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1、 兰州交通大学毕业设计（论文） 摘要太阳能是一种无污染且又取之不尽、用之不竭的绿色能源，其主要利用方式是太阳能光伏发电。太阳能光伏技术是把太阳的光能转换成电能的主要方式。光伏电池是太阳能发电的核心部分，对光伏电池输出特性进行深入广泛的研究具有重要意义。因此，作为太阳能电池及其相关产品的生产、研究过程中的重要设备，高性能太阳能电池测试系统的研制有着十分重要的意义。本文的重点在于利用DSP设计一种低成本、高可靠性和高灵活性的光伏电池测试系统。首先对光伏电池测试系统的基础理论进行介绍；然后详细地阐述了光伏电池测试系统硬件电路的方案设计、模块划分、硬件选型和相应模块电路的具体实现,并给出了DSP控制软
2、件各部分的功能和具体的实现。为下一步开发出能满足研究人员实际需要的光伏电池测试系统搭建一个框架和系统平台。目前，太阳能电池测试电路从功能上基本达到了设计目标，今后的工作主要是将新的测试方法在测试电路上实现，更好地满足研究人员对太阳能电池测试电路的需求。关键词：光伏电池，测试系统 ,硬件电路，软件电路AbstractAs a clean and inexhaustible green energy, most using mode of solar energy is photovoltaic generation. Photovoltaic cell is the hard core of s
3、olar electric power generation, so the thorough research on output characteristics is of far reaching importance. As the key equipment for the production, research of solar cell, it is important to develop a solar cell testing system with high performance.The focus of this paper was to design a low-
4、cost, high reliability and flexibility hardware platforms for the photovoltaic (PV) cell testing system by using the DSP. At first, the basic theory of the PV cell testing system was introduced. And then, the formula design, function division, hardware selection and the specific module circuits achi
5、evement for the PV cell and the DSP controlling program were described in detail. A framework and system platform has been established in this paper for the further development of the testing system of the solar PV cell to meet the researchers actual requirements.At present, the basic functions of s
6、olar cell testing circuits have achieved. Applying the new methods introduced before to the solar cell testing circuits will be the primary work in the next period.Key words：PV cell; testing system; hardware circuit; software circuit目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 能源现状与太阳能光伏发电11.2 太阳能电池测试设备现状31.3 本课题的来源及所做工
