赖其涛,王元月

(1.绍兴职业技术学院 信息工程学院，浙江 绍兴 312000； 2.绍兴职业技术学院 机电工程学院，浙江 绍兴 312000)

光伏组件测试仪的光辐照度不均匀性检验系统的研究和设计

赖其涛1,王元月2

(1.绍兴职业技术学院 信息工程学院，浙江 绍兴 312000； 2.绍兴职业技术学院 机电工程学院，浙江 绍兴 312000)

通过对传统光伏组件测试设备检验方式的分析，提出了一种一次闪光就能够完成对测试仪工作平面辐照不均匀性测试的方法，在设计中充分使用了国际知名公司新生产的元器件，设计了信号调理电路和数据采集电路，电路设计简单，成本低廉易于实现，采集精度符合设计要求；并编写了上位机的测试程序，对辐照不均匀性测试进行了验证，结果表明测试工艺简单，数据可靠，生产效率高。

组件测试仪；不均匀性；辐照度

0 引言

光伏组件测试仪主要用来测试光伏器件(包括光伏电池片，光伏电池组件等)的电性能，如Pmax、Imax、Vmax、Isc、Voc、FF、Eff、Rs、Rsh以及I-V曲线等。这些参数不仅能够从一定的程度上反应出电池的性能，也关系到电池最后出厂的等级和价格[1-3]。由于光伏电池组件是由很多单体光伏电池片串联组成，存在木桶效应，当某单体电池片的光强比较弱的时候，此单体电池片的输出电流就小，整个光伏电池组件的电流以电池组件中单体电池片最小的电流输出。那么作为对光伏组件产品参数进行测定的测试仪，如果光均匀性不好，就会人为的导致测试参数的偏差，直接体现在输出功率的偏差。因此，一台可靠的光伏组件测试仪，不仅对生产工艺有参考意义，更关系到产品的品质和制造厂商的利润和信誉[3]。

IEC 60904-9标准对用于地面光伏电池测试的太阳模拟器也给出了相应的要求,并就等级划分,评定方式和计算方法均给出了详细的说明，期中对于辐照均匀的描述如下：

在测试平面上,指定测试区域内的辐照度应该达到一定的均匀度,辐照度用合适的探测器量测.等级A的辐照不均匀度小于等于±2%,等级B的辐照不均匀度小于等于±5%,等级C的辐照不均匀度小于等于±10%，用于辐照均匀性测试的探测器尺寸应该是以下两个中较小的 的一个[4]：

1)有效辐照面积的1/64 ；

2)400 cm2。

不均匀度=±((最大幅照度-最小辐照度)/(最大幅照度+最小辐照度))*100% 。其中,最大辐照度和最小辐照度是指在指定范围内探测器在任意指定点的测量值. 探测器可用尺寸合适的参考电池替代,并用参考电池的短路电流Isc作为参考数据,并以此衡量辐照度的强弱。

1 当前辐照度不均匀性测试存在的问题

用在光伏组件测试仪上的太阳能模拟器一般有两种，一种为稳态太阳模拟器，一种为脉冲式太阳模拟器，表1为两种模拟器的优缺点对照表。

由于稳态太阳模拟器的功耗大，热效应明显，所以在测试一段时间以后会导致测试环境的温度上升，和组件本身的温度上升，而IEC 60904-9标准规定了测试环境和组件的温度必须是25℃下进行测试[5]。由于稳态太阳模拟器无法解决热效应问题，所以在目前光伏组件产业中很少使用了。因此，现在光伏组件厂大部分都使用脉冲模拟器，此类模拟器脉冲平顶宽度一般在10～100 ms可调，瞬时发出的辐照度可达1 000 W/M2,符合标准测试条件。但是脉冲型模拟器，由于闪光的时间很短，按标准要求采用400 cm2以下的探测器，无法在一次闪光完成整个1.1 m*2.2 m平面的辐照度数据采集。因此目前脉冲式模拟器基本上是采用多次测辐照度然后计算辐照不均匀性，但是这样检测是在假设光源每次发光强度相同的前提下进行的。然而实际情况并非如此，氙灯发光强度受电容充电电压和氙灯当时的状态影响，很难做到每次辐照度都相同，所以采用多次闪光检测设备的辐照不均性，存在很大的误差。一般在生产实践上，采用多次闪光测试设备辐照不均匀性小于等于±3%就认为是A级模拟器。为了解决这个问题，本文设计了一种基于ARM的一次闪光采集数据，检测设备的辐照不均匀性。

2 辐照度检测传感器阵列的设计

目前，国际上最大的光伏组件一般不超过1 000 mm*2 000 mm,所以光伏组件测试仪的工作平面一般都设计成1 100 mm*2 200 mm，并且单个探测器的面积不大于工作平面的1/64，也就是说单个探测器的面积不大于37 812.5mm2。为了制作简单，材料易于购买，传感器选用市面上常用的125*125单体电池片，其面积为15 625 mm2符合标准要求。在测试时候要保证各单体传感器在同一测试平面，并且便于搬运和测量，我们用光伏组件的生产工艺，在一个光伏组件成品板中，封装了30个单体电池片，这些电池片互相独立，正负极从背板分别引出，外观和普通光伏组件一致，这个在光伏组件厂很容易制作，测试器阵列布置如图1所示。

