便携式太阳电池阵列测试系统

便携式太阳电池阵列测试系统张克农，赵云鹏，蒋昕，张庆龙（西安交通大学，西安 710049 ）摘 要 介绍了一种便携式太阳电池阵列测试系统。该系统可以在无交流电源的现场对太阳电池组件和阵列进行快速测试，既可直接利用自然光源，也可利用自带光源测量。测试结果可在仪器的液晶模块显示，也可通过 USB接口在上位机显示。该系统以 TI 公司的 DSP芯片 TMS320LF2407A为核心，采用总线结构和模块化思想进行设计，具有易于维护和扩展性好等特点。关键词 DSP；太阳电池；恒定光强脉冲氙灯Abstract Introduces a kind of portable solar cell array test system with the light source, which can fast test solar cell module or array in the filed without AC power. The system can use either natural light source directly or the extern light source. The test result can be showed at LCD or computer display connected through USB. Keywords DSP； Solar Cell ， pulse xenon lamp 1 引言随着我国光伏电站的广泛建设，需要便携式太阳电池测试系统在电站现场对太阳电池组件和阵列进行测量，这样不但可以保证装配组件的质量，获得最佳的组装效率，还可以定期检查太阳电池阵列的质量。目前国内外研制的便携式太阳电池测试仪器都只能利用自然光测量，无法在室内和室外自然光较弱时使用。本系统具有体积小、重量轻、能耗低、可用电池供电等特点。自带的一种脉冲氙灯单次闪光可以发出数毫秒恒定光强的光脉冲， 且光强可调。它既可在室内用自带光源对太阳电池组件进行测量，也可在室外用自然光（可用自带光源补偿光强值）对太阳电池组件及阵列进行测量，从而突破了现有便携式测试仪器仅用自然光源的局限。2 系统工作原理本系统通过放置在被测太阳电池组件同一平面的标准太阳电池测量当前光强值，如在室内或自然光太弱时，可连接自带的脉冲光源，调节发光强度或光源距离，使当前光强达到或接近标准光强 1000W/m 2。测试系统可以同步测量被测太阳电池在光照下的伏安特性曲线，以及当前温度和光强值。 测试结果由 DSP 进行处理， 可以通过图形液晶显示出来。本系统既可独立运行也可与上位机联机运行。系统框图如图 1 所示。2.1 恒定光强脉冲氙灯本系统采用了一种新研制的脉冲氙灯光源。它可以在触发脉冲的控制下发出数毫秒恒定光强的光脉冲，亮度正比于触发脉冲的幅值，发光时间等于触发脉冲的宽度。另外，该灯还可以在单次闪光期间改变光强，从而可以准确的测出太阳电池组件及阵列的串、并联电阻。该种脉冲氙灯图 1 系统框图电源模块光强测量电路温度测量电路USB 接口模块图形液晶显示模块程控电子负载模块 脉冲氙灯DSP最小系统脉冲光源触发电路2单次触发脉冲和光强波形如图 2 所示。与用在固定测试设备上氙灯的不同之处是该灯用 12V 供电，升压电路把 12V 直流电压变换成 300V ，再给脉冲氙灯供电。脉冲氙灯的瞬间发光功率可达到几十千瓦，但由于闪光时间只有几毫秒，所以灯的平均功率极小。该脉冲氙灯无需要庞大的电感电容网络来形成恒定光强脉冲，从而减小了太阳模拟器的体积和重量，使便携测试系统成为可能。基于恒定光强脉冲氙灯太阳电池的测试方法已申请专利、通过教育部鉴定并成功地用在太阳电池组件生产线上。2.2 DSP 最小系统DSP 最小系统是系统的核心模块，其组成如图 3 所示。