光伏組件表面異物檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制

韋 鈺, 邵 晨

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

0 引 言

光伏發(fā)電作為一種典型的清潔能源發(fā)電形式，裝機(jī)容量增長(zhǎng)迅速。但受諸多因素的影響，光伏發(fā)電的發(fā)電效率較低，因此，如何降低損耗、提高效率一直是光伏研究的熱點(diǎn)所在[1-2]。將此科學(xué)問(wèn)題引入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)設(shè)立一系列項(xiàng)目式教學(xué)單元，探究各因素對(duì)光伏發(fā)電效率的影響。本文針對(duì)組件表面異物覆蓋影響這一環(huán)節(jié)[3-7]，綜合傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并開(kāi)展多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)不同異物覆蓋引起的功率輸出下降問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的組件表面異物檢測(cè)裝置采用美國(guó)德州儀器生產(chǎn)的高性能嵌入式ARM芯片作為主控芯片[8]，硬件電路主要包括ARM系統(tǒng)電路、輻照度檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、功率檢測(cè)模塊、電源模塊、時(shí)鐘模塊等，結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。由于在相同設(shè)備條件與測(cè)量環(huán)境下，異物覆蓋造成的功率輸出主要受入射輻照度、面板溫度的影響，因此通過(guò)光照傳感模塊和溫度傳感模塊采集外界數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)比相同條件下清潔面板和各類異物覆蓋面板的伏安特性、功率特性，通過(guò)特性曲線與功率損耗率分析組件表面的覆蓋狀況[9]。

圖1 平臺(tái)框圖

實(shí)驗(yàn)對(duì)象的光伏組件參數(shù)如下：輸出功率100 W，短路電流5.85 A，額定工作電流5.41 A，開(kāi)路電壓21.5 V，額定工作電壓18.5 V。可調(diào)節(jié)環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、覆灰密度、灰塵類型、覆灰面積等變量，對(duì)光伏組件的短路電流、開(kāi)路電壓、輸出功率、輸出特性參數(shù)及曲線等展開(kāi)測(cè)量，從而得出各因素對(duì)組件輸出效率的影響。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 功率檢測(cè)模塊

通過(guò)測(cè)取組件的輸出電壓和輸出電流，即可得光伏組件的輸出功率，電路如圖2所示。根據(jù)測(cè)試用組件的工作參數(shù)，電壓檢測(cè)選擇HBV05A5霍爾傳感器，額定輸入電流5 mA，當(dāng)輸入電壓0～25 V時(shí)，采樣電阻取值5 kΩ，霍爾元件輸出電壓范圍1.65～2.275 V。電流檢測(cè)選擇HBC05PS3.3霍爾傳感器，測(cè)量范圍-12～12 A，輸出端連接100 Ω采樣電阻，對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)范圍為0.4～2.9 V。兩個(gè)霍爾傳感器電路后端均連接跟隨電路，起隔離緩沖作用；其后再連接鉗位電路，控制輸出信號(hào)幅值。

(a)輸出電壓檢測(cè)電路

(b)輸出電流檢測(cè)電路

2.2 溫度檢測(cè)模塊

溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)基于Pt100溫度傳感器，電路如圖3所示。為提高測(cè)量精度，采用TL431可控精密穩(wěn)壓源產(chǎn)生一個(gè)精確的4 V基準(zhǔn)電壓，后連接由Pt100、R14、R15、R16組成電橋電路，產(chǎn)生一個(gè)幅值較低的電壓信號(hào)Uab，其值可由下式計(jì)算而得：

小信號(hào)Uab經(jīng)過(guò)比例運(yùn)算電路進(jìn)行20倍放大，后經(jīng)跟隨器進(jìn)行緩沖隔離。使得輸入到主控芯片的信號(hào)為一個(gè)穩(wěn)定的0～3 V電壓信號(hào)。其中，R14=R15=2 kΩ，R16=100 Ω。

以上海地區(qū)為例，系統(tǒng)對(duì)溫度的測(cè)量范圍為-20～50 ℃，Pt100對(duì)應(yīng)的電阻值范圍為92.16～119.40 Ω，經(jīng)計(jì)算，Uab范圍為15～36 mV，本模塊最終輸出信號(hào)范圍為0.295～0.714 V，符合主控芯片的輸入要求。

