一种用于太阳能电池输出特性研究的加速试验装置

摘要

本发明属于太阳能电池技术领域，具体的说是涉及一种用于太阳能电池输出特性研究的加速试验装置。本发明的装置主要包括光源模拟模块、太阳能电池特性参数检测模块、辅助散热模块、电源模块、信息交互模块和控制模块。通过对LED阵列模块的编程控制，可实现对多种光照环境的模拟，主要模拟对象包括恒定光照模拟、昼夜交替时的光照变化、云层遮挡时的光照变化、太阳能电池表面积灰时的光照变化，以及各种不均匀分布条件下的光照变化等等。首先单片机发出控制指令给LED阵列，控制LED阵列开关来控制LED的亮灭，控制PWM调光电路来控制光强度，LED光源输出稳定后，单片机采集太阳能电池的输出特性曲线，采集的数据存储在存储模块中，通过通信模块发送给上位机。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体的说是涉及一种用于太阳能电池输出特性研究的加速试验装置。

背景技术

随着全球光伏发电装机量的迅猛增长，提高太阳能电池的发电能力、降低太阳能电池发电成本成为市场和研究机构普遍关注的问题。而太阳能电池性能的检测是相关研究工作中的一个重要组成部分。

目前，行业内进行太阳能电池性性能检测主要采用标准太阳光模拟系统。基于此类系统的性能检测仅能提供太阳能电池片在标准环境下(光强1000W/m2，环境温度25℃)的性能参数，如专利CN200810025522、CN201120157321、CN201510176550、CN201610158286和CN201521084076。

然而，由于太阳能电池面临的实际光照环境极其复杂，且容易受到干扰，如光伏电池片部分遮挡、表面积灰、昼夜交替，以及不均匀入射等因素，因此，如何有效快速评估太阳能电池的长期发电能力成为业界积极探索的问题。

专利CN201410377749提供了一种可调光照强度的光源系统，但其仅能够实现光照强度的调整，并不能模拟非均匀性的光照干扰，同时其控制系统并不能实现对昼夜更替等光照变化过程的模拟。

专利CN201510036277，提出了一种光致衰变检测装置，该装置通过控制放置在多角度旋转轴上的太阳能电池和具有高度可控的光源多角度旋转轴，来模拟实际中自然光的升降情况和色温变化，但其不能模拟非均匀性的光照干扰，同时不具备进行加速测试的条件。

综上所述，现有技术方案均未能实现在复杂光照条件下对太阳能电池的长期发电性能进行评估。

发明内容

本发明的目的是，为克服现有技术的缺陷，提供一种光照变化模拟和太阳能电池性能检测装置，实现可模拟各种光照变化环境，在具体实施中，变化共计862617600种光照变化。通过对太阳能电池加载这些光照变化环境，对其性能进行检测，可以实现对太阳能电池性能最全面的分析，同时通过对光照变化时间间隔的加速控制，可以有效的加快测试周期，大幅地提高测试效率。通过外置散热单元，最大限度的减小温度对LED输出功率的影响。

本发明的技术方案是：

一种用于太阳能电池输出特性研究的试验装置，其特征在于，包括光源模拟模块、太阳能电池特性参数检测模块、辅助散热模块、电源模块、信息交互模块和控制模块；

所述光源模拟模块用于模拟户外光照变化，为太阳能电池提供多种光照变化测试条件；所述光源模拟模块分别与电源模块和控制模块连接；

所述太阳能电池特性参数检测模块用于检测太阳能电池对外输出的特性曲线，所述太阳能电池特性参数检测模块分别与太阳能电池和控制模块连接；

所述辅助散热模块用于为光源模拟模块提供散热，保证光源模拟模块的稳定运行；辅助散热模块主要由金属制成的散热板，与光源模拟模块通过导热硅胶粘贴的铝基板，所述铝基板通过导热硅胶粘贴固定在散热板上，散热板上具有散热槽，所述散热槽上安装有风扇；

所述电源模块用于为光源模拟模块、太阳能电池特性参数检测模块、辅助散热模块、信息交互模块和控制模块提供电源；

所述信息交互模块与控制模块连接，用于提供装置与外界的多种信息交互模式；包括液晶显示屏、语音播放器、通信模块，用于实时显示当前LED阵列电路输出的光照强度以及太阳能电池特性参数检测系统采集的数据；当系统发生故障或者异常时，语音提示故障；以及将数据通过通信模块发送给上位机；

