（机械设计及理论专业论文）基于labview的光伏电池检测系统的研究.pdf

上海海洋大学硕士学位论文 基于ia b v le w 的光伏电池检测系统的研究 摘要 能源工业作为国民经济的基础，对社会经济发展和提高人民生活质量都极为 重要。伴随着世界能源危机的加重，太阳能以其绿色、安全、无污染、分布广泛、 可再生等优势是人类最理想的替代能源，越来越受到世界各国的重视。光伏发电 则是利用太阳能的主要方式，光伏电池板作为太阳能发电的原件，对其研究有重 要的意义。本文就光伏电池板的检测技术进行了研究，这对于光伏电池的发展， 太阳能的利用具有重要的价值。 目前，世界各国对光伏发电技术都非常的重视，都在增加对光伏产业的研究 和投入，光伏电池组件每年都以几十，甚至几百m w 的速度在批量生产。所以对光 伏电池系统质量的检测非常重要，有必要建立一套操作简单的光伏电池检测系统。 能在较短的时间内对光伏电池的各个性能参数进行显示分析，并能绘出伏安特性 曲线，功率特性曲线。同时系统可以对数据进行分析处理，保存，并对一些参数 进行设置。这对于光伏电池的质量检测流程具有重要的意义，可以缩短质量检测 的时间，提高整个系统检测的效率。因此在本课题中建立一套光伏电池的检测系 统具有重要的意义。 本文介绍了在世界能源危机日趋严重的背景下，太阳能的丌发利用现状，光 伏发电技术的现状和前景，包括世界其他国家的光伏技术发展以及中国光伏技术 的发展和不足。简单地介绍了光伏电池的种类，以及随着光伏电池技术的发展， 其在各行各业的应用。对光伏电池的结构和原理进行了深入的研究，以及光伏电 池的工作状态进行了分析，从光伏电池的伏安特性到功率匹配，以及影响光伏电 池的一些性能参数进行了分析研究。介绍了虚拟仪器技术，包括其特点和传统仪 器的比较，以及其硬软件的构成。以虚拟仪器技术为基础，构建了一整套光伏电 池检测系统。介绍了检测系统的总体设计，包括系统的硬件构成和选择，以及对 虚拟仪器的软件平台l a b v i e w 进行设计。按照功能模块设计理念对光伏电池检测 系统软件部分进行设计，整个系统包括数据采集模块，数据处理模块，数据存储 模块，以及特性分析模块。在对系统的软件设计过程涉及到了子函数的调用，以 及动态链接库的应用。在软件l a b v i e w 的界面上实现了对光伏电池性能参数进行 上海海洋大学硕士学位论文 显示和分析。 本文采用软硬件结合构建了一个光伏电池检测的虚拟仪器系统：按照虚拟仪 器技术构建了系统的硬件系统和软件系统。以虚拟仪器技术的软件平台一一 l a b v i e w 软件为基础开发系统的界面。界面清晰明了，操作简单，具有很好的人 机交互界面。能直观地了解光伏电池的性能指标。系统采用了功能模块的设计理 念，和多界面显示。整个系统运行稳定、成本低、使用方便，具有较高的实用价 值。对光伏电池检测的效率有很大的提高。 整个系统分为硬件系统和软件系统。硬件由温度传感器，数据采集卡等构成。 软件l a b v i e w 设计了三个界面，包括启动界面，数据采集界面和特性分析界面。 其中数据采集界面负责数据采集参数的设定，以及对采集到的数据进行处理和保 存。特性分析界面是系统的核心，l a b v i e w 具有强大的函数功能，通过编程实现 了对采集的电流电压信号实现伏安特性曲线和功率特性曲线进行直观显示，并通 过界面上的光伏电池的面积和光照强度的设定，实现了光伏电池的各性能参数的 显示。 通过对该系统的运行调试，成功地采集到了所要采集的电流电压和温度信号。 在特性分析界面上成功的显示了伏安特性曲线，功率特性曲线，开路电压，短路 电流，以及最大功率，最大功率时对应的电流电压，转换效率，填充因子，光伏 电池的串并联电阻，和电池的工作温度。系统对光伏电池的性能参数分析显示比 较全面，是一个很好的检测系统。操作简单，界面清晰，对光伏电池检测具有重 要的利用价值。 关键词：数据采集，虚拟仪器，l a b v i e w ，光伏电池检测，特性分析 2 t h er e s e a r c ho np h o t o v o l t a i cc e l l sd e t e c t i o n s y s t e mb a s e do nl ab v i e w a b s t r a c t t h ee n e r g yi n d u s t r ya st h eb a s i sf o rt h en a t i o n a le c o n o m y i ti si m p o r t a n tf o rt h e s o c l o 。e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n di m p r o v i n gp e o p l e sq u a l i t yo fl i f e a l o n gw i t ht h e a g g r a v a t i o no ft h ew o r l d 8e n e r g yc r i s i s ，s o l a re n e r g yw i t hi t sg r e e n ，s a f e ， n o n p o l l u t i o n ，w i d e l yd i s t r i b u t e d ，r e n e w a b l ea n do t h e ra d v a n t a g ei s t h ei d e a l a l t e m a t i v ee n e r g ys o u r c e sf o rt h eh u m a n m o r ea n dm o r ec o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l d p a ya t t e n t i o n sf o ri t p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ni st h em a i nw a yt ou s es o l a re n e r g y p h o t o v o l t a i cs o l a rp a n e l sa r et h ec o r e sf o rs o l a rg e n e r a t i o n ，r