图1 传感器阵列放置示意图

3 数据采集系统的设计

3.1 前置信号调理电路的设计

由于辐照度和光伏电池的短路电流成正比，根据光伏电池组件的特性只要负载的电阻小于单体光伏电池片的内阻，光强和短路电流是成正比的。在实际测量中主要是检测设备的辐照度不均匀性，传感器的线性度对最后的结果基本没有影响，在本项目中负载选用10 mΩ，单体电池片短路电流一般是6～8 A，测试系统留20%左右的余量，所以负载上最大的电压约为100 mv。由于AD的REF+(参考电压)设计电压为2.5 V，所以100 mV电压无法直接送入AD,需要一个放大25倍的前置放大器，并且也可以和AD系统进行阻抗匹配提高采样的精度，前置信号调理电路设计如图2所示。

图2 前置信号调理电路

前置信号调理电路的前级采用TI公司专用于电流传感器的运算放大器INA139,后级接一个由OPA340电压跟随器。根据TI公司INA139的技术资料，输出电压Vout为:Vout=Is*Rs*RL,期中Is为流过Rs的电流。

3.2 数据采集电路设计

数据采集系统采用基于ARM 32 Cortex-M4内核的CPU STM32F373VCT6的数据采集系统，STM32F373VCT6是LQFP100封装，内置3个16位ADC，每个ADC拥有16个通道，每个通道ADC转换最快要1 μs，由于有些通道是2个ADC共用的，所以能够同时采集21个通道的数据。本系统一次闪光要采集30个传感器器的数据，所以需要两片CPU，在本项目里两片都采用ADC1,然后通过同步脉冲进行触发采集。由于测试仪每个闪光的测试平顶都能够维持至少10 ms，而AD转换每通道的采集转换时间最快为1 μs，也就是16个通道全部采集完只需要16 μs时间，对于毫秒量级的信号，转换时间的误差基本上是可以忽略不计的。为了提供在数据采集系统板中我们还设计了一个通信串口和上位机的通信，进行测试数据的上传。数据采集电路设计如图3所示。

图3 数据采集电路顶层图

3.3 数据采集程序流程

图4是数据采集流程图，系统采用台式电脑作为控制端和数据接收端，计算机(采用宇泰UT-794I工业级PCI-E转485/422多串口卡)和数据采集电路采用RS485接口进行通信，为了保证通信可靠性，两端通信接口都使用了光隔离措施。系统软件采用VS2010平台的VC++编程实现，编写了光强动态波形显示界面、不均匀性测试统计显示界面、串口通信控制组件。系统启动以后，由上位机软件发指令给采集系统进行初始化，初始化完成后，循环检测Vout0的光强传感器信号，一直到这个光强传感器检测到平顶(连续5个数据偏差不超过1%)以后，由主设备发出同步采集信号给从采集设备开始数据采集，同时自己也进行规则序列通道采集。主设备进行16通道的采集，从设备进行14通道的采集，每个通道各进行规则序列采集15个数据，放置在ARM的片内flash存储器。采集完成后通过RS485接口发送给上位机，进行数据滤波、处理、显示等工作。

4 上位机软件及测试

此软件用于检测光伏组件测试仪设备的辐照不均匀性。图5是光辐照度不均均匀性测试界面，这个界面由光辐照度测试区域、色板、测试基准电压、各传感器真实数据显示4个模块组成。光辐照度测试区域，直观的显示哪些区域不符合标准，并且是落在那个区域内如图6所示，各传感器真实数据区，这个区域显示和存储传感器不经过处理的原始数据，便于查看和研究。

根据背景填充颜色，检验人员非常容易就可以判断测试平面哪些区域存在问题，可以非常快速地调整设备的参数，使设备正常工作。

5 结论

该设计通过多个传感器在一个闪光周期内对测试仪的测试平台进行光不均匀性测试，解决了当前生产当中测试费时、费力的检验方式，在一定程度上提高了生产效率。并且在设计中重视基准电压源的设计，和采集电路的PCB布局，设计中采用了16位的AD，对满量程10A的电流，非常容易做到千分之一的精度，满足辐照不均匀性检测的要求。

图5 光辐照度不均匀性检测界面

图6 光辐照度不均匀性统计

[1] 王立功,姚元鑫,高 鹏,等.太阳模拟器辐照度修正方法的研究[J].电源技术，2015, 39(7):1421-1423.

[2] 陈建功.太阳模拟器辐照度不均匀度分析及其检测方法研究[J].质量技术监督研究, 2013(6):2-6.

[3] 杨爱军.两种太阳光模拟器辐照度不均匀度校准装置的溯源及分析[J].计量与测试技术,2015(5):19-20.

[4] 冯云峰,刘 皎,李 翔,等.大辐照面积超A级太阳能模拟器的设计与实现[J].太阳能，2015(7):28-30.

[5] 杜景龙,唐大伟,李 铁. 5 kW聚光型太阳模拟器加热特性的实验研究[J].太阳能学报，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。

浙江省教育厅科研项目(Y201534919)。

赖其涛(1977-)，男，浙江三门县人，硕士，讲师，主要从事嵌入式系统方向的研究。

1671-4598(2017)04-0025-03

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

TP23

A