7、作42 太阳能光伏电池的原理和特性62.1 光伏电池的光伏效应原理62.2 太阳能电池的等效电路72.3 光伏电池的输出特性82.3.1光谱响应92.3.2光伏电池的I- V和P-V特性曲线92.3.3光照强度对光伏电池输出特性的影响102.3.4温度对光伏电池输出特性的影响112.4 光伏发电系统122.4.1光伏发电系统的分类122.4.2 光伏系统的应用133 太阳能电池的测试原理153.1 太阳能电池测试相关参数概述153.2 太阳能电池伏安特性测试原理173.2.1概述173.2.2直接法测太阳电池负载特性173.2.3补偿法测试太阳电池负载特性193.2.4四线法测试太阳电池负载特
8、性214 太阳能光伏电池测试电路的方案设计234.1 太阳能电池测试系统框图234.2 太阳能电池测试系统光源的选择234.3 太阳能电池测试电路硬件方案的设计264.4 硬件模块功能介绍264.5 太阳能电池测试电路软件方案的设计274.6 软件模块功能介绍285 太阳能光伏电池硬件电路设计295.1 DSP控制电路设计295.1.1器件选型295.1.2DSP外围电路设计305.2 电流电压检测电路设计325.2.1恒压模式下的测试325.2.2 电流模式测试335.2.3 开路电压测试345.3 信号调理电路设计345.4 串口通讯电路设计365.4.1器件选型及功能分析365.4.2电
9、路设计375.5 FLASH及其译码电路设计385.6 功率MOSFET驱动电路设计405.6.1器件选型及功能分析405.6.2功率MOSFET驱动电路设计425.7 小结436 太阳能光伏电池软件电路的设计446.1 主程序流程图设计446.2 数据采集程序设计456.3 自动增益控制软件设计456.4 串口通信控制软件设计466.4.1串口通信模式选择466.4.2串口通信程序实现476.5 FLASH读写程序设计486.6 小结48结论与展望49致 谢50参考文献51501 绪论能源是推动社会发展和经济进步的主要物质基础，能源技术的每次进步都带动了人类社会的发展。目前的世界能源是以煤炭
10、、石油、天然气等化石能源为主体结构。而化石能源是不可再生的能源，大量耗用终将枯竭，并且在生产和消费过程中有大量污染物排放，破坏环境与生态。为保证人类社会的稳定、持续的能源供应，必须优化现存的以不可再生的化石能源为主体的能源结构，建立可再生多样化的新的能源结构，走经济社会可持续发展之路。为了保护人类赖以生存的生态环境，必须采取措施减少化石能源的耗用，大力开发利用清洁、干净的新能源和可再生能源，走与生态环境和谐的绿色能源之路。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源以其独有的优势成为人们重视的焦点。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转化为电能，转变率为5%，
11、则每年发电量可达5.6x102千瓦时，相当于目前世界上能耗的40倍。太阳能的转换和利用方式，从狭义上可分为三类:光电转换，光热转换和光化学转换。而太阳能光伏发电是目前应用最广泛的一方面，即通过光伏电池将太阳辐射能直接转化为电能，并与储能装置，测量控制装置和直流交流转换装置相配套，构成光伏发电系统。专家预计，到21世纪中叶，太阳能光伏发电将在整个能源结构中占14%左右，在全球范围内光伏并网发电系统将在地面得到大规模推广应用。1.1 能源现状与太阳能光伏发电现代社会的生产和生活依赖于能源的大量消费，要实现把中国建设成为社会主义现代化国家的战略目标，能源是重要的物质条件。能源是国民经济发展和人民生活
12、所必需的重要物质基础，对社会经济发展和提高人民物质文化生活水平极为重要。当代社会最广泛使用的能源是煤炭、石油、天然气和水力，特别是石油和天然气的消耗量增长迅速已占全世界能源消费总量的60%左右。现在人们已经意识到常规能源如石油、天然气、煤气等很快就会面临枯竭，例如全球储备的煤矿仅够开采50年，石油天然气也只能再维持200年，迄今为止全球尚有1.6亿人口没有解决用电问题。这种状况严重阻碍了当地社会和经济的发展，甚至影响到居民的基本生活如健康和教育等。针对以上情况，开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展战略是当前必须采取的措施。从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理