所述控制模块用于控制光源模拟模块的光照模式的变化周期，以及采集太阳能电池特性参数检测模块的数据，并进行数据的存储与发送；如采用单片机控制系统，为光源模拟模块提供模拟周期可控、LED阵列亮灭、数据采集、存储与发送等控制。

进一步的，所述光源模拟模块包括多个LED阵列、LED驱动电路、LED控制开关和PWM调光电路；对应的所述电源模块包括DC-DC稳压电路和AC-DC降压电路；则PWM调光电路与DC-DC稳压电路连接，PWM调光电路、LED控制开关、LED驱动电路和LED阵列依次连接；所述LED驱动电路与AC-DC降压电路连接；所述控制模块分别与LED驱动电路、LED控制开关和PWM调光电路连接，控制模块可分别控制每一个LED驱动电路、LED控制开关和PWM调光电路，使每一个LED阵列可提供不同亮度的光照，从而为待测太阳能电池提供多种光照变化。

PWM调光电路的输出电压范围为0～2.5V，LED阵列的光照强度与PWM调光电路成正比，变化步长可根据用户需求来自主设定，因此，PWM调光电路的控制变化种类为2.5V除以步长再加1，即2.5V/步长+1。通过控制所述PWM调光电路，使得PWM调光电路输出不同的控制信号来控制所述LED驱动电路电流的大小，所述PWM调光电路输出电压越高，流过所述LED驱动电路的电流越大，所述LED阵列亮度越亮，相反，输出电压越小，驱动电流越小，所述LED阵列亮度越暗。从而可以实现光照强弱变化的模拟。

LED控制开关与所述LED驱动电路串联，通过控制所述LED控制开关来控制所述LED驱动电路的导通与关断，开关闭合状态用二进制1表示，断开用二进制0表示。LED控制开关202从高到低组合成一个二进制代码，即LED控制开关6为最高位，LED控制开关5为次高位，依次类推，LED控制开关1为最低位,并将其记为LED_STATE，LED_STATE的取值范围为：000000(B)～111111(B)，那么LED控制开关的状态就一共有26＝64种变化，也就是对于光照的分布控制有64中变化。

同时，考虑到LED控制开关具有一定的控制顺序要求，因此，根据排列组合原理，LED控制开关的闭合控制顺序共存在种变化，关断顺序与闭合顺序一致，也存在720种变化。

将PWM调光电路与LED控制开关按照排列组合方式组合起来控制LED阵列，由排列组合原理可知，LED阵列10的光照变化在理论上可模拟出26*64*720*720＝862617600种变化。由于自然光照变化的情况，如光伏电池片部分遮挡，降尘过程、降雨过程、昼夜交替光照变化、加速积灰过程以及阴影遮挡等情况，均可以通过对LED阵列的光强和光照分布以排列组合方式的控制来等效模拟。包括但不限于以下几个控制方法。

(1)通过6路LED控制开关的闭合或关闭来模拟一天12个小时的上午和下午各6小时的光照有无控制；

(2)通过控制PWM调光电路的电压值大小来模拟光照的强弱变化规律；

(3)通过LED控制开关1-2-3-4-5-6的顺序打开，然后顺序关闭LED控制开关1-2-3-4-5-6，可等效模拟周期性昼夜交替的变化光照条件；

(4)通过递减控制PWM调光电路的电压来降低LED输出光强，即按照一个变化周期内递减0.1V，模拟光伏组件表面均匀降尘规律；

(5)通过在递减控制PWM调光电路的过程中，在某一时刻将PWM调光电路的输出初始化到最大值，用来模拟光伏电池片经过清洗后的接收光照特性；

(6)通过控制LED控制开关1～6的任意部分打开和闭合，可模拟光伏电池片接收光照部分遮挡情况下的光照特性；

(7)通过增大或减小LED控制开关和PWM调光电路的变化周期，实现加速或减缓测试周期。

进一步的，所述太阳能电池特性参数检测模块为可控电子负载电路，包括DA转换器、AD转换器、电阻、采样电阻和功率开关管；其中，待测太阳能电池正极接功率开关管漏极与AD转换器的一个输入端，待测太阳能电池负极接采样电阻的一端和地，采样电阻的另一端接功率开关管源极和AD转换器的另一个输入端，AD转换器的输出端接控制模块；功率开关管的栅极通过电阻后接DA转换器的输出端，DA转换器的输入端接控制模块；控制模块通过调整电阻的阻值的大小，实现太阳能电池特性参数检测的可控性。