e s e a r c ho nt h e mh a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r ，p h o t o v o l t a i cs o l a rp a n e l sd e t e c t i o nt e c h n o l o g y w a ss t u d i e d ，w h i c ha r ei m p o r t a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to fp h o t o v o l t a i c c e l l s ，s o l a r e n e r g y u s e a tp r e s e n t ，c o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l dp a ya t t e n t i o nt o p h o t o v o l t a i cp o w e r g e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e s ，i n c r e a s ep h o t o v o l t a i ci n d u s t r yr e s e a r c ha n di n v e s t m e n t e a c h y e a r ，d o z e n sa n de v e nh u n d r e d so fm wo fc o m p o n e n t so fp h o t o v o l t a i cc e l l sa r e p r o d u c e d t h e r e f o r e ，t h eq u a l i t yo ft h ep h o t o v o l t a i cc e l ls y s t e mt e s t i n gi sv e r y i m p o r t a n t ，i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s has e to fe a s y t o p h o t o v o l t a i ce e l ld e t e c t i o n s y s t e m ， w h i c ha r ea b l et od i s p l a yt h ev a r i o u sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fa n a l y s i s ，a n dt od r a w t h ev o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e ，p o w e rc u r v e a tt h es a m et i m et h es y s t e mc a n a n a l y z et h ed a t ap r o c e s s i n g ，p r e s e r v a t i o n ，a n dt os e ts o m ep a r a m e t e r s ，w h i c hi so fg r e a t s i g n i f i c a n c ef o rp h o t o v o l t a i cq u a l i t yd e t e c t i o np r o c e s s y o uc a ns h o r t e nt h et i m ef o r q u a l i t yt e s t i n ga n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd e t e c t i o no ft h ee n t i r es y s t e m t h e r e f o r e ， i n t h i si s s u et oe s t a b l i s hap h o t o v o l t a i cc e l t i nt h ed e t e c t i o ns y s t e mh a sa ni m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u se n e r g yc r i s i si nt h ew o r l d t h e p r e s e n ts i t u a t i o na n dp r o s p e c t so ft h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g y , p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y ，i n c l u d i n gt h er e s to ft h ew o r l dp h o t o v o l t a i c t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n dt h ed e v e l o p m e n to fp h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g yi nc h i n aa n d s h o r t c o m i n g s b r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h et y p e so fp h o t o v o l t a i cc e l l s a sw e l la st h e p h o t o v o l t a i cc e l lt e c h n o l o g y , a n di t sa p p l i c a t i o ni na l lw a l k so fl i f e t h es t r u c t u r ea n d p r i n c i p l e so fp h o t o v o l t a i cc e l l sa r ec a