光伏組件安裝防護(hù)

李 雷， 李光明， 何永泰，高 可， 曹新飛, 趙恒利,3

(1.楚雄師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 云南 楚雄 675000；2.昆明冶研新材料股份有限公司， 云南 昆明 650031;3.云南師范大學(xué) 太陽能研究所， 教育部可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明 650090)

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用越來越受人們青睞[1-3]，研究表明,2013年全球新增并網(wǎng)光伏裝機(jī)總量為38.17 GW，同比增長22%；2014年新增并網(wǎng)光伏裝機(jī)總量為43.36 GW，同比增長14%[4]。截至2016年底，中國光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量3 454 萬kW，累計(jì)裝機(jī)容量7 742 萬kW,新增和累計(jì)裝機(jī)容量均為全球第一[5]。全球光伏電站的安裝量呈逐年上升趨勢，且在可再生能源中所占比重越來越大。光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用使得光伏組件的安裝和施工也越來越規(guī)范，在光伏發(fā)電站施工規(guī)范(GB 50794-2012)中明確規(guī)定，光伏組件安裝嚴(yán)禁觸摸光伏組件串的金屬帶電部位，因?yàn)榘惭b光伏組件的過程中，兩端電壓會(huì)對(duì)工作人員造成傷害，而且隨著串聯(lián)組件個(gè)數(shù)的增加，光伏組件兩端的電壓會(huì)成倍增加，對(duì)安裝人員的危害也成倍增大，所以，在光伏組件安裝和施工過程中，要嚴(yán)禁觸碰光伏組件金屬端。為了防止光伏組件兩端產(chǎn)生的高壓對(duì)安裝人員產(chǎn)生危害，許多文獻(xiàn)都提到了光伏組件安裝時(shí)，需要對(duì)安裝人員進(jìn)行保護(hù)[6]，然而，在光伏組件安裝過程中，光伏組件兩端的高壓在多大范圍內(nèi)變化，光伏組件背面受光照產(chǎn)生的電壓、電流是否可以忽略，一直以來是模糊的，沒有定量計(jì)算和推導(dǎo)。

文中建立了光伏組件性能輸出特性模型，模型中認(rèn)為,正面光照光伏組件性能輸出最好，而背面光照光伏組件輸出性能最差，可以認(rèn)為在安裝過程中,光伏組件輸出性能在最好值與最差值之間變化，文中使用太陽能模塊分析儀(PROVA)，矩陣模擬光源等設(shè)備實(shí)測了正面光照與背面光照時(shí)光伏組件輸出特性的變化，并與建立的模型進(jìn)行了對(duì)比，以確定模型的精度和光伏組件實(shí)際輸出電壓、電流、功率、發(fā)電量的變化。

1 光伏組件輸出性能的影響參數(shù)分析

光伏組件是利用PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)工作的，其理想模型可用shockley方程表示[7]:

(1)

式中:m----光電轉(zhuǎn)換系數(shù),m2/V；

φ----輻照強(qiáng)度，W/m2；

I0----光伏組件等效二極管PN結(jié)反向飽和電流，A；

q----電子元電荷，1.6×10-19，C；

V----電壓，V；

I----電流，A；

Rs----光伏組件串聯(lián)電阻，Ω；

A----二極管理想因子；

κ----玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23，J/K；

Ns----光伏組件串聯(lián)個(gè)數(shù)；

Rsh----光伏組件并聯(lián)電阻，Ω。

(2)

通過變化式(2)把電流方程變?yōu)殡妷悍匠?

(3)

當(dāng)I=0時(shí)，V對(duì)應(yīng)的電壓為開路電壓，其表示如下:

(4)

式中:Voc----太陽電池組件開路電壓，V。

該式表明，光伏組件電壓與光強(qiáng)呈對(duì)數(shù)關(guān)系，尤其當(dāng)光強(qiáng)較小時(shí)，光伏組件輸出的電壓變化更明顯。

當(dāng)V=0時(shí)，I對(duì)應(yīng)的電流為短路電流，可表示如下:

(5)

式中：Isc----太陽電池組件開路電流，A。

該式表明，光伏組件電流與光強(qiáng)線性關(guān)系。把式(2)乘式(3)可以獲得光伏組件功率表達(dá)式：

(6)

2 實(shí)驗(yàn)過程

光伏組件安裝防護(hù)探索研究的實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)如圖1所示。

通過測試光伏組件電壓、電流、功率、環(huán)境溫度、輻照等來研究光伏組件輸出特性。測試平臺(tái)中用到了兩塊同一批、同一規(guī)格生產(chǎn)的光伏組件，光伏組件技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 光合太陽能公司晶硅電池組件參數(shù)

圖1 自然光照射光伏組件正、背面時(shí)輸出特性測試系統(tǒng)

