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基于单片机的硅太阳能电池测试系统的设计毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

本次设计根据太阳能电池性能测试原理和电子电路的相关知识,选用了合适的电子元件设计了能够完成采集太阳能电池性能数据的硬件电路,硬件电路主要包括了光源模块、信号采集模块、AD转换模块、显示模块等。用单片机c语言编写了能驱使硬件系统的软件程序,控制硬件电路完成对目标太阳能电池板数据采集任务,数据采集部分将采集到的数据能直观传输到LED屏幕上。设计的硬件电路能直观测量到硅太阳能能电池板的电流和电压,是因为设计了一个分压电路连接电池板和测量电路,最后我们通过多次测量数据可以看出太阳能能电池是一个恒流电源,与网上查阅的资料一致,这也从侧面证明了这次硬件电路设计的成功。通过硬件电路采集到的数据可以很直观让我们看出来太阳能电池的性能。

关键词:硅太阳能电池;硬件电路;数据采集;恒流电源。

Abstract

According to the principle of solar cell performance test and the related knowledge of electronic circuit, this design chooses suitable electronic components to design the hardware circuit which can complete the collection of solar cell performance data. The hardware circuit mainly includes light source module, signal acquisition module, AD conversion module, display module and so on. The software program which can drive the hardware system is compiled with the C language of single chip computer. The hardware circuit is controlled to complete the task of data acquisition for the target solar panel. The data acquisition part can transmit the collected data to the LED screen directly. The hardware circuit designed can directly measure the current and voltage of the silicon solar panels, because a voltage dividing circuit is designed to connect the panels and the measuring circuit. Finally, we can see that the solar panels are a constant current power source through many measurements, which is consistent with the information on the Internet. This also proves the success of the hardware circuit design from the side. The data collected by the hardware circuit can show us the performance of solar cells intuitively.

Key Words:Silicon solar cell; Hardware circuit; Data acquisition; Constant current power supply.

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 主要内容与文章结构 2

第2章 太阳能电池数据采集原理 3

2.1 太阳能电池工作原理 3

2.2太阳能电池等效电路 4

2.3太阳能电池的伏安特性 5

2.4 太阳能电池的测试方法 6

第3章 基于单片机的太阳能电池检测系统设计 7

3.1 系统方案设计 7

3.1.1 芯片选型 7

3.1.2 系统软件设计 9

3.2 信号处理模块 10

3.2.1 电压电流信号采集电路 10

3.2.2 分路器及衰减器电路 12

3.3 信号采集模块及单片机电路设计 13

3.3.1 ADS1118电路设计 13

3.3.2 单片机最小系统设计 14

3.4 显示模块 15

3.4.1 UART串口 15

3.4.2 人机交互设计 16

第4章 实验设计与测试 18

4.1实验设计 18

4.2 实际测量 18

4.3 结果分析 19

第5章 总结与展望 21

参考文献 23

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

当今世界的能源产业非常依赖石油、煤炭等化石燃料,可化石燃料的储备量有限,而世界能源的需求在逐年增加。太阳能是一种可再生能源,最普及的技术之一是利用太阳能发电的太阳能电池,光伏组件安装量逐年增加,许多国家已经实现了普及光伏发电。根据全球现在对太阳能的利用情况,预计到2050年,光伏发电可以达到全球能源需求的25%以上。事实上,工业太阳能电池的性能提高跟太阳能电池的成本低,安全系数高密不可分,这一现状标志着太阳能光伏发电技术的成熟。为了实现有效的经济和社会发展,有必要确保安全的能源供应,有效的能源使用和清洁能源的使用。 现代工业现在需要石油,煤炭和天然气等化石燃料,但这些都是不可再生能源。因此,世界各国将能源竞争视为其经济发展战略的核心部分。 随着全球经济的快速发展和工业化的普及,世界各国对能源的需求也在增加。 能源成为阻碍世界各国经济发展和提高国力的最重要因素。

