光伏組件測試儀的光輻照度不均勻性檢驗系統的研究和設計

賴其濤,王元月

(1.紹興職業技術學院 信息工程學院，浙江 紹興 312000； 2.紹興職業技術學院 機電工程學院，浙江 紹興 312000)

光伏組件測試儀的光輻照度不均勻性檢驗系統的研究和設計

賴其濤1,王元月2

(1.紹興職業技術學院 信息工程學院，浙江 紹興 312000； 2.紹興職業技術學院 機電工程學院，浙江 紹興 312000)

通過對傳統光伏組件測試設備檢驗方式的分析，提出了一種一次閃光就能夠完成對測試儀工作平面輻照不均勻性測試的方法，在設計中充分使用了國際知名公司新生產的元器件，設計了信號調理電路和數據采集電路，電路設計簡單，成本低廉易于實現，采集精度符合設計要求；并編寫了上位機的測試程序，對輻照不均勻性測試進行了驗證，結果表明測試工藝簡單，數據可靠，生產效率高。

組件測試儀；不均勻性；輻照度

0 引言

光伏組件測試儀主要用來測試光伏器件(包括光伏電池片，光伏電池組件等)的電性能，如Pmax、Imax、Vmax、Isc、Voc、FF、Eff、Rs、Rsh以及I-V曲線等。這些參數不僅能夠從一定的程度上反應出電池的性能，也關系到電池最后出廠的等級和價格[1-3]。由于光伏電池組件是由很多單體光伏電池片串聯組成，存在木桶效應，當某單體電池片的光強比較弱的時候，此單體電池片的輸出電流就小，整個光伏電池組件的電流以電池組件中單體電池片最小的電流輸出。那么作為對光伏組件產品參數進行測定的測試儀，如果光均勻性不好，就會人為的導致測試參數的偏差，直接體現在輸出功率的偏差。因此，一臺可靠的光伏組件測試儀，不僅對生產工藝有參考意義，更關系到產品的品質和制造廠商的利潤和信譽[3]。

IEC 60904-9標準對用于地面光伏電池測試的太陽模擬器也給出了相應的要求,并就等級劃分,評定方式和計算方法均給出了詳細的說明，期中對于輻照均勻的描述如下：

在測試平面上,指定測試區域內的輻照度應該達到一定的均勻度,輻照度用合適的探測器量測.等級A的輻照不均勻度小于等于±2%,等級B的輻照不均勻度小于等于±5%,等級C的輻照不均勻度小于等于±10%，用于輻照均勻性測試的探測器尺寸應該是以下兩個中較小的 的一個[4]：

1)有效輻照面積的1/64 ；

2)400 cm2。

不均勻度=±((最大幅照度-最小輻照度)/(最大幅照度+最小輻照度))*100% 。其中,最大輻照度和最小輻照度是指在指定范圍內探測器在任意指定點的測量值. 探測器可用尺寸合適的參考電池替代,并用參考電池的短路電流Isc作為參考數據,并以此衡量輻照度的強弱。

1 當前輻照度不均勻性測試存在的問題

用在光伏組件測試儀上的太陽能模擬器一般有兩種，一種為穩態太陽模擬器，一種為脈沖式太陽模擬器，表1為兩種模擬器的優缺點對照表。

由于穩態太陽模擬器的功耗大，熱效應明顯，所以在測試一段時間以后會導致測試環境的溫度上升，和組件本身的溫度上升，而IEC 60904-9標準規定了測試環境和組件的溫度必須是25℃下進行測試[5]。由于穩態太陽模擬器無法解決熱效應問題，所以在目前光伏組件產業中很少使用了。因此，現在光伏組件廠大部分都使用脈沖模擬器，此類模擬器脈沖平頂寬度一般在10～100 ms可調，瞬時發出的輻照度可達1 000 W/M2,符合標準測試條件。但是脈沖型模擬器，由于閃光的時間很短，按標準要求采用400 cm2以下的探測器，無法在一次閃光完成整個1.1 m*2.2 m平面的輻照度數據采集。因此目前脈沖式模擬器基本上是采用多次測輻照度然后計算輻照不均勻性，但是這樣檢測是在假設光源每次發光強度相同的前提下進行的。然而實際情況并非如此，氙燈發光強度受電容充電電壓和氙燈當時的狀態影響，很難做到每次輻照度都相同，所以采用多次閃光檢測設備的輻照不均性，存在很大的誤差。一般在生產實踐上，采用多次閃光測試設備輻照不均勻性小于等于±3%就認為是A級模擬器。為了解決這個問題，本文設計了一種基于ARM的一次閃光采集數據，檢測設備的輻照不均勻性。

