基于虚拟仪器的太阳能晶片组件测试平台设计毕业设计说明书 推荐.docx

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基于虚拟仪器的太阳能晶片组件测试平台设计毕业设计说明书推荐

基于虚拟仪器的太阳能晶片组件测试平台设计

摘要：

基于虚拟仪器的太能能电池组件系统测试的系统采用氙灯和过滤器为光伏设备提供了一个模拟的太阳光.，抛物面发射装置实现高均匀度得模拟太能光，从而避免了因稳态的温度对测试的影响。

测试组件时环境温度要求在25摄氏度。

利用虚拟仪器技术，利用NI公司的PCI-6221型多功能数据采集卡等设备，建立了太阳能电池性能测试平台，对太阳能电池性能参数进行测试。

论文在分析任务，技术指标及系统功能的基础上，设计了系统总体方案，并且从硬件和软件两个方面对系统整体的实现过程进行了详细的介绍。

首先介绍了太阳能发电的原理以及数据采集卡的选择。

选用NI公司的LabVIEW软件控制数据采集卡实现对太阳能电池电压、电流数据的采集、显示及存储等功能，并对所测数据进行分析处理。

最终能对组件进行功率分档，测试组件是否符合要求。

最后对自己所设计出来的界面进行调试，虽然没有真正的组件测试，但是可以利用LabVIEW中的函数信号发生器仿真电压、电流，然后利用拟和得到电压、电流的曲线。

关键词：

太阳能电池组件，虚拟仪器，组件测试，Labview

ComponentsofSolarWafersTestedPlatformIsBasedonVirtualInstrumentsDesigned

Abstract:

basedonvirtualinstrumentsystemcanbebatterytestsystemcomponentsusedxenonlampandfilterforthephotovoltaicdeviceprovidesasimulatedsunlight.,ParabolicLauncherhighuniformitycanbesimulatedistoolight,andthusavoidtheresultofstablestatetheimpactoftemperatureonthetest.Temperaturerequirementsofthetestcomponentat25degreesCelsius.Virtualinstrumenttechnology,theuseofNI'sPCI-6221multifunctiondataacquisitioncardandotherequipment,theestablishmentofthesolarcellperformancetestingplatform,theperformanceparametersofsolarcellstobetested.

Papersinanalysistasks,technicalspecificationsandsystemfunctionsbasedonthedesignoftheoverallsystemsolution,andbothhardwareandsoftwareimplementationofthesystemasawholeprocesswasdescribedindetail.Firstintroducedtheprincipleofsolarpowergenerationanddataacquisitioncardchoice.NI'sLabVIEWsoftwareselectioncontroldataacquisitioncardonthesolarcellvoltageandcurrentdataacquisition,displayandstoragefunctions,andthemeasureddataareanalyzed.Ultimatelythepowerofthesub-filecomponents,testcomponentsmeettherequirements.Finally,outofhisowndesigndebuginterface,althoughnotrealcomponentsofthetest,butcanusetheLabVIEWSimulationofthefunctionsignalgeneratorvoltage,current,andthenusetobeandgetthevoltageandcurrentcurves.

Keywords:

solarcellmodules,virtualinstruments,componenttest,Labview

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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指导教师签名：

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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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年月日

学位论文版权使用授权书

本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，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　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。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

致谢………………………………………………………………………………27

1前言

1.1课题研究背景

1.1.1人类面临的能源危机

在20世纪的世界能源结构中，人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。

这些化石能源本质上是数万年前甚至更长时间以来太阳能辐射到地球上的一部分能源矿藏。

它们是古生物化石的特殊形态。

经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源已被消耗了相当比例。

随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限。

随着化石能源的逐步消耗，能源危机已展现在人类面前。

在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：

石油可开采为39.9年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年，可见，化石能源的可开采量已经是屈指可数了。