化石燃料经过全球多年的使用已经临近衰竭,而且使用化石能源对全球环境和气候有着无法逆转的危害,开发出新的清洁可再生能源是现在全球各个国家为了实现经济和社会可持续发展的重要任务。太阳能作为一种十分清洁而且可以说是无限的资源,太阳能光伏发电成为了最具有发展前景的新能源技术,开发太阳能技术也成为了全球各国的重中之重。全球各国都在为研究和开发太阳能光伏发电技术投入大量的人力物力,而太阳能光伏发电产业也恰好可以作为解决全球能源危机和改善全球环境问题的重点,正是因为有了需求,太阳能光伏发电产业才得以在近几年迅速发展。

硅材料具有良好的材料质量和广泛的技术诀窍,它使硅太阳能电池具有接近最佳的吸收太阳光的带隙,达到了较高的光转换效率。此外,硅太阳能电池具有原材料供应丰富、毒性低、成本低、可扩展的电池和组件制造技术等对光伏发电必不可少的优势。这些优势正是世界光伏装置数量急剧增加的根源,而且很可能在未来还会继续保持同样的趋势。提高硅太阳能电池的效率是进一步降低区域相关成本和确定光伏作为可再生能源地位的关键。

目前,在国家政策的扶持之下,太阳能产业的数量出现了迅速增长,这一现状对太阳能电池的测试系统和测量方案有着非常迫切的需求。为了提高太阳能电池生产效率和太阳能电池应用效率,有必要改进太阳能电池的测试方法和图表,提高太阳能电池测试系统的能力。太阳能电池测试系统是评估太阳电池性能好坏的重要媒介,它是能够保障太阳电池安全和质量的重要手段,同时也是作为更神的的研究太阳能电池特性的工具。对它的分类和探究,有助于生产出高效率和低损耗的太阳能电池,太阳能电池测试系统不仅可以给用户提供准确的技术参数,还能为太阳能电池选择合适的负载,选择最佳的工作状态,这些都能为太阳能产业带来更高的利益。对太阳能电池生产厂家而言,一个实时、精准的测试系统能够保证产品合格出厂,因此检测和研究太阳电池的性能对人类意义重大。

1.2 国内外研究现状

世界各国特别是发达国家在太阳能产业取得了巨大成功。 他们的政府将太阳能产业视为朝阳产业,并希望将该产业作为实现该国可持续发展的重要举措。 支持和促进国内太阳能产业发展的政策。 这是因为许多发达国家为世界树立了榜样。 今天,全球光伏能源生产行业发展迅速。全球光伏发电市场正在迅速扩大,太阳能光伏发电正在成为全球发展的最大热点。

1984年,中国在甘肃省兰州市榆中区玉子镇建成的第一个10千瓦光伏电站,用于发电,意味着能源的建设和发展。 中国的太阳能产业正式开始。 从繁荣开始到落后到发展,这个光能工厂见证了中国太阳能产业的巨大进步。在这四十多年的发展过程中,我国一代又一代人为太阳能产业奉献出自己的青春和汗水,国家陆续出台的相关政策才使得我国的太阳能产业迅猛发展。但是在改革开放后四十多年来,太阳能产业的发展离不开太阳能测试系统的逐渐升级和完善,太阳能电池测试系统已在国内外得到广泛应用,并且所有主要的太阳能电池制造商都有系统的产品,关键元器件是太阳光模拟器、测试电路、数据采集部分、显示部分等等。所以说一个优秀的太阳能电池性能测试系统,对于发展太阳能产业和优化太阳能电池性能来说尤为关键。

1.3 主要内容与文章结构

本文首先介绍了能源问题在国内外严峻的形式,这也就是为什么太阳能产业在近几年飞速发展。而在太阳能产业中太阳能电池性能测试系统又扮演着一个无法缺少的重要角色,我们设计的太阳能电池性能测试系统主要分为以下几个部分:数据采集部分、AD转换部分、显示部分,在设计过程中对各个部分进行单独设计。随后的两个章节介绍太阳能性能测试系统软件部分、硬件部分的设计思路以及具体设计过程;最后的两个章节说到了在系统设计成功后,如何切实使用系统对目标太阳能电池进行测量,然后对太阳能电池性能做出大致的评估。

