分别与负载相连，分别测量2组太阳能电池组件单独作用。测量当前 单个太阳能电池组件所处环境的太阳辐照度，电池组件温度，环境温度，并记 录数据；

（2）测量太阳能电池组件在当前环境中的短路电流Isc与开路电压Voc， 计算其近似最大功率点处工作电压Vapp，相应公式如下：

Vapp＝kVoc；

其中k取0.8；根据Vapp值，计算恒压模式下可能需要测量的工作点Ncv’， 公式如下：

${\mathrm{Ncv}}^{\prime }=\frac{\mathrm{Vapp}}{10\mathrm{mV}};$

若Ncv’小于128，则恒压模式下测量点数Ncv为Ncv’取整的值；若Ncv’ 大于等于128，则取Ncv=128；由Ncv可计算出电子负载在恒压模式下控制的 电压变化步长ΔV：

$\mathrm{\Delta V}=\frac{\mathrm{Vapp}}{\mathrm{Ncv}}.$

（3）使电子负载工作在恒压模式下，测量太阳能电池组件工作于Vapp时 的电流值Iapp；

（4）由Iapp值，可计算电子负载在恒流模式下可能需测量的点数Ncc’：

${\mathrm{Ncc}}^{\prime }=\frac{\mathrm{Iapp}}{1.7\mathrm{mA}};$

若Ncc’小于128，则恒流模式下测量点数Ncc为Ncc’取整的值；若Ncc’ 大于等于128，去Ncc=128；由Ncc计算出负载在恒流模式下控制的电流步长 ΔI：

$\mathrm{\Delta I}=\frac{\mathrm{Iapp}}{\mathrm{Ncc}};$

(5）在恒压模式下，通过控制电子负载工作电压由0变化到Vapp，步长为 ΔV；再切换电子负载为恒流工作模式，控制其工作电流，由Iapp变化到0， 步长为ΔI；控制电路板通过AD采样模块，记录太阳能电池组件的IV曲线数 据；

(6）IV曲线测量完成后，再一次对当前环境中太阳辐照度，环境气温，组 件温度测量，并记录数据；

(7）由获得的IV特性曲线，计算太阳能电池组件短路电流Isc，开路电压 Voc，最大功率点功率Pm，最大功率点处电流值Im，最大功率点处电压值Vm， 填充系数FF等特征参数；

(8）所有数据处理并存储后，重复第1）步骤，进行下一时刻的太阳能电 池组件IV曲线测量；

(9）当需要对平台进行方向调整时，转动支撑转轴103和固定转轴105， 通过编码盘精确控制组件转动角度和所处位置，同时信号传递到CPU储存，再 进行上述1-8的步骤；

(10）通过控制电路板控制智能拓扑电路，第二单向开关206闭合，双向 开关208）导通，开关第一单向开关205、第三单向开关207断开，使得两组 太阳能电池组件处于两个串联状态，重复上述1-9步骤，测量2组太阳能电池 组件串联后的IV特性曲线，并记录存储数据；通过智能拓扑电路，第一单向 开关205、第三单向开关207导通，双向开关208导通，第二单向开关206断 开，使得两组太阳能电池组件处于两个并联状态，重复上述1-9步骤，测量2 组太阳能电池组件并联联后的IV特性曲线，并记录存储数据。

控制电路每隔5秒对电池组件的IV曲线进行一次扫描，将测量到的曲线 数据以及环境参数存储在SD卡内，并通过以太网接口，经过无线路由器，与 上位机通讯，将数据存放在上位机的数据库中。

基于上述，本发明是将被测量的太阳能电池组件固定在户外测试平台的支 架上，含有以微处理器为核心的控制电路板，有恒压恒流两种工作模式的电子 负载，通过控制电子负载对太阳能电池组件的IV特性曲线进行测量；通过控 制电路板控制智能拓扑电路，实现两个电池组件单独测量与串联、并联测量的 切换；同时根据所提出的太阳能电池组件户外测试流程，将所采集到的数据储 存在平台的大容量储存模块中，同时通过网络通信，将数据发送到远程控制计 算机中。本发明可真实的反映太阳能电池组件在户外环境下的工作情况，有效 的实现太阳能电池组件性能的评估。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业 的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明 还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本 发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。