1.1.2太阳能的特点及开发利用

太阳能可以不分地域辐射到地球的每一个角落，从而成为21世纪最具大规模开发潜力的新能源之一。

太阳直接辐射到地球的能量丰富、分布广泛、可以再生，不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。

开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少污染，太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础，不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大战略意义。

太阳能具有以下几个主要特点：

（1）与人类历史相比具有长得多的寿命，所以对人类来说几乎是无限的能源；

（2）太阳能极其丰富，30分钟辐照到地球的能量就够全世界一年的能源消耗；

（3）太阳能是绿色环保能源，不会造成公害；

（4）在使用现场就能从太阳光获得能量。

1.2光伏产业发展

（1）世界太阳能电池产量快速增长，最近5年的平均增长速度超过40%世界光伏发电产业自80年代以来得到了迅速发展，平均年增长率达到30%，近几年由于出现供不应求的局面，其发展更加迅速，成为全球增长最快的高新技术产业之一。

进入21世纪，在欧洲、日本扶持政策的引导下，世界光伏发电技术和产业有了突飞猛进的发展。

2006年底，全球光伏发电产量超过2500MW，2007年年底的产量超过3500MW，年增长速度超过了40%，与2000年相比增长了约14倍。

（2）德、日、美依然是世界三个最大最主要的光伏应用市场

2005年全球安装太阳能电池组件1460MW，比前一年增长了34%。

德国安装837MW，比前一年增长了53%，占世界安装量的57%；日本安装292MW，比前一年增长了14%，占世界安装量的20%；美国安装102MW，占世界安装量的7%；欧洲其它地区安装88MW，占世界安装量的6%；世界其它地区安装146MW，占世界安装量的10%。

世界各国都在大力鼓励太阳能光伏产业的发展，竞相开发各种光伏的新技术和新型光伏材料，每年全世界太阳能电池的产量都高速增长，太阳能在地面的应用非常广泛，主要集中在照明、通信、交通等领域。

而光伏发电与建筑物的结合以及并网发电是当今光伏应用的新趋势。

1.3虚拟仪器的概述

虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分,它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。

作为虚拟技术的重要组成部分———虚拟仪器（VirtualInstrument）是目前各国研究的热点之一。

美国国家仪器公司（NationalInstrument简称NI）于20世纪70年代中期提出虚拟仪器的概念。

虚拟仪器是以计算机作为仪器的硬件支撑,充分利用计算机独具的运算、存储、调用显示及文件管理等智能功能,把传统仪器的专业化功能软件化,使之与计算机结合起来融为一体,这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统仪器相同,同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统。

传统仪器通常由信号的采集,信号的分析,信号的输出3部分组成;虚拟仪器同样可以划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块。

1.4本文研究目的

光伏发电是通过太阳能电池实现光—电直接转换的过程，是太阳能开发利用的重要途径之一，在世界范围内受到高度重视。

我国光伏发电市场需求旺盛，光伏发电系统被应用在多个领域。

目前大多的太阳能组件测试系统多为人工施加负载，很难求出太能能电池组件的最佳功率点，也不能自动画出太能能电池组件的I-V曲线，也不能随着温度、光强、光谱的变化而自动修正到标准状态。

本文所设计的基于虚拟仪器下的太阳能电池组件测试平台利用了反向偏压电子负载的形式，可在脉冲氙灯闪光的极短时间内同时测出多个点的电压、电流值，并且给出太阳能电池组件由实时数据修正到标准状态下的电池的功率。

电流-电压关系曲线（I-V曲线）在工程科学中是极其重要而又常用的关系曲线，尤其对于太阳能电池的研究。

随着虚拟仪器技术的迅速发展，有必要建立一个基于虚拟仪器的太阳能电池性能测试技术平台。

本论文研究内容主要是利用多功能数据采集卡建立一个太阳能电池性能测试平台，对太阳能电池性能参数进行测试，以此来分析太阳能电池的工作特性，在此过程中实现通过LabVIEW软件编程对数据采集卡的控制及数据采集卡的驱动等。