13、想的绿色能源。全球能源专家们认定，太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。太阳能作为一种可再生的无污染的能源，并以其资源丰富、获取简单而在能源领域受到重视。目前我们对太阳能的利用形式主要有：太阳能热水器、太阳能建筑、热发电以及光伏发电等。特别是近十几年来，太阳能利用技术在各个方向上都有发展，国家政策的大力支持，使得太阳能利用的成本不断下降，应用领域不断扩大，在整个能源结构中所占比重不断提升。我们相信，在不久的将来，太阳能将作为一种洁净的新型能源普及在社会的各个能源领域中，担当重要角色。开发新能源和再生清洁能源是二十一世纪世界经济发展中决定性影响的五项技术领域之一，充分开发利用太阳能是世界各国政府
14、可持续发展的能源战略决策。其中太阳光发电则最受瞩目，太阳光发电远期将大规模应用，近期可解决特殊应用领域的需要，到2030年光伏发电在世界总发电量中将占到5%-20%。随着各国对资源、环境、能源等问题的认识日益加深，太阳能光伏发电越来越得到各国的认同，越来越多的资金和人力投入到了对光伏发电的研究中来，相应的对光伏产业的扶持政策也纷纷出台。各国政府纷纷采取措施，刺激太阳能工业的发展，倾向于将研发资助转向光伏技术的开发和商品化，并且正在大力开发相应的太阳能产品，积极鼓励本国人民利用太阳能。在欧美一些先进国家，目前正在广泛开展应用“光电玻璃幕墙制品”，这是一种将太阳能转换硅片密封在双层钢化玻璃中，安全
15、地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材。美国的“光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划”。日本的“朝日计划”以及我国已开展的“光明工程”将在建筑领域掀起节能环保生态建材的开发应用热潮，极大的促进了太阳能在新型建材产品中的应用。我国太阳能光伏发电技术的研究开发工作经过近20年努力已经有了一定的基础，先后开展了晶硅（单晶、多晶）高效电池，非晶硅薄膜电池，CdTe、CES、多晶硅薄膜电池技术水平不断提高，个别项目达到或接近国际水平。同时开展了光伏发电系统及其关键电气设备研制工作，建成千瓦级独立并网光伏示范电站，先后在西藏建设25-100千瓦7个光伏电站及多种光伏应用工程，为我国光伏电站的发展做
16、出了开拓性工作。但在总体水平上同发达国家相比还有较大的差距。但是相信随着人们环保意识的提高，政府对新能源利用的重视，新能源的推广和利用将会日渐受到注目和推崇，成为保障社会、经济可持续发展的关键。2008年北京奥运会提出“绿色奥运”的目标将会是我国新能源推广和利用的契机。中国在签署京都议定书以后，中国政府对外承诺至2010年光伏发电总装机容量达到0.45GW。2005年十届全国人大常委会第十四次会议28日高票通过可再生能源法，专门设立了产业指导和技术支持、推广与应用、价格管理与费用分摊、经济激励与监督措施等内容，对相关政策进行了明确，并对可再生能源的开发利用规定了一系列的政策扶持措施。随着我国经
17、济的高速发展，光伏技术日益成熟，在可持续发展战略的指导下，我国的光伏产业将会有更大的发展。1.2 太阳能电池测试设备现状太阳能电池的测试技术是和太阳能光伏事业同步发展的。在研究和生产太阳能电池器件时需要对产品的性能、参数和指标进行准确的测量，以便保证太阳能电池器件性能的质量、控制生产条件和改进工艺方法，从而达到生产高效率、低成本和长寿命产品的目的。因此，对于太阳电池和组件的生产厂商，高质量的太阳电池及组件测试系统是生产线上必不可少的重要设备。太阳能电池测试设备在国外已得到广泛应用，各大太阳电池生产厂商都有其系列产品。目前，世界上生产太阳电池测试设备的主要厂家有SPIRE、BELVAL、SPEC
18、TTOLAB和PV MEASUREMENTS等。SPIRE公司的产品市场份额最大。其中，较先进的测试设备其太阳模拟器多采用长弧氙灯做光源，其辐照不均匀度一般为3%，有效辐照面积从小于一个平方米到几个平方米。测试设备的测试精度一般在0.5%1%，功耗从十几千瓦到几十千瓦不等，占地面积从几平方米到十几平方米，同时售价昂贵，如Spire公司生产的Spire SPISUN SIMULATOR240型、Hughes公司生产的HUGHES 4500I型测试仪，售价高达几万到几十万美元。总体而言，国外太阳能电池测试设备的显著缺点是造价高、体积大、功耗大。国内太阳电池测试设备的商品化生产还处于起步阶段。北京太