第2章 太阳能电池数据采集原理

2.1 太阳能电池工作原理

太阳能电池的种类很多,其制作材料有Si、Se、GaAs、CdS、CdSe、有机高分子、钙钛矿等,但是目前来说在全球占据主导地位的还是硅太阳能电池。太阳能电池作为大规模工业产品,需要很好的质量稳定性以及可靠性,因此测试技术和方法对于太阳能电池的发展有着非常重要的意义。因此,我们这次设计的就是一个基于单片机的硅太阳能电池的测试系统。太阳能硅电池还可以具体分为单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。 单晶硅太阳能电池是最有效的,但是其生产成本很高而且良品率较低,故而价格昂贵。非晶硅太阳能电池的优势在于制造成本低,良品率高,所以此次的设计我选用的是商用非晶硅太阳能电池板,非晶硅太阳能电池的结构图如下所示。

图2.1 非晶硅太阳能电池内部详细结构

非晶硅太阳能电池是基于玻璃,不锈钢和特殊塑料的薄膜太阳能电池。 结构如图2.1所示。 根据国际标准,约1cm的带宽称为子电池,并且每个子的电池连接在内部,使得电池的输出电流根据每个辅助电池的电流和头电压而积分,输出电压为各个子电池电压之和。在实际应用中,可根据电流、电压的需求选择电池的结构、形状和面积,制成符合要求的非晶硅太阳电池。普通玻璃是制作非晶硅太阳能电池第一层的材料,作为电池的基底。第二层为透明氧化物导电膜(TCO)材料,因为光要从它穿过去再被电池吸收,所以TCO这种材料透光率非常高;而在另一方面它要作为电池的一个电极,所以TCO这种材料还能导电。为了减少反射光并因此增加光吸收,TCO通常被制成绒面革。通过沉积这两层作为基板来形成太阳能电池。第一层太阳能电池是P级,也称为太阳能电池的窗口层,第二层是i层,也称为太阳能电池的内层,是光载波的产生层。在该层中较弱,然后是n类,具有i连接和反向电极功能,最后一层是反向电极和Al / Ag电极。由于非晶硅的非晶特性,非晶硅p-n接头不稳定,并且在照明期间光电导现象不明显并且几乎没有有效电荷。因此,非晶硅太阳能电池的基本结构不是p-n结而是p-i-n结。硅掺杂硼以形成P和硅的区域,磷掺杂以形成区域n,并且i层是非掺杂或轻掺杂的内层(因为非晶硅未掺杂 是弱类型n)。 重掺杂的p和n区域形成集成在电池内用于收集的可能性。 同时,两者都可以与引线电极形成欧姆接触(它不会产生显着的附加电阻,并且不会引起半导体内平衡载流子浓度的显着变化) 为外界提供电能。 区域i是光敏区域,此区中光生电子和空穴是光伏电力的原因。在操作时,需要光进入尽可能多的i区域,并且光被最大程度地吸收并有效地转换成电能。 因此,我们要求区域i确保入射光的最大吸收并携带图像流。又要保证光生载流子最大限度地输运到外电路

2.2太阳能电池等效电路

太阳能电池的基本结构就是一个很大面积的p-n结, 理想的p-n结太阳能电池可以用恒流源I(光化学电流)和理想的并联二极管来表示。 等效电路如图2.2所示。其电流电压关系满足以下等式:

(2.1)

其中是饱和电流,q是基本电荷单位。

图2.2 理想p-n结太阳能电池等效电路

但是实际上,p-n结太阳能电池存在着和的影响。其中,是电阻的总和,其中包括材料电阻器,平板电阻器,点击接触电阻器和电极本身传输的电流电阻器。是在p-n结形成的不完全部分所导致的漏电流,成为旁路电阻或漏电电阻。这样构成的电路如图2.3所示。

QQ截图20190529203229

图2.3 p-n结太阳能电池的实际等效电路图

在无光条件下,太阳能电池的p-n接口处于一个稳定的状态,无电流经过p-n接口。在照明条件下,太阳能电池的p-n结平衡状态被破坏,并且产生一个从区域n流向区域p的光生电流,同时,存在着一个从区域p流向区域n,与光生电流方向相反的电流 ,考虑到太阳能电池的材料、生产工艺等因素,硅晶片的内部阻抗以及电极接触就相当于串联了一个电阻,p-n接头内部的不完整因素会影响并联电阻。