通过单片机程序控制，增大或减小系统模拟光照变化时间周期，可以加速或减缓太阳能电池片的测试周期，提高测试效率。通过实时采集温度值，判断温度所导致的LED输出光强的衰减比例，通过负反馈电路来控制调节PWM调光电路，使得光照强度在同一测试条件下输出恒定，所述负反馈电路设置在控制模块和PWM调光电路之间，控制模块通过负反馈电路来控制调节PWM调光电路，使得光照强度在同一测试条件下输出恒定，具体方法为：

设定LED阵列的输出功率与温度成幂数关系：

其中，k1为LED最大输出功率，K2为温度衰减系数，y为LED阵列的实时输出功率，t为当前LED阵列工作温度；

因输出功率与光照强度呈线性关系，因此y也为LED阵列光照强度，令：

y(0)＝Y_{max_stc}

Y_{max_stc}为LED阵列在标准条件下的额定输出功率，由于LED光照强度与PWM调光电路的输出P成正比，比例系数设为K，则PWM调光电路的输出为P＝K*y(t)；温度衰减系数Tmax为LED最大工作温度，25为常温值，PWM调光电路的输出在其他条件不变时，如果温度升高，则控制模块通过所述光强反馈补偿电路，作用于PWM调光电路，使得PWM调光电路的输出按照P(t)执行。

在光照变化模拟的同时，所述单片机系统通过控制所述太阳能电池特性参数检测电路中MOS管的导通程度来调节其电阻值的大小，来对太阳能电池进行I-V曲线扫描，不导通的时候，可控电子负载电路的电阻值接近于无穷大，此时电流为0A，电压为开路电压Voc，完全导通时，可控电子负载电路的电阻值接近于0欧姆，此时电流为短路电流Isc,电压为0V。

太阳能电池与本发明装置连接后，电流通过正极接口流过由MOS管和高精度电阻搭建的可控电子负载电路，经过负极接口流回太阳能电池负极，同时AD采集电路对高精度采样电阻两端的电压和MOS管漏极对地的电压，将采集的电压值传送给单片机系统处理后，可得到太阳能电池的电压和电流值。通过所述单片机控制系统来控制可控电子负载的阻值大小，从而实现对太阳能电池I-V曲线所有工作状态点电压、电流、辐照、温度值的检测。单片机控制系统将采集处理后的数据发送到数据通信模块发送给上位机处理。

本发明的有益效果为，通过对LED阵列模块的编程控制，可实现对多种光照环境的模拟，主要模拟对象包括恒定光照模拟、昼夜交替时的光照变化、光伏电池部分遮挡时的光照条件、太阳能电池表面积灰时的光照变化，以及各种不均匀分布条件下的光照变化等等。首先单片机发出控制指令给LED阵列，控制LED阵列的亮灭和光强度，LED光源输出稳定后，单片机采集太阳能电池的输出特性曲线，采集的数据存储在存储模块中，再通过通信模块发送给上位机处理分析。

附图说明

图1是本发明所描述装置的外观结构示意图；

图2是本发明光照变化模拟装置与太阳能电池特性参数检测电路的逻辑原理示意图；

图3是本发明光照变化模拟装置与太阳能电池特性参数检测电路的功能图；

图4是本发明光照变化模拟装置与太阳能电池特性参数检测电路的工作原理图；

图5是本发明可控电子负载电路工作原理图。

具体实施方式

下面结合具体附图，对本发明作进一步地详细描述：

如图1所示，本发明设计了一种光照变化模拟与太阳能电池特性参数检测装置以及密封不透光的外箱80。

如图2所示，该装置包括光照变化模拟电路与太阳能电池特性参数检测。光照变化模拟电路包括LED阵列电路、AC-DC降压电路、DC-DC稳压电路、散热单元、控制接口以及固定LED阵列的不透光外壳100。所述LED阵列电路包括LED阵列10、LED PWM调光电路201、LED控制开关202、驱动电路203。太阳能电池特性参数检测系统包括I-V曲线采集模块30、温度采集模块、光照强度采集模块、显示模拟、语音模块、有线和无线通信模块、外部存储模块、电源接口、控制接口以及单片机控制系统。所述I-V曲线采集模块主要包括以MOS管303作为负载的可调电子负载电路、AD采集电路、辐照温度检测采集电路以及太阳能电池正负极接口70。

所述光照变化模拟装置的LED阵列10通过导热硅胶固定在散热单元100上，所述散热单元固定在外壳上80。所述LED驱动电路203通过连接线60与所述多路LED阵列中的每路一一相连，所述PWM调光电路201与LED驱动电路203相连，所述AC-DC降压电路为LED驱动电路203提供宽输入范围的直流电源，所述DC-DC稳压电路为PWM调光电路201以及太阳能电池特性参数检测系统30供电。