利用LabVIEW以及其它相关软件对所测试数据进行分析处理，完成数据采集、参数设置、数据显示及存储等功能。

通过LabVIEW软件的数据处理功能，对太阳能电池功率的范围对组件进行标定。

2太阳能组件的生产工艺

2.1太阳能电池的工作原理

2.1.1太阳能电池等效电路

太阳能电池的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。

在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以P型硅和N型硅对外部来说是电中性的。

当P型材料和N型材料相接，将在晶体中P型和N型材料之间形成界面，即一个P-N结。

此时在界面层N型材料中的自由电子和P型材料中的空穴相对应。

由于正负电荷之间的吸引力，在界面层附近N型材料中的电子扩散到P型材料中，并且将在原子作用力允许范围内，与P型材料中的电子缺乏实现平衡。

与此相反，空穴扩散到N型材料中与自由电子复合点。

太阳能电池在无光照时，在界面层附近的相反的空间电荷相互作用，使载流子的继续交换停止。

如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子—空穴对层面层附近的电子和空穴对在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。

电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。

通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。

通过光照在界面层产生的电子-空穴对愈多，电流愈大。

界面层吸收的光能愈多，界面层即电池面积愈大，在太阳能电池中形成的电流也愈大。

图2-1太阳能电池等效电路

如图2-1当光照射太阳能电池时，将产生一个由N区到P区的光生电流Iph,同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管电流Id,此电流方向从P区到N区，与光生电流相反。

因此，实际获得的电流I为：

I=Iph-Id=Iph-Io（expqUD/AKT-1）（2-1）

2-1式中UD为结电压,Io为二极管的反向饱和电流,Iph为与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数是由太阳能电池的结构和材料的特性决定的，Id为暗电流，所谓暗电流值的是太阳能电池在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流点。

它的大小反映出在当前环境温度下，太阳能电池P-N结自身所能产生的总扩散电流的变化情况。

A称为理想系数，是表示PN结特性的参数，通常在1~2之间，q为电子电荷，k为波尔兹曼常数，T为温度。

如果忽略太阳能电池的串联电阻Rs，UD即为太阳能电池的端电压U，则式（2-1）可写为：

I=Iph-Id=Iph-Io（expqU/AKT-1）（2-2）

当太阳能电池的输出端短路时，U=0，由式（2-2）可得到短路电流:

Isc=Iph（2-3）

即太阳能电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比，当太阳能电池的输出端开路时，I=0，由式（2-2）和（2-3）可得到开路电压

Uoc=Nkt/qln（Isc/Io+1）（2-4）

无光照下的硅型太阳能电池的基本行为特性就类似于一个普通二极管，I

为太阳能电池输出的负载电流,Ish为电池的短路电流，所谓短路电流是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出短路时流过太阳能电池两端的电流。

V为电池的开路电压。

R为电池的外负载电阻，Rs为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接触电阻和金属导体电阻等组成。

Rsh为并联电阻，它主要是由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的P-N结漏泄电阻和电池边缘的漏泄电阻等组成。

由上述定义，可列出太阳能电池等效电路中各变量的方程式如下：

I=Iph-Id-Ish（2-5）

而Id=Io（expqUD/AKT-1）Iph=（V+IRs）/Rsh,UD=V+IRs,则

I=Iph-Io{exp[q（V+IRs）/AKT]-1}-（V+IRs）/Rsh（2-6）

其中Io为反向饱和电流，q电子电荷,K是波尔兹曼常数，T绝对温度；A为P-N结理想因子。

2.1.2太阳能电池的负载特性

负载特性在光伏发电系统中占有非常重要的地位。

一方面，因为太阳能电池板特性导致光伏发电系统的负载特性比较软，容量稍大的负载启停将直接对光伏发电系统的输出造成较大的冲击，使得工作点有较大的波动，严重时，造成负载不能正常启动。