其中 JTAG 接口为仿真接口。 DSP 的程序存储器选择信号 PS 和数据存储器选择信号 DS 经译码后接到片外存储器 SRAM 的片选 CS ，这样片外 SRAM 既可以作为数据存储器， 也可以作为程序存储器使用。在系统调试开发阶段，目标程序由仿真器通过 JTAG 口下载到片外 SRAM中， DSP 的 MP/MC 引脚通过跳线接到 VCC， DSP就会从片外程序存储器（即片外 SRAM ）开始执行程序。当系统开发完成后，可通过 JTAG 口将程序写到片内 FLASH 中。此时， MP/MC 引脚应该接到 GND ， DSP 复位后会从片内程序存储器开始执行程序。总线接口包括模拟部分和数字部分。模拟部分把 DSP 的 AD 转换输入引脚通过缓冲器连接到总线的模拟信号上。数字部分把 DSP 的数据总线、控制总线和部分 GPIO 通过双向电平转换芯片 SN74LVC245 与系统总线进行桥接， 从而实现了总线上的 5V 电平和 DSP 最小系统的 3.3V 电平的隔离与转换。2.3 程控电子负载程控电子负载完成对被测太阳电池伏安特性曲线的测试，该部分原理图如图 4 所示。被测太阳电池通过四线制与被测电路相连接。 12 位 D/A转换芯片 TLV5619 将 DSP 给出的数字信号转换成模拟信号，作为电子负载的给定信号。被测太阳电池、补偿电源、运算放大器 IC1 、 MOS 管Q1 及电流采样电阻 R 构成了闭环负反馈。根据运放的虚短，有V1V2 1 V2IR 2 其中 I 是流过被测太阳电池组件的电流， R是电流采样电阻的阻值。由 1 和 2 可知， I 与V1 成正比关系。改变 D/A 的输出电压即可改变流过被测太阳电池组件的电流。补偿电源的作用SRAM 译码总线接口JTAG 接口DSP 电源 晶振图 3 DSP 最小系统框图---RV1V2IIC1IC3Q1AD620TLV5619OUTD0～ D11IC2数字总线被测太阳电池组件电流输出电压输出接模拟总线图 4 程控电子负载触发脉冲闪光脉冲图 2 触发脉冲和闪光脉冲波形是补偿采样电阻和 MOS 管上的压降，可以使被测电池组件工作到短路状态， 从而测得完整的 I-V曲线。2.4 USB 接口模块USB 是一种通用串行总线。 随着各种类型的USB 产品陆续推出， USB 通信的优点越来越广泛的被人们熟知。 USB 具有使用方便、 应用范围广、灵活、 稳定、 易于与 PC 机接口 （支持即插即用） 、成本低廉、 易于升级等优点。 本系统采用 PHILIPS公司的 PDIUSBD12 作为 USB 接口芯片。 此芯片基于 USB1.1 协议，带有并行总线和局部 DMA传输能力。片内集成了高性能的 USB 接口器件、SIE/FIFO 存储器、收发器以及电压调整器等，可与任何外部微控制器 /微处理器实现高速并行接口（ 2MB/S ） 。2.5 电源模块由于本系统应用于无交流电的现场测量，所以系统采用了蓄电池来供电。它经过 DC-DC 变换，提供系统所需的数字电源以及模拟电源，同时，还提供脉冲氙灯所需的电源。3. 测试系统软件图 5 是本系统通过 USB 接口与上位机联机运行时所测得的伏安特性曲线的软件界面。4．结束语随着我国光伏事业的大力发展，太阳电池组件及阵列的现场检测越来越必要，因此，便携式的太阳电池测试系统就必不可少。本系统以其优良的性能和方便灵活的应用必将满足光伏电站等需现场检测太阳电池组件及阵列的应用需求，具有广阔的前景。参考文献[1] 国标 GB11012-89. 