所述光照变化模拟装置通过电源接口40和控制接口50与太阳能电池特性参数检测系统30连接。

所述I-V曲线采集模块、数据显示模块、语音模块、数据通信模块、外部存储模块均各自独立与单片机控制系统连接，所述电源接口与所述DC-DC稳压电路相连接，为其他所述模块提供稳定的直流电源，所述太阳能电池90的正负极接口70分别与所述由MOS管303和高精度采样302电阻搭建的电子负载的漏极和地线相连接。

当太阳能电池90接入所述太阳能电池特性曲线参数检测电路时，将太阳能电池90通过正负极接口70与本发明装置连接。

所述LED驱动电路与AD-DC降压电路连接，AC-DC降压电路为LED阵列乃至整个装置提供足够的电流和电压。

图3所示为光照的变化种类和电路控制策略，图4所示，为本发明装置模拟的光照变化环境控制原理，如下所示：

单片机控制系统驱动PWM调光电路201，PWM调光电路内部包含DA转换器，可输出控制电压信号，范围为0～2.5V。LED驱动电路203的输出电流与PWM调光电路的输出电压信号成正比，0V时，电流为0，2.5V时，电流为最大。

LED控制开关202可控制LED驱动电路203与PWM调光电路201的连接与关断，因此，通过对不同开关的控制，使其导通或关断，即可控制相应LED阵列10某一列的亮与灭。

如图3所示，对所述PWM调光电路201和LED控制开关202、LED驱动电路203按照排列组合的方式进行控制，可以模拟各种变化情况的光照条件。例如

(1)在LED控制开关202全部闭合的情况下，PWM调光电路201的输出范围从0V～2.5V的变化，可实现光照从弱到强的变化。假设控制电压的变化步长为0.1V，则一共有2.5V/0.1V+1＝26种光照强度的光照变化。

(2)假设PWM调光电路输出电压恒定不变，通过控制LED控制开关的闭合与关断，可实现对LED阵列的亮灭控制。开关闭合状态用二进制1表示，断开用二进制0表示。LED控制开关202从高到低组合成一个二进制代码，即LED控制开关6为最高位，LED控制开关5为次高位，依次类推，LED控制开关1为最低位,并将其记为LED_STATE，LED_STATE的取值范围为：000000(B)～111111(B)，那么LED控制开关202的状态就一共有2⁶＝64种变化，也就是对于光照的分布控制有64中变化。

同时，考虑到LED控制开关202存在一定的控制顺序要求，因此，根据排列组合原理，LED控制开关202的闭合控制顺序共存在种变化，关断顺序与闭合顺序一致，也存在720中变化。

LED控制开关202的这种闭合与断开控制顺序，可以模拟各种自然光照环境的变化。例如，在一个固定周期内，前半个周期，LED控制开关202按照开关1-2-3-4-5-6的顺序依次按照程序设定的时间间隔闭合，在后半个周期内，按照开关1-2-3-4-5-6的顺序再按照程序设定的时间间隔打开，即可模拟一天时间的日升与日落变化。程序设定的时间间隔一般等价于一天的一个小时时间。

将PWM调光电路201与LED控制开关202的组合起来控制LED阵列，由排列组合原理可知，LED阵列10的光照变化模拟在理论上共有26*64*720*720＝862617600种变化。因此，该光照变化模拟装置基本可覆盖自然光照变化的所有情况，包括光伏电池片部分遮挡，表面积灰以及阴影遮挡等情况。包括但不限于以下几个方法。

(1)通过6路LED控制开关的闭合或关闭来模拟一天12个小时的上午和下午各6小时的光照有无控制；

(2)通过控制PWM调光电路的电压值大小来模拟光照的强弱变化规律；

(3)通过LED控制开关1-2-3-4-5-6的顺序打开，然后顺序关闭LED控制开关1-2-3-4-5-6，可等效模拟周期性昼夜交替的变化光照条件；

(4)通过递减控制PWM调光电路的电压来降低LED输出光强，即按照一个变化周期内递减0.1V，等效模拟光伏组件表面均匀降尘规律；

(5)通过在递减控制PWM调光电路的过程中，在某一时刻将PWM调光电路的输出初始化到最大电压值，用来模拟光伏电池片经过清洗的过程；

(6)通过控制LED控制开关1-2-3-4-5-6的任意部分打开和闭合，可模拟光伏电池片接收光照部分遮挡条件；

(7)通过增大或减小LED控制开关和PWM调光电路的变化周期，实现加速或减缓测试周期。

通过单片机程序控制，增大或减小系统模拟光照变化时间周期，可以加速或减缓太阳能电池片的测试周期，提高测试效率。通过实时采集温度值，判断温度所导致的LED输出光强的衰减比例，通过负反馈电路来控制调节PWM调光电路，使得光照强度在同一测试条件下输出恒定。