通過太陽能模塊分析儀(PROVA)收集光伏組件的輸出特性。在太陽能模擬光源下驗(yàn)證光伏組件輸出特性，驗(yàn)證所用光源為東莞綠光新能源科技公司生產(chǎn)的矩陣模擬光源(TMC-PD8)，模擬光源采用8組獨(dú)立的氙燈線光源，組成矩陣式結(jié)構(gòu)。

測試系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)選擇當(dāng)?shù)靥鞖馇缋省L(fēng)速較小、溫度較低的春季測試。測試過程中，太陽輻照度傳感器用于將太陽輻照度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，PROVA用于將太陽組件輸出特性數(shù)據(jù)采集，通過USB接頭直接輸送給電腦終端。為保證測試的準(zhǔn)確性，每10 min取一個(gè)樣，并通過數(shù)據(jù)終端記錄獲得數(shù)據(jù)。

可以認(rèn)為正面光照時(shí)，光伏組件的IV特性最好，背面受光照時(shí)，光伏組件輸出的IV特性最差，光伏組件輸出特性在最大值和最小值之間變化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 自然光照射下正、背面光伏組件IV特性對(duì)比

測試當(dāng)天楚雄市太陽輻照度，整天太陽輻照強(qiáng)度最好的時(shí)段在11:15-15:15，最大值出現(xiàn)在12:45，為985 W/m2。很明顯測試當(dāng)天的太陽輻照良好，可以達(dá)到光伏組件測試條件,測試當(dāng)天楚雄市太陽輻照度如圖3所示。

圖3 測試當(dāng)天楚雄市太陽輻照度

通過整理測試數(shù)據(jù)，并繪制對(duì)比自然光下，正、背面光伏組件電壓、電流的輸出。正、背面光伏組件輸出電壓的對(duì)比如圖4所示。

圖4 正、背兩面受光照時(shí)組件輸出電壓的對(duì)比

在相同太陽輻照、溫度、風(fēng)速條件下，正面光照光伏組件產(chǎn)生電壓在17.94～19.2 V的范圍內(nèi)變化，背面光照光伏組件電壓在10.65～17.36 V的范圍內(nèi)變化，正面光照光伏組件產(chǎn)生電壓明顯高于背面光照光伏組件輸出電壓。在9：45-15：45時(shí)間段內(nèi)，正面的電壓均值為18.33 V，背面的電壓均值為16.25 V，正、背面的電壓變化較小，是因?yàn)楣庹諏?duì)光伏組件電壓的影響要小于對(duì)電流影響。全天內(nèi)正、背面的電壓的比最大值為1.74∶1，最小為1.05∶1。全天電壓變化情況正面電壓波動(dòng)較小，而背面波動(dòng)相對(duì)較大。總體上看，在輻照強(qiáng)度較好的情況下電壓的變化趨勢相似，且背光照射時(shí)，光伏組件輸出電壓不可忽視。

正、背面光伏組件電流的對(duì)比如圖5所示。

圖5 正、背兩面受光照時(shí)組件輸出電流的對(duì)比

很明顯，正面光照時(shí)，光伏組件輸出電流遠(yuǎn)大于背面光照時(shí)光伏組件輸出電流，但就其變化的趨勢可以看出，正、背面的電流趨勢基本一致。全天內(nèi)正、背面的電流的比最大值為42∶1，最小值為34.9∶1。

3.2 自然光照射下正、背面光伏組件功率、發(fā)電量對(duì)比

正、背面光伏組件功率的對(duì)比如圖6所示。

圖6 正、背面光伏組件功率的對(duì)比

從圖6中對(duì)比可知，由于正、背面電壓變化較小，電流呈現(xiàn)先上升，再穩(wěn)定，最后下降的趨勢，所以，光伏組件功率變化趨勢會(huì)受到電流的調(diào)和。也呈現(xiàn)出先上升，中午趨于穩(wěn)定，下午不斷減小的趨勢。在11:15-15:15時(shí)間段內(nèi)，光伏組件輸出功率達(dá)到一天中最佳狀態(tài)。自然光照射下，光伏組件正面功率最大值出現(xiàn)在12:45時(shí)，為77.4 W，背面功率最大值出現(xiàn)在11:15時(shí)，為1.816 W。正背面最大功率之比為42.6∶1。

正、背面光伏組件功率曲線與時(shí)間圍成的面積在數(shù)值上等于光伏組件輸出功率，經(jīng)過計(jì)算,9：45-18：15這段時(shí)間正面光照光伏組件總發(fā)電量為461.017 5 W·h，背面光照光伏組件發(fā)電量為11.086 W·h。正、背面發(fā)電量之比為47.83∶1。