r r i e do u ti n d e p t hr e s e a r c h ，a n dw o r k i n gs t a t u so f p h o t o v o l t a i cc e l l sw e r ea n a l y z e d f r o mt h ei vc h a r a c t e r i s t i c so fp h o t o v o l t a i cc e l l st o p o w e rm a t c h i n g ，a sw e l la st h ei m p a c to fs o m ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fp h o t o v o l t a i c c e l l sh a sb e e na n a l y z e d i n t r o d u c i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ，i n c l u d i n gi t s c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m p a r i s o no ft r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t s a sw e l la st h ec o m p o s i t i o no f 3 上海海洋大学硕士学位论文 i t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e b a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , as e to f p h o t o v o l t a i c c e l l sd e t e c t i o ns y s t e mw a s b u i l t d e s c r i b i n gt h eo v e r a l ld e s i g no ft h ed e t e c t i o ns y s t e m ， i n c l u d i n gs y s t e mh a r d w a r ec o m p o s i t i o na n ds e l e c t i o n ，a sw e l ia sv i r t u a li n s t r u m e n t s o f t w a r ep l a t f o r m - l a b v i e wt ob ed e s i g n e d f u n c t i o n a lm o d u l ed e s i g nc o n c e p t sa r e u s e df o rt h es o f t w a r ep a r to ft h ep h o t o v o l t a i ce e l ld e t e c t i o ns y s t e md e s i g n t h ee n t i r e s y s t e mi n c l u d e sd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，d a t as t o r a g em o d u l e s ， a sw e l la st h ec h a r a c t e r i s t i c so f a n a l y s i sm o d u l e i nt h es y s t e ms o f t w a r e d e s i g np r o c e s s ， i ti n v o l v e sas u b r o u t i n ec a l l a sw e l la sd y n a m i c 1 i n kl i b r a r ya p p l i c a t i o n s t h es o f t w a r e i n t e r f a c eo fl a b v i e wt oa c h i e v et h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fp h o t o v o l t a i cc e l l sf o r d i s p l a ya n da n a l y s i s i nt h i sp a p e r , ap h o t o v o l t a i ct e s t i n gv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mw a sb u i l tb y c o m b i n i n g s o f t w a r ea n dh a r d w a r e i na c c o r d a n c e w i t ht h ev i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g yt ob u i l dt h es y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m s av i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g ys o f t w a r ep l a t f o r n l l a b v i e wi su s e dt od e v e l o p tt h es y s t e mi n t e r f a c e i n t e r f a c ei sc l a r i t y , s i m p l eo p e r a t i o n w i t hg o o dm a n m a c h i n ei n t e r f a c e b ea b l et o i n t u i t i v e l yu n d e r s t a n dt h ep h o t o v o l t a i ce e l lp e r f o r m a n c e s y s