周小巖，李 乾，李 震，楊喜峰

(中國石油大學(華東) 理學院，山東 青島 266580)

單體太陽能電池光伏特性智能測試系統(tǒng)

周小巖，李 乾，李 震，楊喜峰

(中國石油大學(華東) 理學院，山東 青島 266580)

設計了基于STM單片機的單體太陽能電池光伏特性智能測試系統(tǒng)，使用數(shù)字電位器改變負載電阻和加載電壓，采用STM32進行數(shù)據(jù)的采集和分析處理，高精度A/D模塊電路使用MAX1416. 該系統(tǒng)實現(xiàn)了不同條件下太陽能電池特性的動態(tài)測量、圖形繪制、結果顯示和光照強度調節(jié)等功能.

太陽能電池；光伏特性；STM單片機

在能源危機和環(huán)境污染的今天，太陽能作為一種新能源越來越受到人們重視. 太陽能電池是將光能轉化為電能的裝置，是太陽能開發(fā)利用的重要途徑[1-3]. 目前商品化的光電池測試系統(tǒng)價格不菲，從幾萬到幾十萬元，開發(fā)低成本尤其是便攜式戶外光伏測試系統(tǒng)具有較大的商業(yè)價值[4-5].太陽能電池特性實驗是面對全校理工科專業(yè)的本科生開設的綜合性實驗,為了培養(yǎng)學生的學習興趣，切實提高學生的科技創(chuàng)新能力，自主設計和制作了基于STM單片機的單體太陽能電池光伏特性智能測試系統(tǒng)，本文闡述了該系統(tǒng)的工作原理與功能. 該測試系統(tǒng)功能齊全，操作靈活，能夠滿足不同專業(yè)學生的教學要求，顯著提高了實驗教學效果.

1 測試系統(tǒng)的硬件設計

測試系統(tǒng)如圖1所示，主要由光源、照明電路、太陽能電池、主控單元、工作電路、上位機、A/D轉換器構成. 照明光源采用60 W的白熾燈，太陽能電池采用單晶、多晶硅材料. 主控單元為STM32單片機，A/D轉換器為MAX1416，上位機包括PC機、Visible Basic語言編寫的可視化界面和RS-232串口. STM32單片機控制照明電路和測量電路，接收上位機發(fā)送的指令和A/D轉換器發(fā)送的太陽能電池板兩端的輸出電壓和輸出電流的數(shù)字信號[6-7]. 工作電路模塊由學生自主開發(fā)設計和制作，具有2路數(shù)字量采集通道和5 V的直流電壓輸出等功能[8-9]，與主控單元構成主從式結構，如圖2所示. 工作電路中IN2測量太陽能電池兩端的電壓，IN1測量電阻R1或R2兩端的電壓. 當S1置于3，S2置于3，S3置于3或1時，構成太陽能電池明狀態(tài)的測試電路，R1是電流取樣電阻，太陽能電池通過2個粗細電位器R5和R6實現(xiàn)輸出電流的細致調節(jié). 當S1置于1，S2置于1時，構成太陽能電池暗狀態(tài)的測試電路，R2是電流取樣電阻，R3和R4用來改變直流5 V的輸出電壓. 照明電路由3個電阻和3個繼電器構成，能在電路中構成6種不同阻值，從而達到光照強度的6擋可調. 上位機主要作用是提供人機操作界面，利用VB語言在PC機上開發(fā)友好的可視化的界面，通過RS-232串口將數(shù)字量輸入給PC機，實現(xiàn)參量設置、數(shù)據(jù)采集、圖形繪制、結果顯示等功能.

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

圖2 工作電路模塊示意圖

2 系統(tǒng)功能與實驗結果示例

短路電流ISC、開路電壓VOC、最大輸出功率Pm和填充因子Ff是描述太陽能電池特性的基本技術參量，太陽能電池特性研究的實驗都是圍繞這些量的測量展開的. 實驗中，如圖2將太陽能電池接入工作電路，開通60 W白熾燈，調整好太陽能電池板和光源的角度和距離. 啟動基于VB編制的測量與分析系統(tǒng)軟件，進行參量設置(選擇通信端口、明暗狀態(tài)、光照強度、加載電壓/負載電阻)，點擊自動采集. 數(shù)據(jù)采集結束，選擇圖形模式,測試系統(tǒng)將自動生成太陽能電池明暗狀態(tài)的伏安特性曲線、負載電阻與輸出功率曲線、光強比與開路電壓、光強比與短路電流、短路電流與開路電壓關系曲線. 當讀取曲線上某一點數(shù)據(jù)時，移動鼠標點擊曲線上的點，會顯示十字光標線，并在右側“光標讀數(shù)”窗口顯示所選點的橫縱坐標值. 點擊計算按鈕，得到太陽能電池特性基本參量(開路電壓、短路電流、填充因子、最大功率).

(a) 暗狀態(tài)下太陽能電池的伏安特性

(b) 100%光照強度下太陽能電池的伏安特性

(c) 100%光照強度下太陽能電池的負載電阻與 輸出功率的關系曲線

(d) 太陽能電池短路電流與光照強度的關系曲線 圖3 太陽能電池實驗系統(tǒng)操作界面

3 結束語

自主設計和制作的太陽能電池特性智能化測試系統(tǒng)具有結構簡單、性能穩(wěn)定、便于操作和成本低廉等優(yōu)點. 該系統(tǒng)實現(xiàn)了不同條件下太陽能電池特性的動態(tài)測量、圖形繪制、結果顯示和光照強度調節(jié)等功能，進一步拓展了實驗的內容，可以滿足不同專業(yè)本科生的教學要求，提高了實驗教學質量[11]. 此外該系統(tǒng)成本低廉，節(jié)省了購買大量設備和配套軟件的費用，同時降低了系統(tǒng)維護維修費用[12-13]. 通過該實驗，學生對所學理論知識的理解更加透徹，動手能力也得到了提高.

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[責任編輯：任德香]

Intelligent testing system of single solar cell photovoltaic characteristics

ZHOU Xiao-yan, LI Qian, LI Zhen, YANG Xi-feng

(College of Science, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

An intelligent testing system of single solar cell photovoltaic characteristics based on STM micro-controller was designed. The load voltage and load resistance were adjusted using digital potentiometer. STM32 was adopted to improve the performance of data collection and analysis, and the high precision A/D module circuit was MAX1416. This testing system had such functions as dynamic measurement, graphics rendering, result display and light intensity adjustment, etc.

solar cell; photovoltaic properties; STM micro-controller

2016-05-30；修改日期：2016-09-07

中國石油大學(華東)太陽能電池精品實驗項目(No.JS201413)

周小巖(1977-)，女，山東萊州人，中國石油大學(華東)理學院講師，博士，主要從事大學物理實驗教學.

O472.3; TK511

A

1005-4642(2016)12-0005-03

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研計會”論文