摘要：在光伏发电系统中，光照强度和环境温度在很大程度上影响着光伏电池的输出特性，使其特性呈现出非线性特征，在充分研究光伏电池的重要参数即填充因子FF的波动规律后。提出一种基于单片机的光伏电池输出特性检测器的设计方法。以单片机为基础来设计用于采集光伏电池的开路电压和短路电流的数据采集板，利用检测装置的各个串口将数据采集板采集到的各项参数传送到PC机进行计算，利用上位机管理软件对检测后输入到ACCESS数据库中的数据进行分析。系统实际测试表明，该检测器可行，并具有通道扩展方便、工作可靠等优点，记录的数据可为光伏电池的性能分析及故障检测提供基础数据。
关键词：单片机；光伏电池；监测；填充因子FF
0 引言
光伏电池是应用十分广泛的一种电池，现在中国已经超越欧洲、日本成为世界太阳能电池生产第一大国［1］。光伏电池是太阳能发电系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到太阳能发电系统的性能［2，3］。在实际运用中，由于太阳能光辐射强度时强时弱以及光伏电池非线性特征，设计一种检测光伏电池性能的装置是十分必要的。本文提出了一种基于单片机的光伏电池检测装置，测定光伏电池的填充因子，并且利用光照强度和温度变化的特性曲线，对光伏电池的特性进行有效检测。对光伏电池进行实际检测，结果表明，该设置能够对光伏电池的最大功率点进行跟踪，能有效检测光伏电池的性能，使发电系统的性能实现最优。
1 光伏电池填充因子参数的计算
在对光伏电池的性能进行评定时，填充因子（FF）是一个重要的评定参数，它等于输出功率除于开路电压和短路电流之积，对该参数的测试，可以很好地进行电池性能参数的表现［4-7］。下面将阐述如何得出这几个参数。图1是光伏电池的电路原理图：
图1 单个光伏电池单元等效电路
Fig.1 Single photovoltaic cells equivalent circuit
通过光伏电池等效电路，进行计算分析，得到如下式（1）的单元电路特性方程式：
上式中，Isc是经由二极管的短路电流；Id表示二极管内的电流；Ish是太阳能光伏电池的漏电流，Iarray用于对光伏电池输出电流进行描述。
在理想的情况下，二极管光伏电池的IV特性可以如下式所示。
上式中，Varray用于表示光伏电池输出电压；Rsh用于光伏电池内部并联电阻的描述；Tc代表光伏电池内部绝对温度；Rs代表光伏电池内部串联电阻；Ido用于对二极管饱和电流进行描述；n是多个电池串联系数，q是常数，为1.602*10-19C；A通常为1.0～3.0用于描述二极管系数；k=1.38058*10-23J，是玻尔兹曼常数。
利用了Matlab软件分析了光伏电池内部并联电阻和串联电阻对其输出电压的影响。并联电阻Rsh与输出电压的关系如图2所示
图2 并联电阻Rsh与输出电压的关系
Fig.2 Parallel resistance and the relationship between the output voltage
图2显示了标准日照强度和标准温度环境中（T= 25OC，ϕ=1000 1x）Voc=21.6V，Isc=2.5A，Rs=0.2Ω，Rsh从200Ω增加到无穷大时与输出电压的关系。
串联电阻Rs与输出电压的关系如图3所示，图3显示了当Rsh=2000Ω时，Rs从0.0增加到2.0Ω时与输出电压的关系。
图3 串联电阻Rs与输出电压的关系
Fig.3 Series resistance and the relationship between the output voltage
由上可以得出输出电压与Rsh成正比，当Rsh超过1000Ω后，输出电压基本不受其影响。而输出电压与电阻Rs成反比。当Rs低于0.1Ω时，输出电压基本不受其影响。因此，在相同环境条件下，设定Rsh〉1000Ω，Rs＜0.1Ω，得到：
因为Parray=Iarray*Varray，进而可以得出光伏电池在工作中的最大输出功率。
从参数关系可以得知，（4）式为非线性的超越指数方程，而要想对光伏电池进行系统分析，光伏电池的IV特性是十分重要的，因此，必须对光伏电池建立合理并且准确的物理模型。式（1）和（2）中k、A、a、b、ϕo、ht、Tco均为常数，Voc、n、Rs、Rsh和Isco为光伏电池出厂参数，此外，光照强度ϕ和环境温度T受着外界环境的影响。得出了填出因子的相关参数，便可以通过上位机软件来对填充因子进行计算：
FF=Parray/（Isc*Voc）（5）
2 基于单机片的光伏电池检测系统的硬件设计
2.1 总体构成
图4 检测系统总体构成图
Fig.4 Test system general structure diagram
检测系统总体构成如图4所示，该检测系统由两部分组成，一部分是以MCU为基础的数据采集板，另一部分是以PC机为基础的上位机管理软件。系统包括：电源模块、LCD显示模块、MCU模块、A/D电压、电流采集模块、串行通信模块、温度采集模块、监测系统上位机管理软件等组成。
结果显示,在干预结束后,试验组患者的护理满意度得分高于对照组,且差异具有统计学意义(P<0.05),说明心理护理可以提高高血压性心脏病患者的护理满意度,详细情况见表2。
本文所研究的检测装置采用了CHV25P/100型霍尔电压传感器，该型号传感器的精度为1%，线性度为0.1%，用于测量光伏电池输出电压并直接传送到A/D采样电路进行转换。采用OP07来构成电压信号调节电路以提高测量的准确性。
3 仿真实验与结果分析
根据本文所研究的检测系统设计，编写了MAT⁃LAB环境下的检测仿真模型，针对一组光伏电池，标准条件下，内部串联电阻Rs=0.26Ω，内部并联电阻Rsh=270Ω，二极管系数A=1.29，开路电压Voc=23.8 V，短路电流Isc=2.0 A。进行上述条件下的两组实验，分别在不同的光照和温度下进行，仿真结果与利用本文所研究的检测装置进行检测的结果进行对比，如表1、表2所示，
表1 温度不变（200C）光照强度变化条件下的光伏电池特性检测对比
Table 1 Constant temperature（20℃）light intensity change under the condition of photovoltaic battery test contrast
表中VOPT表示最佳电压，IOPT用于描述最佳电流，Voc表示开路电压，POPT代表输出最大功率，Isc表示短路电流，由表1和表2可知，实际检测数据与仿真结果吻合，由此可以得出本文所设计的基于单机片的光伏电池检测装置，可以实现自身的整体功能，实现光伏电池的最有效应用。
表2 光照强度一定（1000lx）时温度变化条件下的光伏电池特性检测对比
Table 2 Light intensity a certain（1000 lx）photovoltaic cell characteristics of temperature change under the condition of test
4 结论
本文设计了一种基于单机片的光伏电池检测装置，采用单片机AT89C51芯片来设计MCU，采用LM2576HV-5.0电源芯片为检测系统供电，采用DAL⁃LAS公司的DS18B20对温度进行采集。根据对光伏电池的检测，可以得出，该装置运行平稳，精确度高，并具有高效的实际应用价值，上位机所分析的数据可为进一步分析光伏电池的性能和故障检测提供数据基础。