t e mu s e st h ef u n c t i o n a l m o d u l ed e s i g nc o n c e p t ，a n dm u l t i i n t e r f a c ed i s p l a y t h ew h o l es y s t e mi sr u n n i n gs t a b l y , l o wc o s t ，e a s yt ob eu s e d ，a n dh a sah i g hp r a c t i c a lv a l u e t h ee f f i c i e n c yo fp h o t o v o l t a i c c e l l so nt h ed e t e c t i o no fs i g n i f i c a n th a sag r e a ti m p r o v e m e n t t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t oh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m s h a r d w a r ei s c o n s t i t u t e do f t e m p e r a t u r es e n s o r s d a t aa c q u i s i t i o nc a r d s l a b v i e ws o f t w a r ew a s d e s i g n e d3i n t e r f a c e s ，i n c l u d i n gs t a r t u pi n t e r f a c e ，d a t aa c q u i s i t i o ni n t e r f a c ea n d c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i si n t e r f a c e t h ed a t aa c q u i s i t i o ni n t e r f a c ei sf o rd a t aa c q u i s i t i o n p a r a m e t e r ss e t t i n g s ，a sw e l la st h ed a t ac o l l e c t e df o rp r o c e s s i n ga n dp r e s e r v a t i o n a n a l y s i si n t e r f a c ei st h ek e yo ft h es y s t e m ，l a b v i e wh a sp o w e r f u lf u n c t i o n s ，t h r o u g h t h ep r o g r a m m i n go fc u r r e n ta n dv o l t a g es i g n a l sc o l l e c t e dt oa c h i e v ev o l t - a m p e r e c h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dp o w e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fv i s u a ld i s p l a y , a n dt h r o u g hs e t t i n g t h ei n t e r f a c ea r e ao fp h o t o v o l m i cc e l l sa n dl i g h ti n t e n s i t y a c h i e v et h ev a r i o u s p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ed i s p l a y t h r o u g ht h ec o m m i s s i o n i n go ft h es y s t e m ，t h ec u r r e n t ，v o l t a g ea n dt e m p e r a t u r e s i g n a l sa r ec o l l e c t e ds u c c e s s f u l l y t h ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s i n t e r f a c es h o w st h e v o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e ，p o w e rc u r v e ，o p e nc i r c u i tv o l t a g e ，s h o r tc i r c u i tc u r r e n t ， m a x i m u mp o w e r , a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc u r r e n t v o l t a g ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , f i l lf a c t o r , s e r i e s p a r a l l e lr e s i s t a n c e ，o p e r a t i n gt e m p e r a t u r e t t i sa v e r yg o o d d e t e c t i o n s y s t e m ，w h i c h h a sam o r e c o m p r e h e n s i v es h o w so fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f p h o t o v o l t a i cc e l l s s i m p l ea n dc l e a ri n t e r f a c ef o rt e s t i n gp h o t