1、 编号：清华大学本科毕业论文光伏电池板数据采集和测试系统设计I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。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 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
2、）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： II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。作者签名： 日期： 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
3、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III摘 要基于虚拟仪器光伏电池组件的测试系统采用灯光照射和过滤器为光伏电池板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的模拟太阳光，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。利用虚拟仪器技术，利用多功能数据采集卡等设备，建立了光伏电池性能测
4、试平台，对光伏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。首先介绍了太阳能电池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光伏电池电压、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测试，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，然后得到电压、电流曲线， 图像、功率曲线，进而找到最VI佳功率点。关键词：数据采集；信号调
5、理；最佳功率点；LabVIEWIVAbstractThe testing system, which is based on photovoltaic cell module using virtual instrument, provides stimulated sunlight for photovoltaic equipment by using lights and filters. A parabolic launch device succeeds in stimulating solar light of high uniformity so that the steady t
6、emperature will have no influence on the test. When tested, the ambient temperature should be 25. The photovoltaic cell performance testing platform is established to test parameters of the photovoltaic cell performance, making use of the virtual instrument technology and data collection card with m
7、ulti-function and other equipment.This paper, on the basis of analysis the task, technical index and system function, designs an overall scheme of the system and makes a detailed introduction of the whole implementation process of the system from two aspects of hardware and software. Firstly, it int
8、roduces the principle of the solar power generation and the selection of data acquisition card. The use of NI Companys LabVIEW, by controling the data acquisition card, can make it possible to collect, display, and store the solar battery voltage, to analyse and process the measured data. Its ultima
9、te purpose is to achieve power sub-file and test if the testing components meet those requirements. Finally, the interface that has been designed will be debugged. Although there is no real module testing, the optimal power point can be found by using the function signal generator in the LabVIEW to
10、stimulate the voltage and current to get their curves, the graph, and the power curve.VIKey words: data acquisition; signal regulation; the optimal power point; LabVIEWV目 录1 绪论 .11.1 光伏电池领域现状与发展趋势 .11.2 虚拟仪器的概述 .21.3 本文研究的内容和目的 .21.4 本文研究的意义 .32 光伏板模型及电磁特性 .42.1 光伏电池的结构和原理 .42.2 光伏系统的状态分析 .52.2.1 电池
11、的伏安特性曲线 .52.2.2 功率匹配 .72.3 光伏电池的检测参数 .83 光伏电池板数据采集和测试系统开发设计过程 .103.1 光伏电池板数据采集和测试系统总体结构 .103.2 光伏电池板数据采集系统 .103.3 光伏电池板数据采集和测试系统硬件设计 .113.3.1 传感器的选择 .113.3.2 数据采集卡的选择 .133.3.3 USB7360 数据采集卡 .143.4 光伏电池板数据采集和测试中虚拟仪器的软件平台 .163.4.1 LabVIEW 软件介绍 .163.4.2 LabVIEW 的操作模板 .203.4.3 光伏电池板数据采集和测试中软件设计的层次结构 .23
12、3.4.4 光伏电池板数据采集和测试中软件设计的程序结构 .234 光伏电池板数据采集和性能测试系统的软件界面设计及流程 .304.1 软件界面设计思想 .304.2 子程序的调用 .314.3 转换效率的检测 .33VI4.4 最大功率 .344.5 串联电阻和并联电阻的检测 .344.6 填充因子的检测 .364.7 滤波子程序 .364.8 整体界面的显示 .375 结论 .38参考文献 .39致谢 .40绪论11 绪论1.1 光伏电池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
13、，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。1998 2008年全球光伏发电产量的年平均增长率(CAGR)以两位数增加，1998 2003年的CAGR 为30，2003 2008年的 CAGR为44。光伏发电的安装量从2003年的245MW猛增到2008年的1460MW，年平均增长率达43。其中德国为80，美国为35，日本为25，欧洲其他地区为43，世界其他地区为13 810。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40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
14、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。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30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到10以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50以上，太阳能光伏发电将占总电力的20以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80以上，太阳能发电将占到60以上 1112。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2000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
15、5年来，中国光伏电池产量年增长速度达到了100一300，光伏电池产量占全球产量的比例也由2005年1.07增长至2011年的近15。商业化晶体硅太阳能电池的效率也从3年前的13-14提高到16-17 1317。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
16、发了基于锁相放大技术的太阳能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1992年以前除少数企业引进少量进口设备以外，均采用比绪论2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DKl00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、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
17、要。同时作为新兴的行业，太阳能电池产品的种类和性能变化非常快，与之相适应的太阳能电池测试技术却没有能够立即跟上。例如，多结太阳能电池测试技术。近几年我国研制出各种多结太阳能电池新品，对于多结太阳能电池，如果还采用传统的太阳能电池测试设备，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数据采集和检测装置，对于光伏电池的生产以及在应用时进行数据采集和检测，系统具有很好的可扩展性，适用性和稳定性。1.2 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
18、虚拟技术的重要组成部分虚拟仪器(Virtual Instrument)是目前各国研究的热点之一。美国国家仪器公司(National Instrument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。 1.3
19、本文研究的内容和目的光伏发电是通过光伏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，很难求出太阳能电池组件的最佳功率点，也不能自动画出太阳能电池组件的 曲线，也不能VI随着温度、光强、光谱的变化而自动修正到标准状态。绪论3本文所设计的基于虚拟仪器下的光伏电池组件测试平台利用了反向偏压电子负载的形式，可在极短时间内同时测出多个点的电压、电流值，并且给出光伏电池组件由实时数据修正到标准状态下的电池功率。电压-电流关系曲线( 曲线)在工程科学VI中是极其重要而
20、又常用的关系曲线，尤其对于光伏电池的研究。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光伏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光伏电池性能测试平台，对光伏电池性能参数进行测试，以此来分析光伏电池的工作特性，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，对光伏电池功率的范围和组件进行标定。1.4 本文研究的意义能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力，自上世纪50年代以来，能源安全一直
21、面临着挑战，存在着十分危险的潜在危机，能源危机的重要表现之一便是不断出现的电力紧张。在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，人们渴望用“取之不尽，用之不竭”的可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术，能满足人类的需要。太阳能光伏发电作为一种既清洁又环保的绿色能源，是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。光伏电池输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某个输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值。光伏发电装置的实际输出功率随光照强度的变化而变化，白天光照强度最强时，发电装置输出功率最大，夜晚几乎无光照，输出功率基本为零。所以除设备故障因素以外，发电装置输出功率随日照、天气、季节、温度等自然因素而变化，输出功率极不稳定。因此，对光伏电池的特性特别是输出特性进行研究非常必要。