19、阳能研究所、天津1418所、航天部上海811所、长春光机院、复旦大学、西安交通大学和上海交通大学都作过很多研究开发工作。其中有些单位还少量生产了一些太阳电池测试设备。国内太阳电池测试设备的研究开发已经历了几个阶段，先是用稳态光源太阳模拟器如碘钨等光源的测试设备，典型的有西安交大太阳电池研究室研制的CCM-2C型太阳电池测试台。但由于这种型号的太阳能电池测试设备所采用的稳态光源太阳模拟器功耗大、温度高，一般有效测试精度在1%左右，体积大功耗大仍是不足之处。 上海交通大学研制的JD01、JD02和JD03太阳电池单体和组件测试设备均采用频闪脉冲氙灯作为太阳光模拟器。为了解决脉冲氙灯光强不稳定的问题
20、，采用钳位电压式电子负载。其基本原理是在氙灯光强达到标准光强时刻锁定被测电池的电流信号。用这种方法一次闪光只能测一组点。其采用脉冲氙灯系统作为太阳光模拟器，需要高速的数据采集板卡，硬件价格昂贵。同时由于脉冲氙灯光谱与标准太阳光谱的失配，需要从软件上实现其测得数值的修正复现。作为国家科技部“十五”高技术研究发展计划（863计划）项目，上海交通大学研制了JD-SFS06单次闪光大面积太阳模拟器。该设备一次闪光能够测试太阳电池的主要电参数，绘制P-V和I-V曲线。但是，该系统需用一个0.650.611.2m3、180kg的脉冲电源柜，需要220V、20A供电，硬件成本昂贵。秦皇岛博硕光电设备有限公司
21、生产的SPT-Module Tester采用多级电感电容网络控制的单次脉冲氙灯作为太阳模拟器，测试光源柜高达2米左右。总体而言，这些设备还无法用到自动生产线上，停留在单台应用的阶段，其中一些测试设备的可靠性和性能指标较差，并且功耗高、体积大和质量重。就现状而言，我国太阳电池及其组件自动生产线上使用的测试设备主要依赖进口。1.3 本课题的来源及所做工作在可再生能源中，太阳能光伏发电产业是全球发展最快的新兴产业之一，最近10年，太阳电池产量年平均增长率为37%，最近五年的年平均增长率为45%。按世界各主要国家可再生能源发展计划推算，2010年以前光伏产业将持续以30%以上的速度增长，2010年20
22、40年，光伏产业的复合增长率将高达25%，可预见的高速增长将持续40年以上。研究、开发或制造太阳能电池的科学家及工程师需要各种测量、控制、分析及可视化工具来评估和验证太阳能电池技术。就研究开发而言，测试可以描述和优化能量输出，延长电池的使用寿命和耐久性；在设计方案的验证过程中，主要目标是优化设计，为批量生产做准备；在加工制造领域，将对PN结进行检查以保证其符合要求；在实际应用中，监控电池的寿命和安全工作至关重要。可以看出，从太阳能电池的研究开发到方案验证，乃至生产和使用，都需要对太阳能电池的工作状态进行测试。太阳能电池的飞速发展使得针对太阳能电池的自动测试系统的要求激增。太阳能电池作为洁净新能
23、源在光伏领域已获得良好的商业应用和发展，但许多制约电池发展的影响因素尚不清楚如电光学特性等。太阳能电池I-V特性曲线是衡量太阳能电池品质优劣的重要依据，它给出了短路电流ISC、开路电压VOC、光学转换效率、电池内阻、最大输出功率点等丰富的物理信息，为改进电池制备工艺和电学性能提供了重要的分析依据。对I-V曲线试验数据进行拟合分析的许多方法，如解析法、数论方法、从暗I-V曲线中取得电池的特性参数等，已取得较深入的研究成果。国内外在光电检测，光电跟踪等方面都已经做了很多研究工作，但是如何测量太阳能电池并获得准确的I-V特性曲线的试验数据，相关研究较少。太阳能电池产业化的发展对太阳电池的测试技术提出
24、了更高要求：测试速度快、测量面积大、测量自动化程度高等。适应产业化测量要求的同时，科研要求其能具有更高的测试精确度，并且要有相对于国外同类产品的价格优势。目前，太阳能电池测试系统的主要产品都是国外进口的产品。国外公司在上世纪便开展了太阳能电池测试设备的研发工作，有一定的技术积累，形成了针对不同种类，不同功率太阳能电池的系列产品，技术相对成熟，但价格昂贵。国内公司起步较晚，在太阳能电池测试设备的研究上则较为落后。因此，加紧开发太阳能电池测试系统迫在眉睫。本文主要做了以下几方面工作：一、对太阳能光伏电池基础理论做了研究，介绍了光伏电池的光伏效应原理，太阳能电池的等效电路，输出特性和相关的影响因素，
25、光伏发电系统的分类和应用。二、对太阳能光伏电池的测试原理进行介绍，包括太阳能电池测试的主要参数，太阳能电池伏安特性测试的几种基本方法。三、进行了太阳能光伏电池测试系统硬件装置的设计，对该系统的设计方案进行了模块划分，进而对其各自的功能和电路进行了全面的分析与阐述。四、利用DSP控制器完成对光伏电池测试系统硬件电路和软件电路的设计。在控制上采用DSP作为下位机，一方面对测试电路的工作模式进行程控，另一方面通过与上位机进行通讯，获得测试电路运行的工序步骤，同时将采集到的被测的太阳能电池的各项电参数传回给上位机进行显示和储存。2 太阳能光伏电池的原理和特性2.1 光伏电池的光伏效应原理光伏电池是利用