2 輻照度檢測傳感器陣列的設計

目前，國際上最大的光伏組件一般不超過1 000 mm*2 000 mm,所以光伏組件測試儀的工作平面一般都設計成1 100 mm*2 200 mm，并且單個探測器的面積不大于工作平面的1/64，也就是說單個探測器的面積不大于37 812.5mm2。為了制作簡單，材料易于購買，傳感器選用市面上常用的125*125單體電池片，其面積為15 625 mm2符合標準要求。在測試時候要保證各單體傳感器在同一測試平面，并且便于搬運和測量，我們用光伏組件的生產工藝，在一個光伏組件成品板中，封裝了30個單體電池片，這些電池片互相獨立，正負極從背板分別引出，外觀和普通光伏組件一致，這個在光伏組件廠很容易制作，測試器陣列布置如圖1所示。

圖1 傳感器陣列放置示意圖

3 數據采集系統的設計

3.1 前置信號調理電路的設計

由于輻照度和光伏電池的短路電流成正比，根據光伏電池組件的特性只要負載的電阻小于單體光伏電池片的內阻，光強和短路電流是成正比的。在實際測量中主要是檢測設備的輻照度不均勻性，傳感器的線性度對最后的結果基本沒有影響，在本項目中負載選用10 mΩ，單體電池片短路電流一般是6～8 A，測試系統留20%左右的余量，所以負載上最大的電壓約為100 mv。由于AD的REF+(參考電壓)設計電壓為2.5 V，所以100 mV電壓無法直接送入AD,需要一個放大25倍的前置放大器，并且也可以和AD系統進行阻抗匹配提高采樣的精度，前置信號調理電路設計如圖2所示。

圖2 前置信號調理電路

前置信號調理電路的前級采用TI公司專用于電流傳感器的運算放大器INA139,后級接一個由OPA340電壓跟隨器。根據TI公司INA139的技術資料，輸出電壓Vout為:Vout=Is*Rs*RL,期中Is為流過Rs的電流。

3.2 數據采集電路設計

數據采集系統采用基于ARM 32 Cortex-M4內核的CPU STM32F373VCT6的數據采集系統，STM32F373VCT6是LQFP100封裝，內置3個16位ADC，每個ADC擁有16個通道，每個通道ADC轉換最快要1 μs，由于有些通道是2個ADC共用的，所以能夠同時采集21個通道的數據。本系統一次閃光要采集30個傳感器器的數據，所以需要兩片CPU，在本項目里兩片都采用ADC1,然后通過同步脈沖進行觸發采集。由于測試儀每個閃光的測試平頂都能夠維持至少10 ms，而AD轉換每通道的采集轉換時間最快為1 μs，也就是16個通道全部采集完只需要16 μs時間，對于毫秒量級的信號，轉換時間的誤差基本上是可以忽略不計的。為了提供在數據采集系統板中我們還設計了一個通信串口和上位機的通信，進行測試數據的上傳。數據采集電路設計如圖3所示。