2.3太阳能电池的伏安特性

根据经典的光伏特性,在恒定光强和温度条件下,太阳能电池的伏安特性曲线大致如图2.4所示。

图2.4 太阳能电池的伏安特性曲线

图2.4中的各个符号代表的含义:代表其太阳能电池的开路电压,而代表的是它的短路电流,代表的是最大功率点的点电流,而代表的是最大功率点的点电压。从图中可以看出,太阳能电池的伏安特性曲线是一条非线性曲线,因为太阳能电池自身的制作工艺会影响它的伏安特性,太阳能电池的外部光强度和温度也会影响其伏安特性。

从太阳能电池的伏安特性曲线中我们能看出,恒定的光照强度和恒定的温度、湿度条件下,在没有达到太阳能电池的最大功率之前,它的电流基本上不随电压增加变化,可以近似将其看成一个恒流源,但是由于光照强度有限,太阳能电池板不可能提供无穷大的输出功率,所以在达到最大功率后,电池的电流会随着太阳能电池的电压增大而下降。如图所示,在达到最大功率点电压后,电流会迅速下降到零。从图中我们也可以看出,只有在最大功率点的时候电池的输出功率才是最高,但是不同的光强和不同的温度、湿度条件下,同一块太阳能电池的最大功率点也是会改变的,又因为其制作工艺的因素,不同的太阳能电池在相同的环境条件下,最大功率点也是不同的,所以一个准确的太阳能测试系统对于检测太阳能电池的性能来说至为关键,这也是我们这次课题的意义所在。

2.4 太阳能电池的测试方法

太阳能电池的伏安特性曲线受到光强和温度的影响,不同的环境参数对太阳能电池性能的影响很大,所以在测量太阳能电池的性能时,国际上广泛认同的日照强度是1000 W/m2,太阳辐射光谱是AM1.5,其测试的标准外部温度25℃时为地面测试太阳能电池性能的统一标准。太阳能电池分析基于太阳能电池的伏安特性曲线及其性能参数。它用于在标准S强度和标准T温度下测量太阳能电池,太阳能电池负载从0到无穷大。根据输出电压和输出电流值产生输出电压和输出电流值,太阳能电池的特性IV曲线,并根据数据计算太阳能电池的性能参数。测量数据,根据性能参数和特征曲线IV得到。评估太阳能电池的性能。为了在测试期间将光强度和温度变化对测试结果的影响降至最低,请确保在短时间内完成太阳能电池测试。

第3章 基于单片机的太阳能电池检测系统设计

3.1 系统方案设计

为检测太阳能电池的性能,本设计以德州仪器(TI)公司的MSP430单片机为核心,设计了一个太阳能电池检测系统,该系统包括信号处理模块、信号采集模块和显示模块三大部分。信号处理模块将太阳能电池的输出信号进行处理以供单片机进行采集;信号采集模块使用高精度模数转换芯片将电压信号采集并交给单片机处理;显示模块将处理结果显示给单片机并提供人机交互界面。

图3.1 系统方案框图

3.1.1 芯片选型

单片机处理器我们选用的是MSP430F5529,MSP430F5529是最新一代的集成USB的超低功耗微控制器,可用于无线传感器、能量收集等应用。 这是功耗最低的微控制器之一。它的工作电压比较低,从最低的1.8V到最高的3.6V,而且其唤醒时间非常短,从待机模式到唤醒时间控制在1.5μs之内。核心供电电压可变成调节的内置LDD以及电源电压监控、检测以及掉电检测为其灵活的电源管理系统打下了良好的基础。通过图3.1我们能对MSP430F5529芯片的结构有更深刻的了解。它共有47根管脚,所有的管脚除了可以用作普通I/O口之外,还集成了其他的功能,例如我们本次设计中要使用到的AD转换功能,它的A0~A7、A12~A15这十二个管脚,均集成了AD转换功能,本次设计我们只用到了A0、A1这两个管脚。对于MSP430F5529这款芯片,我们写入程序用到的软件不是keil,这款430芯片需要用到一个专门软件iar对他进行写入程序,功能能更好地实现,对芯片的利用率也会更高,这也是我们为什么选用MSP430F5529这款芯片的重要原因之一。

MSP430F5529引脚图

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MSP430F5529结构图

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