26、半导体材料的电子特性把太阳能直接转换成电能的一种固态器件。它的种类很多，可按照不同的方法进行分类，如按照结构的不同可分为同质结光伏电池、异质结光伏电池、肖特基光伏电池、多结光伏电池和液结光伏电池。根据材料不同又可分为硅光伏电池、化合物半导体光伏电池、有机半导体光伏电池、薄膜光伏电池。其中常用的光伏电池是硅光伏电池，包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。单晶硅光伏电池是当前开发最快的一种光伏电池，它的结构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。目前多晶硅光伏电池使用的是多晶硅材料，多晶硅光伏电池的效率比一般的单晶硅要稍低，一般的光电转换效率约为12%左右。由于其材料制造简便，节
27、约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。非晶硅光伏电池诞生于1976年，它与单晶硅和多晶硅光伏电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低。非晶硅光伏电池具有较高的转化效率、成本低和重量轻的优点，具有极大的市场潜力。太阳能电池的原理基于半导体的光生伏特效应.当适当波长的光照到半导体系统上时，系统吸收光能后两端产生电动势，这种现象称为光伏效应。例如，当光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子电子和空穴。由于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势
28、垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，P-N结两端形成光生电动势，这就是P-N结的光伏效应。由于光照产生的非平衡载流子各向相反方向漂移，从而在内部构成自N区流向P区的光生电流，在P-N结短路情况下构成短路电流ISC。在P-N结开路情况下，P-N结两端建立起光生电势Voc，这就是开路电压。如将P-N结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，P-N结起了电源的作用，这就是光伏电池的基本原理。如图2-1所示：(a)平衡时(b)光照时图2-1 P-N结光伏效应原理图总而言之，在光照条件下，只要具有足
29、够能量的光子进入P-N结，P-N结就能产生电子一空穴对。对于晶体硅太阳电池来说，太阳光谱中波长短的光线都可以产生光伏效应。对于不同材料的太阳电池，尽管光谱范围是不同的，但光电转换的原理是一致的。在P-N结电场作用下，N区的空穴向P区运动，而P区的电子向N区运动，最后太阳电池的受光面(上表面)有大量负电荷(电子)积累，而在电池（背表面)有大量正电荷(空穴)积累。如果在电池上、下表面做上金属，用导线接上负载，在负载上就有电流通过。只要太阳电池光照不断，负载上就一直有电流通过。2.2 太阳能电池的等效电路太阳能电池实际上就是一个大面积平面二极管，在阳光照射下就可产生直流电。太阳能电池的能量转换可用理
30、想化等效电路模型来说明，图2-2中I为电池单元输出电流；IL为P-N结电流(A)；I。为二极管的反向饱和电流(A)。图2-2 太阳能电池的理想化等效电路模型这种器件的理想I-V特性为 （2-1）其中，q为电子电量，k为波尔兹曼常数；T为绝对温度。当开路时，I=0，由式(1-1)得到开路电压(open circuit voltage) （2-2）对于实际太阳能电池，影响转换效率的主要因素:一个是串联电阻RS，正面金属电极与半导体材料的接触电阻、半导体材料的体电阻和电极电阻三部分，另外一个是并联电阻Rsh，主要原因是电池边缘漏电或耗尽区内的复合电流引起光生电动势使P-N结正向偏置，因此存在一个流经