o v o l t a i cc e l l sh a v ea n i m p o r t a n tv a l u ei nu s e k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，v i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o n ，l a b v i e w ：p h o t o v o l t a i ce e l l d e t e c t i o n ，c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s 4 上海海洋大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我 对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 稿 学位论文作者签名：坷 日期：2 0 1 0 年1 月9 日 上海海洋大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海海洋大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密 、l 学位论文作者签名：埸 指导教师签名： 讪n 日期：2 0 1 0 年3 月2 日 同期：2 0 1 0 年3 月2r v 上海海洋大学硕士学位论文 1 1 课题背景概述 1 1 1 能源危机 第一章引言 能源犹如人体的血液，能源工业作为国民经济的基础，对提高人民生活质量 和促进社会经济发展都极为重要。随着人们生活水平的提高，人类对能源的需求也 日益提高。而在2 0 世纪的能源机构中，人类所消耗的主要是石油、天然气和煤炭 等一次性能源，经过人类数千年的开采已经所剩不多，随着需求量的不断增多， 这些一次性能源总有一天会被消耗殆尽。据国际权威机构估计，世界已探明的不 可再生能源大概天然气只够用6 0 - 7 0 年，煤炭约2 0 0 年，人类正直面能源危机带来 的威胁。根据经济学家和科学家的普遍估计，到本世纪中叶，也f l i j 2 0 5 0 年左右， 石油资源也将会开采殆尽，其价格升到很高，不适于大众化普及应用的时候，如 果新的能源体系尚未建立，能源危机将席卷全球，尤以欧美极大依赖于石油资源 的发达国家受害为重。最严重的状态，莫过于工业大幅度萎缩，或甚至因为抢占 剩余的石油资源而引发战争。为了避免上述窘境，目前美国、加拿大、日本、欧 盟等都在积极开发如太阳能、风能、海洋能( 包括潮汐能和波浪能) 等可再生新能 源h 。 2 0 世纪9 0 年代初期，我国的能源尚可自给自足。我国有丰富的煤、石油和水 利资源，生物能源( 主要是沼气) 在农业经济中叶得到了广泛的利用，使得我国 利用本国能源可以满足全国的能源需求。在以化石动力原料的领域中，增加供应 的可能性极为有限，1 9 9 9 年我国石油开采量约1 6 亿吨，但是消耗量已上升到1 9 亿吨，至l j 2 0 1 0 年预计消耗量将达n 3 亿吨。如果在能源危机的来临之前，不采取应 对策略，必将严重地影响我国经济的可持续发展，在2 0 2 0 年以后更难保持经济的 高速发展i p 甚至会严重倒退。 1 1 2 太阳能的开发利用 太阳能以其绿色、安全、无污染、分布广泛、可再生的优势越来越受到人们 的重视，是人类最理想的替代能源。太阳能，是指太阳对外辐射出的能量。太阳 的能量是十分巨大的，每天太阳到达地球表面的辐射能大约等于2 5 亿桶石油。近 l 上海海洋大学硕士学位论文 几十年来太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足 的发展，成为了世界上快速、稳定发展的新兴产业之一。据预测到二十_ 世纪中 叶，太阳能、风能、海洋能、地热能等可再生能源在世界能源结构中将：占n 5 0 v a 上1 小1 。太阳能的利用有如下优点： ( 1 ) 普遍性：太阳光普照大地，太阳能分布广泛，可直接开发和利用，不存在 运输问题。尤其是对交通不发达的偏远地区更具有利用价值。 ( 2 ) 无害性：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在开发 和利用时，不会产生废渣、废水、废气等，也没有噪音，更不影响生态平衡，具有优 越的环保性。在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。 ( 3 ) 巨大性：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于1 3 0 力亿吨煤，其总 量属现今世界上可以开发的最大能源。 ( 4 ) 长久性：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年， 而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭 的。 太阳能的利用日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太 阳能的光化学利用等。目前，太阳能的利用主要有光热和光电两种方式。通过转 换装置把太阳辐射能转换成电能利用的是属于太阳能光伏发电技术，光电转换装 置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏 技术。太阳能光伏发电技术的应用更是人们普遍关注的焦点。以下是光伏发电在 现实生活中的应用哺1 ( 1 ) 在交通中的应用 随着太阳能光伏技术的发展，太阳能光伏发电在交通领域的应用越来越广。 目前已在航标灯、交通铁路信号灯、交通警示标志灯、道钉、路灯、航空障碍 灯、高速公路铁路无线电话亭、无人值守道班供电等方面大量推广应用。 ( 2 ) 在通讯中的应用 太阳能电源随着通讯业的快速发展大量得到应用，特别适合于广大的无人值 守微波中继站、光缆维护站、广播通讯寻呼系统、农村载波电话系统、g p s 等。 ( 3 ) 在牧区和农村的应用 边远地区包括边远农村、牧区和海岛，一般常规电网难以覆盖，太阳能光伏 发电更具优势，所以成为过去多年来太阳能电源的最大市场而广泛应用，其中以 户用太阳能电源为主，1 0 w 一5 0 0 w 不等，用于照明、收看电视、收录机等：另外1 5 k w d , 型独立电站，用于生活、教学、农牧业提水及灌溉等。