另一方面，负载工作点很难精确地与太阳能电池板输出的最大功率点匹配，需要对负载加以调整，以实现光伏输出最大功率。

太阳能电池接上负载R时，所得的负载伏-安特性曲线如图2-2：

负载R可以从零到无穷大。

当负载Rm使太阳能电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率Pm为

Pm=Im*Vm（2-7）

式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压。

将VOC与ISC的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子FF，则

FF=Pm/VocIsc=VmIm/VocIsc（2-8）

FF为太阳能电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高。

FF取决于入

射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。

太阳能电池的转换效率η定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电

池的总辐射能Pin之比即

η=Pm/Pin100%（2-9）

图2-2太阳能电池的伏安特性曲线

2.2太阳能电池模块测试系统的硬件组成

（1）闪光模块

闪光模块包括高压脉冲氖灯、水/硫酸铜水套和凹面镜高压脉冲氖灯发出光的波长范围是200nm~500μm,太阳光的波长范围是100nm~750μm,所以高压脉冲氖灯发出的光接近太阳的光谱。

太阳光经过大气层衰减后照到地球上,其衰减系数与距离成e的指数关系,而水/硫酸铜水套对光的衰减也与距离成e的指数关系,通过调整距离使其过滤产生的光谱等效于1·5大气质量时所产生的光谱。

使用球面的凹面镜可以把线性脉冲氖灯发出的光线变成垂直的平行光照射到被测太阳能电池模块的表面上。

（2）光强设定模块

光强设定模块输出0~10V模拟信号传给软件,软件把它转换0~10kV的实际充电电压,并把这个电压通过充电电路传给储能电路,它的调整通过面板上的数字按钮实现。

（3）脉冲形成模块

脉冲形成模块使用集总电路延时线概念以得到宽而平的光脉冲。

延时线含有电感器和电容器的梯形网络,梯形网络的阻抗与氖灯管匹配以便将最大的能量传给氖灯。

脉冲形成电路由高压延时电路初始充电,当气体被氖灯电离时就存在一个导电通路,脉冲形成电路可通过此电路放电。

（4）安全互锁模块

安全互锁模块可保证操作人员的安全及氖灯的良好运行,若系统的门是开着的或电容器未充电,则阻止测试。

（5）反向偏压模块

反向偏压模块由两级推换放大器组成,推换放大器由两组平衡晶体管组成,它按偏压模型设定值驱动。

反向偏压模型的确立是反向偏压负载的关键,为此,先确立太阳能电池等效电路模型。

2.3太阳能组件生产工序

太阳能由电池片并不是刚开始就可以利用的，它还要经过几个工序形成太阳能组件才可以被人们使用，在这个过程中要经过焊接，敷设，层压，装框，测功率，清洁几个工艺流程，下面详细的介绍了这几个流程。

2.3.1焊接

（1）原材料:

电池片焊带电池片:

是焊接的对象,起到发电的作用焊带:

把每片小功率的电池片连接起来,起到导电的作用.

（2）焊接的步骤:

（a）拆电池片包装：

美工刀刀口向外，挑开胶带纸。

取出电池片，用美工刀轻轻划出#字型，撕开电池片的外层塑料包装，注意电池片四角。

（b）焊接前准备：

穿好工作服、工作鞋，戴好口罩、工作帽、手套和指套；

（c）清洁加热台，将异物清理干净；

（d）打开加热台和电烙铁的开关，设定好指定温度，直到达到指定温度；

（e）右手拿电烙铁，左右一次只能拿一片电池片，再用右手的拇指和中指取一根焊带，将焊带平放在主栅线上，按照电池片型号，从第N根细栅线将焊带焊接在主栅线上，注意电烙铁一定要托至尾部，能全部覆盖主栅线的白色部分。