圖3 數據采集電路頂層圖

3.3 數據采集程序流程

圖4是數據采集流程圖，系統采用臺式電腦作為控制端和數據接收端，計算機(采用宇泰UT-794I工業級PCI-E轉485/422多串口卡)和數據采集電路采用RS485接口進行通信，為了保證通信可靠性，兩端通信接口都使用了光隔離措施。系統軟件采用VS2010平臺的VC++編程實現，編寫了光強動態波形顯示界面、不均勻性測試統計顯示界面、串口通信控制組件。系統啟動以后，由上位機軟件發指令給采集系統進行初始化，初始化完成后，循環檢測Vout0的光強傳感器信號，一直到這個光強傳感器檢測到平頂(連續5個數據偏差不超過1%)以后，由主設備發出同步采集信號給從采集設備開始數據采集，同時自己也進行規則序列通道采集。主設備進行16通道的采集，從設備進行14通道的采集，每個通道各進行規則序列采集15個數據，放置在ARM的片內flash存儲器。采集完成后通過RS485接口發送給上位機，進行數據濾波、處理、顯示等工作。

4 上位機軟件及測試

此軟件用于檢測光伏組件測試儀設備的輻照不均勻性。圖5是光輻照度不均均勻性測試界面，這個界面由光輻照度測試區域、色板、測試基準電壓、各傳感器真實數據顯示4個模塊組成。光輻照度測試區域，直觀的顯示哪些區域不符合標準，并且是落在那個區域內如圖6所示，各傳感器真實數據區，這個區域顯示和存儲傳感器不經過處理的原始數據，便于查看和研究。

根據背景填充顏色，檢驗人員非常容易就可以判斷測試平面哪些區域存在問題，可以非常快速地調整設備的參數，使設備正常工作。

5 結論

該設計通過多個傳感器在一個閃光周期內對測試儀的測試平臺進行光不均勻性測試，解決了當前生產當中測試費時、費力的檢驗方式，在一定程度上提高了生產效率。并且在設計中重視基準電壓源的設計，和采集電路的PCB布局，設計中采用了16位的AD，對滿量程10A的電流，非常容易做到千分之一的精度，滿足輻照不均勻性檢測的要求。

圖5 光輻照度不均勻性檢測界面

圖6 光輻照度不均勻性統計

[1] 王立功,姚元鑫,高 鵬,等.太陽模擬器輻照度修正方法的研究[J].電源技術，2015, 39(7):1421-1423.

[2] 陳建功.太陽模擬器輻照度不均勻度分析及其檢測方法研究[J].質量技術監督研究, 2013(6):2-6.

[3] 楊愛軍.兩種太陽光模擬器輻照度不均勻度校準裝置的溯源及分析[J].計量與測試技術,2015(5):19-20.

[4] 馮云峰,劉 皎,李 翔,等.大輻照面積超A級太陽能模擬器的設計與實現[J].太陽能，2015(7):28-30.

[5] 杜景龍,唐大偉,李 鐵. 5 kW聚光型太陽模擬器加熱特性的實驗研究[J].太陽能學報，2012, 33(4):625-629.

Research and Design of Light Irradiance Tester Photovoltaic Component Inhomogeneity Test System

Lai Qitao1, Wang Yuanyue2

(1.College of Information Engineering, Shaoxing Vocational&Technical College, Shaoxing 312000, China;2.Mechanical&Electrical Engineering College ,Shaoxing Vocational&Technical College, Shaoxing 312000, China)

through the analysis of the traditional PV module test equipment test mode, in this paper a kind of a flash will be able to complete the work of testing method for nonuniform plane irradiation test, make full use of the international well-known company new production of components in the design, the design of the signal conditioning circuit and data acquisition circuit, circuit design simple, low cost and easy to implement, acquisition accuracy meets the design requirements. And the test program of the upper computer is compiled, and the test of irradiation nonuniformity is verified. The results show that the testing process is simple, the data is reliable, and the production efficiency is high.

PV module tester；non uniformity；irradiance

2016-11-11；

2016-11-26。

浙江省教育廳科研項目(Y201534919)。

賴其濤(1977-)，男，浙江三門縣人，碩士，講師，主要從事嵌入式系統方向的研究。

1671-4598(2017)04-0025-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.008

TP23

A