31、二极管的漏电流，该电流与光生电流的方向相反，会抵消部分光生电流，被称为暗电流IO。图2-3是实际太阳能电池等效电路模型。其伏安特性可由（2-3）式给出。 （2-3）图2-3 实际太阳能电池等效电路2.3 光伏电池的输出特性光伏电池工作环境的外部影响因素很多，如光照强度、环境温度、粒子辐射等都会对电池的性能指标带来影响，而且温度的影响和光照强度的影响还常常同时存在。光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性，其中伏安特性和温度特性主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现，而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系。2.3.1光谱响应分析光伏电池的光谱响应，通常是讨论它的相对光谱响应，其定
32、义是，当各种波长以一定等量的辐射光子束入射到光伏电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电流相比较，按波长的分布求其比值变化曲线即为相对光谱响应。而绝对光谱响应指的是，当各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到光伏电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求出对应的短路电流变化曲线。对于不同波长的入射太阳光有不同波长光分量，硅型光伏电池有不同的灵敏度，能够产生光生伏特效应的太阳辐射波长范围一般在0.41.2m左右的范围内，不论是波长小于0.4m太阳光分量辐射，还是波长大于1.2m的太阳光分量辐射，都不能使硅型光伏电池产生光生电流；而硅型光伏电池光谱响应最大灵敏度在0.80.95m之间。2.3.2
33、光伏电池的I- V和P-V特性曲线光伏电池的伏安特性是一定光强、一定温度下，电池的负载外特性，直接反映出电池输出功率。在一定的光强的照射下，特性曲线完全由电池的P-N结特性和电阻分散参数确定。对应不同的光照强度时，电池有不同的输出特性曲线，曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵和横坐标分别为工作电流和工作电压，两者之积即为电池的输出功率P，即P=VI。如图2-4所示。图2-4 光伏电池的I-V和P-V特性曲线可以看出，此I-V曲线具有高度的非线性特征，这样就存在一个最大功率输出问题。在P-V特性曲线中，可以看出随着端电压由零逐渐增长，输出功率先上升然后下降，说明存在一个端电压值，在其
34、附近可获得最大功率输出，跟I-V曲线说明了同一个问题，这为光伏发电控制方法的改进提供了途径。2.3.3光照强度对光伏电池输出特性的影响光伏电池的伏安特性曲线是在一定的光照强度和环境温度下得到的，在实际运用中，光伏电池的开路电压和短路电流都会随着两者的变化而变化。表1和图2-5是在环境温度为25时上述测试系统所采用的光伏电池的最大输出电压和最大输出电流受光强影响的程度。IntensityVmppImpp1000w/m20%0%870 w/m20%-13%740w/m2-1%-25%610w/m2-1%-39%490w/m2-2%-51%360w/m2-4%-64%230w/m2-5%-77%10
35、0w/m2-10%-90%表1 光伏电池受光强影响的程度从实验中得到，电池的开路电压近似的与光强的对数成正比。光强从200-1000W/m2开路电压变化比较平稳。在实验中也发现，当早晨光线不强和中午烈日当空时，所测量的开路电压相差不大；而天空光线极差时，开路电压会直线下降，几乎为零。而短路电流是随光强的增加而成正比的增加。光伏电池随光强变化的电池特性如图2-5所示：图2-5 不同光强下的光伏电池的光照I-V曲线所以，在温度恒定的情况下，电池的转换效率会随光强的增加而增加。对于一个给定的功率输出，电池的转换效率决定了所需的电池板的数量，所以电池达到尽可能高的转换效率是极其重要的。而这个结论就为提
36、高转换效率提供了一种途径；可以通过加装聚光器来加强光照强度，从而减少光伏电池的使用，降低光伏发电的成本。2.3.4温度对光伏电池输出特性的影响图2-6 不同温度下的I-V特性曲线温度上升将使光伏电池开路电压VOC下降，短路电流则略微增大，如图2-6所示，总体效果会造成光伏电池的输出功率下降，如图2-7所示(注意这里是指光伏电池结温的变化，而不是指环境温度)。由公式可知其效率随着温度的上升而下降，即光伏电池转换率具有负的温度系数。所以在应用时，如果使用聚光器，则聚光器的聚光倍数不能过大，以免造成结温过高使电池转换率下降甚至损害电池。图2-7 不同温度下的P-V特性曲线2.4 光伏发电系统2.4.