LED阵列的输出功率与温度成幂数关系，一般形式为：k₁为LED最大输出功率，K₂为温度衰减系数，y为LED阵列的实时输出功率，t为当前LED阵列工作温度，考虑到输出功率与光照强度呈线性关系，因此y也为LED阵列光照强度。由于是模拟的太阳光照强度，因此k1为LED阵列在标准条件下(环境温度25度，PWM控制电路输出最大)测得的额定输出功率，k₁＝1000。LED输出同时，由于LED光照强度与PWM调光电路的输出P成正比，PWM输出最大值为5，则K＝5/1000＝0.005。则PWM调光电路的输出P＝0.005*y(t)。若当前LED工作温度为40度，最高工作温度为100度，则k2＝0.15,PWM调光电路的输出在其他条件不变时，如果温度升高，则单片机通过所述光强反馈补偿电路，作用于PWM调光电路，使得PWM调光电路的输出按照P(t)执行。

例如，将光照变化小时时间间隔在所述装置中设置为2秒，则模拟白天的光照变化只需要24秒。一个月的光照变化测试只需要720秒，一年的光照变化模拟需要8640秒。将光照变化小时时间在所述装置中设置为1秒，则模拟白天的光照变化只需要12秒。一个月的光照变化测试只需要360秒，一年的光照变化模拟则只需要4320秒

在光模拟的同时，太阳能电池特性参数检测系统30同时启动，采集当前太阳能电池的伏安特性曲线，温度和辐照值。

如图5所示，太阳能电池的伏安特性曲线检测，通过控制I-V曲线检测电路中的可控电子负载电路中三极管或者MOS管303的导通程度来调节其电阻值的大小，不导通的时候，可控电子负载电路的电阻值接近于无穷大，此时太阳能电池的输出电流为0A，电压为开路电压Voc，完全导通时，可控电子负载电路的电阻值接近于0欧姆，太阳能电池的输出电流为短路电流Isc，电压为0V。可控电子负载的阻值理论上可以实现从0欧姆到无穷大的平滑变化。

太阳能电池与本发明装置连接后，太阳能电池的电流通过正极接口701流过由MOS管和高精度电阻搭建的电子负载电路，经过负极接口702流回负极，同时AD采集电路304对高精度采样电阻302两端的电压和MOS管303漏极对地的电压，将采集的电压值传送给单片机系统处理后，可得到太阳能电池的电压和电流值。通过所述单片机控制系统来控制可控电子负载的阻值大小，从而实现对太阳能电池I-V曲线所有工作状态点电压、电流、辐照、温度值的检测。单片机控制系统将采集处理后的数据发送到数据通信模块发送给上位机处理。

所述辅助散热单元主要由金属制成的散热板，与LED阵列通过导热硅胶粘贴的铝基板，所述铝基板通过导热硅胶粘贴固定在散热板上，散热板上具有散热槽，所述散热槽上安装有风扇。

与现有技术相比，本发明的有点在于：所述光照变化加速模拟与太阳能电池特性参数检测装置包括任意光照变化的模拟多路LED阵列、太阳能电池特性参数检测电路、数据存储模块、显示模块、单片机控制模块、散热单元、通信模块。任意光照变化的模拟多路LED阵列电路可以模拟任意随机光照变化的环境，同时还可以模拟积灰度变化条件、光伏电池片部分遮挡等光照分布不均性的测试条件；太阳能电池特性参数检测电路可以检测太阳能电池的电压、电流、功率、温度、辐照强度等参数，特别的该检测电路使用的可控电子负载电路可以通过程序来调整加载在太阳能电池正负极之间的电阻值大小；单片机控制系统主要用来协调整个装置的运行，将采集的参数数据保存到数据存储模块中，并将数据通过通信模块发送给上位机处理。

需要说明的是，在本文中，诸如“包括”“包含”或者其他任何变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品、或者设备，不仅包括哪些要素，而且还包括没有明确的列出的其他要素，或者是还包括这种构成、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或设备中还存在另外一个相同的要素。