1 0 k w 及以上规模的独 立电站，用于日照丰富人v i 相对集中的边远地区的有限电力供应。 2 上海海洋大学硕士学位论文 ( 4 ) 在城市公用设施的应用 随着城市居民对太阳能知识的普及和对环境保护的重视日益受到青睐，目前 已广泛在电话亭、书报亭、候车站、充电站、路灯、公共厕所、广告牌、指路牌 等场合使用。2 0 1 0 年的上海世博会不仅大规模应用了光伏建筑一体化并网电站， 而且各种结合太阳能技术应用的景观与展示也在规划之中n 1 。 太阳能作为一种可再生的新能源，越来越引起各国的关注。目前国际上，有关 太阳能的开发与利用已经成为一个热点，经过2 0 年的努力，太阳能技术已经有了长 足的发展，太阳能领域已经由生活热水、建筑采暖延伸到工农业的方方面面。越来 越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。太 阳能利用包括太阳能光伏发电、太阳能热发电，以及太阳能热水器和太阳房、太 阳能空调等利用方式。 中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目前，我国太阳能产 业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要 的太阳能光伏电池生产国。我国比较成熟太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系 统和太阳能热水系统。 1 。2 领域现状与发展趋势 太阳能光伏发电产业在上世纪末本世纪初受到了世界各国的重视。目前光伏 发电居世界各国前列的是日本、德国和美国。世界各国纷纷立法，制定鼓励政策， 提出发展规划，大力扶持，推广应用，促进了光伏产业飞速发展，使其成为近十年来 增速最快的能源产业之一。1 9 9 5 - 2 0 0 5 年全球光伏发电产量的年平均增长率( c a g r ) 以两位数增加，1 9 9 5 , - - , 2 0 0 0 年的c a g r 为3 0 ，2 0 0 0 - - - 2 0 0 5 年的c a g r 为4 4 。光伏发电 的安装量从2 0 0 0 年的2 4 5 m w 猛增n 2 0 0 5 年的1 4 6 0 m w ，年平均增长率达4 3 。其中德 国为8 0 ，美国为3 5 ，日本为2 5 ，欧洲其他地区为4 3 ，世界其他地区为1 3 哺叫引。 光伏发电产业在未来十年仍将保持调整发展的势头。在德、日、美等4 0 多个积极 发展太阳能产业的政府的推动下，目前太阳能终端用户的需求量大大超过了产能 增长。 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代 部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计至 j 2 0 3 0 年，可再生能源在 总能源结构中将占n 3 0 以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也 将达n l o 以上；至 2 0 4 0 年，可再生能源将占总能耗的5 0 以上，太阳能光伏发 电将占总电力的2 0 以上；n 2 1 世纪末，可再生能源在能源结构中将占- n 8 0 以 3 上海海洋大学硕士学位论文 上，太阳能发电将占到6 0 以上。羽。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展 前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。 我国光伏发电产业的大发展在2 0 0 0 年以后，主要是受到国际大环境的影响、国 际项目、政府项目的启动和市场的拉动。近5 年来，中国光伏电池产量年增长速度 达到了1 0 0 一3 0 0 ，光伏电池产量占全球产量的比例也由2 0 0 2 年1 0 7 增长至u 2 0 0 8 年的近1 5 。商业化晶体硅太阳能电池的效率也从3 年前的1 3 - 1 4 提高到1 6 - 1 7 1 3 - 1 7 ) 。总体来看，中国太阳能电池的国际市场份额和技术竞争力大幅提高。 在产业布局上，中国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环 渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 随着光伏技术的发展，上世纪七十年代，我国投入了相当大的人力和物力， 建立了太阳电池测量实验室，开始了太阳电池的标定与测试技术的研究工作。主 要的测试设备包括国产和进口的a 级太阳模拟器，用于电性能测量并开发了基于锁 相放大技术的太阳电池光谱响应测量系统。然而太阳电池的量值统一在全世界也 是一个待解的难题。 我国的电池检测设备1 9 9 2 年以前除少数企业引进少量进口设备以外，均采用 比较粗糙而且落后的方法对产品进行测试。此时，一些公司、科研院所相继进入 电池检测领域。其中引进计算机集散控制系统来实施批量大规模的电池测试。以 d k l 0 0 为代表的电池综合测控系统实现了对电池检测和分选的自动化。 我国的电池测试行业一直在持续不断的发展，但与国际先进水平相比还存在 着一定的差距。电池性能的检测是通过检测设备实现的，因此，提高检测技术， 提高检测系统的适用性、稳定性i 可靠性对电池产品质量水平的提高与电池行业 的发展至关重要。 同时作为新兴的行业，太阳电池产品的种类和性能变化非常快，与之相适应 的太阳电池测试技术却没有能够立即跟上。例如，多结太阳电池测试技术。近几 年我国研制出各种多结太阳电池新品，对于多结太阳电池，如果还采用传统的太 阳电池测试设备，必将产生无法估量的测试误差。随着新兴的虚拟仪器技术的发 展以及其在各行各业的应用，本文利用虚拟仪器技术建立了一整套光伏电池检测 装置，对于光伏电池的生产以及在应用时进行检测，系统具有很好的可扩展性， 适用性和稳定性。 4 上海海洋大学硕士学位论文 1 3 本课题的研究内容 如上所述，太阳能光伏发电产业蓬勃发展，光伏电池作为光伏发电的核心部件， 它的性能好坏直接影响光伏发电系统的运行。