37、1光伏发电系统的分类一般我们将光伏发电系统分为独立系统、并网系统及混合供电系统。1.独立光伏发电系统独立光伏发电系统是太阳能电池方阵发出的电经蓄电池充电并经过逆变器直流转换成直、交流电。图2-8为独立光伏发电系统组成框图点。图2-8 独立光伏发电系统2.并网系统这种太阳能光伏系统最大的特点就是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网，并网系统中光伏方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网点。在阴雨天或夜晚，光伏阵列没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过
38、程，可以充分利用光伏方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压，频率等指标的要求。因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏组件阵列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率，而且并网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用点。然而并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。图2-9为光伏发电系统结构示意图。图 2-9 并网型光伏发电系统3.混合供电系统这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能光伏组件阵列之外
39、，还使用了油机作为备用电源。使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。比方说，上述的几种独立光伏系统的优点是维护少，缺点是能量的输出依赖于天气，不稳定。综合使用柴油发电机和光伏阵列的混合供电系统和单一能源的独立系统相比就可以提供不依赖于天气的能源点。1.户用光伏系统2.4.2 光伏系统的应用1.户用光伏系统户用系统主要指办公楼、住宅等配合建筑安装的，为住户自身供电的小型光伏发电系统，一般由太阳能电池板、蓄电池、充放电变换器和控制器构成。白天，发电系统对蓄电池进行充电；晚间，发电系统对蓄电池所储存的电能进行逆变放电，实现对住户负载的供电。户用系统也有用在野外无人设
40、备的供电方面，如通信塔、广播差转台、灯塔等。如对供电能力和稳定性要求较高，同时对供电功率要求较大的孤立户用系统，一般需要在直流母线上挂有蓄电池来稳定供电电压，同时兼作晚间和阴雨天气期间的供电。蓄电池在白天天气良好情况下只取一部分光伏电力进行充电储能。从经济和技术角度考虑，还可采用与风力发电、柴油机发电互补方式点。图2-10为户用光伏系统示意图。图2-10 户用光伏系统示意图2.大型并网光伏发电系统并网光伏发电系统是光伏技术进步的重要标志，是未来太阳能光伏发电的趋势，光伏系统步入大规模发电阶段，意味着现在的能源结构将发生根本的变化，是人类社会利用能源的一场革命。目前，在世界范围内，如美国、德国等
41、发达国家己开始建设了一批千瓦级并网光伏发电系统，今年又正在建设一批兆瓦级的光伏并网发电系统，甚至印度、菲律宾及非洲一些国家也开始建设大型并网光伏发电系统。我国的并网光伏发电系统起步较晚，与上述国家相比，还有一段很大的差距。但我国已在深圳国际园林花卉博览园内建成了亚洲最大的并网太阳能光伏电站。深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏电站建成后，成为目前亚洲和中国总容量第一的并网光伏电站，同时，也是世界上为数不多的兆瓦级大型太阳能光伏电站之一。填补了我国在大型并网光伏电站设计和建设上的空白，将成为中国并网太阳能发电史上的里程碑。3 太阳能电池的测试原理3.1 太阳能电池测试相关参数概述当受到光照的太