（3）焊接注意点：

焊接时减少停顿的动作，不要有虚焊，焊接时轻拿轻放,动作柔和.作业过程中无电池片引起的声音;不允许对电池片有“冲”“洗”“晃”动作。

拿电池片（串）时必须拿主栅线中间位置。

2.3.2敷设

（1）敷设前的准备；

（a）打开敷设工作台照明及烙铁焊接台开关。

将电池串运转盒平方在敷设台指定位置；

（b）取一块钢化玻璃，用防静电离子吹尘枪对其表面进行全面喷吹，确保无碎屑异物后，两人将钢化玻璃同时垂直抬起；

（c）将钢化玻璃轻放在敷设台上，对其进行外观质量检查，确认合格后铺上EVA，把两个敷设工装分别平行放在玻璃两个短边对齐位置，将不合格的玻璃放在不合格品区域；

（d）两个人轻轻拿起电池串两头的电池片（有的使用吸盘），同步提起再放到EVA上，电池串按极性要求摆放；

（e）调整电池串位置和间距；

（f）检查电池片是否有碎片，虚焊漏焊、焊带偏移，夹杂异物的现象，如有，对不合格的电池片进行返修；

（g）定好汇流条位置，用镊子把焊带压在汇流条上，用烙铁将之焊接牢固；在把需要互相连接的汇流条按工艺要求焊接牢固、焊接完毕后拿掉敷设工装；

（h）电池传间用胶带黏住->贴小料->铺设EVA->铺设TPT->TPT与钢化玻璃间用胶带黏住->进行功率检测->抬至指定区域，给层压使用。

（2）工艺要求:

（a）EVA,TPT要卷；

（b）放电池串时要保证串联；

（c）电池串行间距2+2/0mm；

（d）汇流条焊在焊带的下面,焊带与汇流带的接触面积必须大于4平方毫米；

（e）胶带要刮实,无气泡长度1-1.5cm；

（f）烙铁温度370-380度；

（g）玻璃,背板的毛面对电池片,EVA光面对电池；

（h）抬组件时用手托玻璃面,大拇指不能压在背板上,保持组件不倾斜。

2.3.3层压

（1）层压概念

组件层压:

将敷设好的电池板放入层压机内,通过抽真空将组件内的空气抽出,然后加热使EVA熔化将电池片,玻璃和背板粘接在一起;最后冷却取出组件.层压温度:

对应着EVA的固化温度。

（2）层压过程

（a）将层压机加热到一定的温度大约140度；

（b）上料：

层压人员将敷设完的组件抬至层压机（玻璃面在下），一般以4块为一单位，盖上不粘布（最好使用撒网式，若用滚的，切记两人须把滚筒提起，小心压坏组件）；

（c）进料；

（d）抽真空大约5分钟；

（e）层压大约12分钟；

（f）开盖充气大约60秒。

（3）层压机的作用

把这些物质压合在一起，并要求压合后，达到目的压后无气泡,相融物质要融为一体,无法相融物质间要有一定的粘结强度。

为了达到这个目的，必须具备以下条件：

（a）抽真空时莱宝表显示的压力在规定范围内；（b）层压上室充气第一阶段上室压力恢复到稳定时所需要的时间要在范围内；（c）下室充气下室压力到达稳定时所需时间在范围内。

（4）层压注意点:

层压机的上室压力与下室压力层压机突然断电时，要进行手动层压。

2.3.4．装框

（1）检查待用铝合金边框，将不合格的铝合金边框用色笔做标识，并注明不合格的原因至定置区存放，将合格的铝合金边框放上打胶工作台，依次整齐排开，检查边框；打胶处凹槽，如有异物应用吹尘枪吹干净；

（2）打胶前用美工刀在硅胶筒螺口上端切个平口，并在喷嘴的适当位置切一个和喷嘴体成45度角的斜口，把硅胶筒装上喷嘴，再装上气压枪，旋转气压枪调节钮将单位出胶量调节至合适大小；

（3）打胶时右手紧握气压枪柄，使喷嘴口对准边框凹槽。

从左到右均匀地往凹槽打