随着光伏电池的大规模生产以及在 各领域的应用，有必要对光伏电池进行检测，检测其各个性能参数，判断光伏电池 是不是合格产品，或者是不是存在一些问题能否继续提供电源。针对此问题本论文 利用数据采集卡、传感器等硬件设备以及l a b v i e w 软件构建了一个光伏电池的检 测系统，对光伏电池的参数进行检测分析。本论文的工作如下： ( 1 ) 介绍了光伏电池的结构，并对光伏电池的工作原理进行了分析，对光伏 电池的工作状态进行了研究，并对不同目照下太阳电池的输出特性进行了研究， 分析了影响电池工作特性的各方面因素，确定了光伏电池检测系统的检测参数。 ( 2 ) 按照虚拟仪器技术对检测系统进行设计。虚拟仪器检测平台的构建，包 括它的优点，硬件组成，以及软件平台l a b v i e w 技术。对检测系统进行总体设计， 包括系统总体结构设计，系统硬件选择，数据采集系统的构成，以及软件系统的 总体设计。 ( 3 ) 对检测系统的软件进行设计，包括层次设计和结构设计，利用l a b v i e w 软件的特点开发出了良好的人机交互界面，操作简单、方便，具有很好的实用价 值。程序功能主要实现数据采集，数据处理，数据存储，数据调用，以及光伏电 池参数分析。 ( 4 ) 对光伏电池检测系统进行实验。通过采集光伏电池的电流、电压信号以 及工作温度，并设置光照强度，系统的功能得到了很好的验证，实现了对光伏电 池各个参数的检测，以及进行了状态分析。显示了光伏电池的短路电流，- 丌路电 压，最大功率点，以及最大功率时的电流、电压，以及光伏电池的串联电阻和并 联电阻。验证了数据采集系统和软件程序的正确性。成功地证明了系统具有良好 的可靠性和实用性。 ( 5 ) 本课题应用了非n i 公司生产的u s b 7 3 6 0 型的数据采集卡，解决了u s b 接口 数据与l a b v i e w 的连接问题，实现了运用动态连接库技术来驱动非n i 公司产品的数 据采集卡，为实验室提供了_ 个基于u s b 接口的数据采集与通信的虚拟仪器平台。 5 上海海洋大学硕士学位论文 第二章光伏电池发电系统及其特性 根据半导体光伏效应制成的太阳能电池即光伏电池。单一太阳能电光伏电池 的发电量十分有限，实际应用中的太阳能电池是根据系统需求，将多个电池经串、 并联组成的电池系统，称为太阳能电池板。它是太阳能光伏系统的核心部件，直 接将太阳光能转换成电能。用这种器件封装成太阳能电池组件，再按需要将多块组 件组合成一定功率的太阳能电池方阵，经与储能装置、测量控制装置及直流一交流 变换装置等相配套，即构成太阳能电池发电系统，也称之为光伏发电系统。它具有 不消耗常规能源、无转动部件、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意 组合、无噪声、无污染等优点。因此，自1 9 5 4 年第一块太阳能电池问世以来，得到 了飞速发展，仅仅经过4 0 多年的时间，目前已成为空间卫星的基本电源和地面无 电、少电地区及某些特殊领域的重要电源，并将进一步发展成为2 1 世纪世界主要 能源。 2 1 光伏电池的应用和分类 2 1 1 光伏电池的应用 上世纪6 0 年代，人们就已经将光伏电池应用于空间技术一通信卫星供电，上世 纪末，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式，不仅在空间得到应用，在众 多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯，太阳能发电户用系统，村寨供电的独立系 统，光伏水泵( 饮水或灌溉) ，通信电源，石油输油管道阴极保护，光缆通信泵站电 源，海水淡化系统，城镇中路标、高速公路路标等n 射。在世纪之交前后期f 白j ，欧美等 先进国家光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然村落供电系统纳入发展方 向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。光伏电源系统按照负载不 同，可以分为如下图2 1 ，2 2 两种形式： 图2 - 1 直流负载系统 f i g2 1d cl o a ds y s t e m 6 上海海洋大学硕士学何论文 2 1 2 光伏电池的分类 图2 - 2 交流负载系统 f i g2 - 2 a cl o a ds y s t e m 目前世界各国正在研究的光伏电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅光伏电池 等形式。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于 非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率略低，但价格更便宜。另外，还有其它类 型的光伏电池。以下对光伏电池的种类进行介绍n 引： ( 1 ) 单晶硅太阳电池 硅系列太阳能电池中，单晶硅光伏电池转换效率最高，而且产量较大，光伏 电池技术也最为成熟。单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，它 的构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳电池以高纯的单 晶硅棒为原料，纯度要求9 9 9 9 9 。将单晶硅棒切成片，一般片厚约0 3 毫米。硅片 经过形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。单晶硅光伏电池的单体片 可按所需要的规格组装成太阳电池组件( 太阳电池板) ，用串联和并联的方法构成 一定的输出电压和电流。最后用框架和装材料进行封装。用户根据系统设计，可将 太阳电池组件组成各种大小不同的太阳电池方阵，亦称太阳电池阵列。目前单晶硅 太阳电池的光电转换效率为1 2 - 1 6 ，实验室记录的最高转换效率可以达到 2 4 。4 【2 0 】。 ( 2 ) 多晶硅电池 多晶硅光伏电池是以多晶硅材料为基体的光伏电池。由于多晶硅材料多以浇 铸代替了单晶硅的拉制过程，因而生产时间缩短，制造成本大幅度降低。晶硅太 阳电池的生产需要消耗