42、阳电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端产生端压，这时可以使用一个等效电路来描述太阳电池的工作情况。图3-1把太阳电池看成稳定产生光电流IL的电流源（假设光源稳定），与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻RSh，显然，二极管的正向电流IF和旁路电流ISh都是靠IL提供的，剩余的光电流经过一个串联电阻RS流入负载RL。图3-1 P-N结太阳电池的交流等效电路由等效电路可得，当流入负载RL的电流为I，负载端压为V时， (3-1) (3-2)当负载RL从0变化到无穷的时候，就可以根据式(3-1)、(3-2)画出太阳能电池的负载特性曲线（伏安特性曲线），如图3-2所示。曲线上的每一
43、点称为工作点，工作点和原点的连线称为负载线，斜率为1/RL，工作点的横坐标和纵坐标即为相应的工作电压和工作电流。若改变负载电阻RL到达某一个特定值RM，此时在曲线上得到一个点M，对应工作电流与工作电压之积最大（PM =IMVM），我们就称这点M为该太阳电池的最大功率功率。图3-2 太阳能电池伏安特性曲线当负载RL连续变化时，经过测量得到一系列I-V数据，同时计算出一些重要的参数，除上文所述的IM、VM、PM之外，还包括开路电压VOC、短路电流ISC、填充因子FF、串联电阻RS、并联电阻RSh、和电池效率。各参数具体分别表述如下。(1)开路电压VOC短路电流ISC。从图3-2可知测量得到的曲线与
44、I-V两轴的交点，即开路电压VOC、短路电流ISC。(2)最佳工作电压VM、最佳工作电流IM、最大功率PM。按照步长取相应的I、V值，求得每一点的P（P=IV），组成一个功率P的数组，然后直接取其中的最大值就是PM。这时该点（PM）所对应的电压和电流也就是最佳工作电压VM和最佳工作电流IM。(3)填充因子FF。最大功率（PM）与开路电压短路电流之积（VOCISC）的比值就称为填充因子（FF）。在图3-2中所表示的就是四边形OIMMV与四边形ISCAVOCO面积之比。 (3-3) 填充因子直接影响太阳能电池的转换效率，是表征太阳电池性能优劣的重要参数之一。(4)并联电阻RSh与串联电阻RS (3
45、-4)因此只要测量出在V0附近的I-V曲线的斜率，就可以由式(3-4)求出RSh的值。 (3-5)因此只要测量出在VVOC附近的I-V曲线的斜率，就可以式(3-5)求出RS的值。(5)太阳电池效率。在太阳电池受到光照时输出电功率和入射光功率之比就称为太阳电池的效率，也称为光电转换效率。 (3-6)其中At为太阳电池总面积（包括栅线图形面积）。考虑到栅线并不产生光电，所以可以把At换成有效面积Aa（也称为活性面积），即扣除了栅线图形面积后的面积，同时计算得到的转换效率要高一些。Pin为单位面积的入射光功率。实际测量时，Pin取标准光强AM=1条件，即在25下，Pin=100mW/cm2。3.2
46、太阳能电池伏安特性测试原理3.2.1概述伏安曲线是太阳电池最主要的参数。它可以直接反映出电池输出功率。在一定太阳光（或模拟阳光）照射下，这条曲线完全由电池的P-N特性和电阻分散参数来确定。为了较全面的分析太阳电池的伏安特性，应当测试下列项目：电池的P-N结特性；电池在光照状态下的负载特性；电池在不同光强和温度下的电性能以及电池的串联电阻等。本文中，主要讨论光照条件下太阳电池负载特性等的测量。3.2.2直接法测太阳电池负载特性理想太阳电池相当于一个电流为IL的电流源和一个正向二极管并联，如图3-3所示。流过二极管的正向电流为IF，流经负载的电流为 (3-7)而 (3-8)式(3-8)中Io是二极管的反向饱和电流，V是负载电阻R两端的电压，同时它又是理想电池二极管的正向电压；A是P-N结的质量因子，与温度无关，理想情况下A=1。将式(3-8)代入式(3-7)中，就可以得到理想太阳电池的I-V特性方程： (3-9)当负载电阻R=0时，V=0，IF=0，则短路电流为： (3-10)又当R=时，电路处于开路状态