3.3 矩陣模擬光源照射下正、背面光伏組件性能對(duì)比

測試模擬光源下正、背面光伏組件IV特性曲線分別如圖7和圖8所示。

圖7 矩陣模擬光源照射下正面光伏組件IV特性曲線

圖8 矩陣模擬光源照射下背面光伏組件IV特性曲線

在試驗(yàn)室內(nèi)矩陣模擬光源下，對(duì)光伏組件的正、背面的IV特性進(jìn)行了測試和對(duì)比。本次室內(nèi)測試條件的模擬光源輻照強(qiáng)度為800 W/m2，環(huán)境溫度為18 ℃，光源正面垂直照射。

正面光照光伏組件的VMap=19.78 V；IMax=3.282 A；P=64.93 W。背面光照光伏組件的VMap=13.44 V；IMax=92.44 mA；P=1.24 W。正、背面光照光伏組件輸出功率之比為51.61∶1；電壓之比為1.47∶1；電流之比為35.5∶1。

自然光與矩陣模擬光源照射下光伏組件正、背面輸出特性對(duì)比見表2。

表2 自然光與矩陣模擬光源照射下光伏組件正、背面輸出特性對(duì)比

矩陣模擬光照下的光伏組件輸出值位于自然光照射下組件輸出之間、光伏組件輸出特性之間，這也說明了測試的數(shù)據(jù)是可信的。

3.4 模擬與測量分析

使用MATLAB軟件對(duì)建立的功率模型進(jìn)行了對(duì)比和分析，背光照射光伏組件輸出功率理論與實(shí)際測試的對(duì)比曲線如圖9所示。

圖9 光伏組件輸出功率理論與實(shí)際測試的對(duì)比曲線

由圖中可以看出，理論與實(shí)際測試曲線基本一致，說明背面光照光伏組件理論模型建立較為合理。背面光照下光伏組件的理論功率與實(shí)際測試功率都隨著太陽輻照變化出現(xiàn)先增大再減小的變化。但是，理論模型的輸出功率要略高于測量值，是因?yàn)槔碚撃Ｐ椭胁⑽纯紤]光伏組件隨著溫度的增加，輸出功率減小[8 ]。

4 光伏組件端電壓的防護(hù)

表2中電壓最大比值為1.74∶1；電流最大比值為42∶1。當(dāng)人體接觸電壓高于36 V時(shí)會(huì)造成危害。以光伏組件工作電壓為18 V來計(jì)算，當(dāng)n塊組件串聯(lián)使用時(shí)，如果組件上表面被遮擋或者組件背著太陽光連接，由于室外正、背面的電壓的比最大值為1.74∶1，可以計(jì)算得到，當(dāng)組件個(gè)數(shù)為3.48時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高于18 V的危害電壓，所以，在白天安裝光伏組件時(shí)，當(dāng)光伏組件工作電壓為18 V，背光照安裝光伏組件大于4個(gè)，安裝工程師需要做好防電保護(hù)。

5 結(jié) 語

為了探索光伏組件在戶外安裝時(shí)產(chǎn)生的端電壓和輸出特性，文中進(jìn)行了相應(yīng)的理論研究和實(shí)驗(yàn)分析，得到以下結(jié)論：

1)在輻照強(qiáng)度較好的情況下，正、背面電壓的變化趨勢相似，且光伏組件電壓值差距較小。正、背面電流的變化趨勢相近，且光伏組件正面照射電流遠(yuǎn)大于背面照射電流，光伏組件產(chǎn)生的電壓、電流不可忽視，在戶外安裝光伏組件需做好防護(hù)。

2)兩塊光伏組件輸出功率變化趨勢。光伏組件的輸出功率隨著輻照強(qiáng)度的增大而增大，隨著輻照強(qiáng)度的減小而減小，輻照強(qiáng)度直接影響光伏組件發(fā)電功率。光伏組件正面照射最大功率值為77.4 W，背面照射率最大值為1.816 W，正、背面照射光伏組件最大功率之比為42.26∶1。矩陣模擬光源下，正、背面照射光伏組件功率之比為51.61∶1。通過矩陣模擬光源測得數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證實(shí)測數(shù)據(jù)的正確性。

3)實(shí)地測試計(jì)算9：45-18：15時(shí)間段內(nèi)，光伏組件正面照射總發(fā)電量為461.017 5 W·h,背面照射總發(fā)電量為11.086 W·h。正、背面照射光伏組件發(fā)電量之比為47.83∶1。

4)理論模型的建立與實(shí)驗(yàn)測試分析可知，理論模型計(jì)算光伏組件功率與實(shí)測基本一致，說明理論模型建立較為合理，理論模型數(shù)據(jù)高于實(shí)測數(shù)據(jù)是模型建立中未考慮溫度對(duì)光伏組件輸出功率影響導(dǎo)致的。

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