太阳电池电性能测试设备检验方法， 1989 [2] Jan Kroon. Accurate determination of Photovoltaic power conversion efficiencies[R]. DPI Winterschool, 2003 [3] R.W Opjorden. PULSED XENON SOLAR SIMULATOR STSTEM. Conference record of the Eight IEEE Photovoltic Specialist Conference[C],1970.P312325 [4] 时景立，孔凡建 .便携式太阳能电池组件测试仪，太阳能， 2001， 2 [6] 王红雨 .基于恒定光强脉冲氙灯太阳电池测试系统，西安交通大学硕士论文， 2004 年[7] 刘和平 .TMS320LF2407 DSP 结构、 原理及应用， 2002 图 5 测试系统软件测试界面便携式太阳电池阵列测试系统作者 张克农 ， 赵云鹏 ， 蒋昕 ， 张庆龙作者单位 西安交通大学 ,西安 710049相似文献 9条1.学位论文 方玮 基于 ARM的便携式光伏阵列测试仪的研究 2007随着世界经济的发展以及不可再生能源的短缺，新能源的利用达到了前所未有的高度，其中尤以太阳能利用最为广泛。随着太阳能电站的增多，为合理配置太阳能电站的电池阵列，提高发电效率，需要对太阳电池阵列的特性进行现场测试并做出分析。本文在前人已有的研究基础上，采用了一种电容充电动态测量的测试方法，既通过对电容充电，采用高速 AD对充电过程中的电压、电流进行采样从而得到相关的数据，通过对数据的分析来获得太阳电池阵列的特性。系统采用了现在很流行的嵌入式处理器 ARM系列作为核心的控制器件，并提出了手持式仪器的创新概念，引入了方便直观的人际交互方式。完成了以下具体工作1. 根据太阳电池的特性测量原理设计出合适的测试硬件电路和应用软件；2. 选用了实用的太阳电池阵列数学模型，对太阳电池阵列的特性曲线进行液晶显示。3. 编写了监控软件，以数字和图形相结合的方式来描述电池阵列的光伏特性。4. 通过在一定条件 温度、日照强度 下测量的数据，对任意条件下的电池阵列特性做出预估。试验结果表明，测试系统携带方便，测量精度较高，功能全面，能够很好地反映太阳电池阵列的光伏特性。2.学位论文 杜燕 太阳电池阵列的工作特性测试与预估研究 2004太阳电池阵列的现场测试可以有效地分析和评价光伏电站的发电效率 , 但是由于传统的现场测试方法具有体积庞大、现场测试不便等缺点 , 使得这种方法未能在太阳电站的性能测试和评价工作中得以应用 . 针对太阳电池阵列的测试方法 , 该文进行了详细的分析比较和探讨 , 系统采用一种新型的电容动态充电方式对太阳电池阵列进行特性测试 , 该方法是通过检测太阳电池阵列对电容的充电过程中电流、电压的变化数据 , 重现光伏阵列的Ⅰ -Ⅴ特性 , 采用这种方式可以快速而方便的测量太阳电池阵列的Ⅰ -Ⅴ特性 , 具有体积小、重量轻等特点 , 克服了传统现场测试方法的弊端 . 为了能够反映环境温度、日照强度对太阳电池阵列的Ⅰ -Ⅴ特性的影响 , 系统建立了基于短路电流 I 、开路电压 V、最大功率点电压V和最大功率点电流 I的太阳电池阵列的工程化数学物理模型 , 该模型可以依据现场测量的数据确定任意照度、温度条件下的特性参数 , 预估太阳电池阵列在不同温度、照度下的特性曲线 . 该文通过对阵列电压和电流的数据采样实验研究 , 发现了系统中存在对数据采样信号的随机干扰 , 并严重影响数据采样的精度和曲线重现 , 该文提出必须采用数字滤波方式对采样信号进行处理 , 以获得平滑准确的阵列特性曲线 , 系统采用均值滤波方式进行了实验 , 并获得满意效果 . 该文实验并研制成功了实用的太阳电池阵列测试系统 , 该系统携带方便 , 其太阳电池阵列的电压测量范围为 0-600V,电流测量范围为 0-100A.系统以 DSP为控制核心 , 可自动识别并适应不同的电压和电流等级 , 采用程控放大、变化采样频率以获得优化的阵列测试效果 . 并且可以根据用户输入的预估温度和照度 , 对所测太阳电池阵列进行Ⅰ -Ⅴ特性预估 , 全面反映所测太阳电池阵列的Ⅰ -Ⅴ特性 . 此项技术填补了国内空白.3.期刊论文 杜燕 . 苏建徽 . 赵为 基于 DSP的太阳电池阵列测试仪 - 电子产品世界 2004,““5给出利用 TMS320LF2407和数字式可控放大电路进行不同功率太阳电池阵列曲线测量的实现方法和试验结果.4.学位论文 朱小强 光伏阵列测试方法的研究及实现 2005随着光伏产业的发展，太阳能电站的增多，为合理配置太阳能电站的电池阵列，提高发电效率，需要对太阳电池阵列的特性进行现场测试并做出分析。在已有的研究基础上，比较分析了现有的太阳能电池阵列的现场测试方法，本文提出了一种电容充电动态测量的测试方法，既通过对电容充电，采用高速 AD对充电过程中的电压、电流进行采样从而得到相关的数据，通过对数据的分析来获得太阳电池阵列的特性。在本文中主要从以下几个方面的工作来完成对太阳电池阵列的光伏特性测试议的分析和设计 1.根据特性测量原理设计出合适的测试硬件电路和应用软件。 2.在测试仪和上位机之间通过 USB口实现通讯，并利用 USB口为测试仪提供电源。 3.选用了实用的太阳电池阵列数学模型，对太阳电池阵列的特性曲线进行显示。 4.编写了上位机的监控软件，并以数字和图形相结合的方式来描述电池阵列的光伏特性。 5.通过在一定条件 温度、日照强度 下测量的数据，对任意条件下的电池阵列特性做出预估。通过试验的结果可以表明，测试系统携带方便，测量精度高，功能全面，能够很好的反映太阳电池阵列的光伏特性。关键字太阳电池阵列现场测试数学模型光伏特性特性预估USB监控5.学位论文 宗桂林 基于 MSP430的光伏阵列测试仪的研究 2007目前光伏产业迅速发展，太阳能电站逐渐增多，为合理配置太阳能电站的电池阵列，提高发电效率，需要对太阳电池阵列特性进行现场测试并做出分析。本文针对太阳电池阵列特性的测试方法，进行了详细的分析比较，系统采用电容充电动态测试方法，对充电过程中的电压、电流进行采样，从而得到相关的数据，通过对数据分析获得太阳电池阵列特性曲线及各项参数。本文所做工作如下1. 本文设计的是手持式测试仪，测试仪供电电源是充电锂电池，为了延长电池的寿命，必须保证系统的低功耗，因此采用超低功耗单片机 MSP430系列作为系统的控制芯片。并且在采样电路里增加了开关三极管，通过三极管开通和关断来控制采样电路，进一步降低了功耗。2. 根据电容充放电原理，设计出测试硬件电路和应用软件。3. 基于一种太阳能电池阵列数学模型，并结合实时测量的数据，对太阳能电池阵列特性曲线进行分析。并对任意条件下的电池阵列特性做出预估。该系统具有携带方便、测量精度高、功能全面、能够很好地反映太阳电池阵列的特性。6.期刊论文 杜燕 . 苏建徽 . 赵为 基于 DSP的太阳电池阵列测试仪 - 今日电子 2004,““3本文介绍了利用 TMS320LF2407和数字式可控放大电路进行不同功率太阳电池阵列曲线测量的设计方法 , 并给出了测量原理、实现方法和试验结果.7.学位论文 彭凯 太阳电池阵列特性现场测试设备研究 2007随着经济的发展，能源问题越来越突出，作为可再生能源的太阳能光伏产业在未来将会有更大的发展空间。为合理配置太阳能电站的电池阵列、提高发电效率、降低发电成本，需要对太阳电池阵列的特性进行现场测试并做出分析。在比较分析了现有的太阳能电池阵列现场测试方法的基础上，本文采用了动态电容充电测量的测试方法，设计并研制出基于TI公司的 TMS320F2806DSP的太阳电池阵列测试仪样机。本文主要工作及创新在于1. 在基于 TMS320F2806DSP下位机测试控制部分的硬件电路中为电压和电流采样各设置了四路不同量程的采样通道。采样时通过软件判断自动选择最合适的量程，提高电压和电流大范围测量时的精度；2. 在为电压和电流选择合适的量程及采样周期时，除采用预采样的方法外，在本测试仪样机中还尝试采用公式估算的方法。与预采样的方法相比，公式估算的方法只需要对电容进行一次充放电操作就能完成整个测量过程，使测试过程更加快速；3. 对测试得到的数据按电压值进行了从小到大的升序重组，对电流数据进行了递推中位值平均滤波法的数字滤波处理，可消除由于偶然出现的脉冲性干扰所引起的采样值偏差；4. 对辅助电源、测试控制电路和液晶显示进行了一体化的设计，使太阳电池阵列特性的测量和显示可以在本测试仪上一次完成。5. 本测试仪样机可以利用太阳电池的数学模型以及测量的实时数据对阵列特性曲线进行预估、分析。通过对太阳电池阵列进行实际测量，实验结果表明该样机测试系统运行稳定、携带方便、测量精度较高、一次完整的测试只需 10s左右，测试比较快速，并且测量得到的伏安特性可以在液晶上直接以曲线的形式显示，使测得的阵列特性更为直观，能满足工程应用的需要。8.期刊论文 张克农 . 赵云鹏 . 蒋昕 . 张庆龙 . ZHANG Ke-nong. ZHAO Yun-peng. JIANG Xin . ZHANG Qing-long 自带光源的便携式太阳电池阵列测试系统 - 可再生能源 2005,““4介绍了一种自带光源的便携式太阳电池阵列测试系统 . 该系统可以在无交流电源的现场对太阳电池组件和阵列进行快速测试 , 既可直接利用自然光源 , 也可利用自带光源测量 . 测试结果可在仪器的液晶模块显示 , 也可通过 USB接口在上位机显示 . 该系统以 TI公司的 DSP芯片 TMS320LF2407为核心 , 采用总线结构和模块化思想进行设计 , 具有易于维护和扩展性好等特点.9.学位论文 宋文祥 太阳电池、组件和户外光伏系统的测试研究 2006随着全球光伏市场的快速发展，光伏产品的应用越来越广泛，太阳电池、组件和户外系统的测试也随之越来越重要。文章以此为核心，首先介绍了太阳电池的标定、常规组件和户外系统的测试原理、方法和设备，其中针对市场上新出现的高效率单晶硅太阳电池组件进行测试研究，发现采用一般的市售短脉冲单次闪光测试仪将产生较大测量误差，通过对NREL和 Sandia实验室标定的标准参考组件进行对比测量和模拟研究，提出了解决方法；其次针对国内外对户外光伏系统测量研究较少的现状，研制出一种户外光伏阵列测试系统，实现 I-V曲线和关键参数 Voc Isc Vmp Imp Pmax等 的采集，从测试原理、设计到运行和测试的精确性都进行了详细研究和描述；最后利用该测试系统对小型户外光伏系统进行评价，自行设计小型 Siemens和 SunPower光伏系统各一套，对其进行全天候测试，通过比较 FF发现强光下 SunPower系统性能明显优于 Siemens系统，通过比较弱光下 Isc发现光强上升和下降阶段 Siemens系统和 SunPower系统各自在短时间内略显优势，由于光强上升和下降阶段对于全天发电量影响较小，整体来讲 SunPower高效电池还是优于 Siemens电池，通过SunPower电池的特殊结构对该现象可以得到初步解释，同样的研究方法可以用于评价其他类型的电池组件。关键词太阳电池、组件、光伏系统、测试本文链接 http//d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6330194.aspx授权使用西安交通大学 wfxajd ，授权号 c9e531e4-0b0b-4575-a7f8-9dd1009f0f05下载时间 2010年 8月 13日