2.3 輻照度檢測(cè)模塊

輻照度檢測(cè)采用數(shù)字式傳感器BH1750FVI，傳感器輸入光強(qiáng)變化范圍1～65535lx，電路如圖4所示。當(dāng)有光線照射傳感器內(nèi)置的光敏二極管時(shí)，二極管將產(chǎn)生飽和反向漏電流，即光電流，且光強(qiáng)越強(qiáng)，電流越大，集成運(yùn)放將光電流轉(zhuǎn)換為光電壓，輸入至ADC 轉(zhuǎn)換器，形成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)I2C接口向外傳輸[8]。VCC與控制信號(hào)通過(guò)10 kΩ上拉電阻相連，提供驅(qū)動(dòng)能力；VCC與GND之間的0.1 μF電容用于去耦濾波。本電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于，為提高通信可靠性，DVI復(fù)位引腳與主控芯片相連，受芯片控制，以此提高對(duì)復(fù)位控制的靈活性。

3 平臺(tái)測(cè)試

3.1 測(cè)量精度

由于功率檢測(cè)模塊中的霍爾元件具有非線性的特性，因此需要對(duì)采集到的直流電壓、電流值進(jìn)行分段式校正。電壓信號(hào)的校正范圍為(DC)0～25 V，電流信號(hào)的校正范圍為(DC)0～5 A；校正用標(biāo)準(zhǔn)儀表分別為精度0.5%的電子式電壓表和精度1.6%的電子式電流表。電路校正完成后，模塊測(cè)得的功率值與精度為2%的功率表相比較，誤差小于1%，數(shù)據(jù)如表1所示。此外，對(duì)溫度檢測(cè)模塊和輻照度檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)校正基于精度4%的電子式照度計(jì)和精度±1.5 ℃的電子式溫度計(jì)進(jìn)行。

表1 功率檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)采集結(jié)果

3.2 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證本平臺(tái)可正確測(cè)量由各類異物造成的輸出功率下降問(wèn)題，對(duì)均勻覆塵、鳥(niǎo)糞堆積、積雪覆蓋、人為覆蓋等幾類異物狀況進(jìn)行了模擬，檢測(cè)其輸出特性，并分析正確性。由于在室外受環(huán)境影響明顯，無(wú)法保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中輻照度、溫度等參數(shù)的恒定，因此實(shí)況模擬實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行。

3.2.1模擬均勻覆灰和鳥(niǎo)糞堆積實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)情況如圖5所示，組件表面均勻覆塵的情況最為多見(jiàn)，不同地區(qū)的灰塵組成各不相同，常見(jiàn)的有石灰石、沙土、工業(yè)揚(yáng)塵，或幾類混合等。本實(shí)驗(yàn)中，采集白石灰撒至組件表面，并搖晃均勻，在光照強(qiáng)度1.59 kA，室溫24.0 ℃的環(huán)境下進(jìn)行I-U和P-U特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)。模擬鳥(niǎo)糞覆蓋情況時(shí)，采集白色黏稠物質(zhì)隨機(jī)涂抹于組件表面，在相同環(huán)境條件下，進(jìn)行I-U和P-U特性的測(cè)量。

由圖6可見(jiàn)，與清潔面板的輸出特性相比，均勻覆灰面板的短路電流降低了9.0%，開(kāi)路電壓降低了1.6%，功率峰值損失率為6.8%；有鳥(niǎo)糞堆積時(shí)的短路電流降低了5.0%，開(kāi)路電壓降低了4.4%，功率峰值損失率為6.7%。兩種情況的最大功率損耗相近，但最大功率出現(xiàn)的電壓值不同，一個(gè)出現(xiàn)在15.31 V，一個(gè)出現(xiàn)在17.28 V，且均勻覆灰時(shí)的功率曲線整體下降得更為明顯。灰塵的存在，整體使得光伏組件玻璃蓋板的透射性減弱，被光伏電池接收的光強(qiáng)減弱，光電效應(yīng)減弱，降低了發(fā)電量，測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)[9]中的仿真研究與文獻(xiàn)[10]中的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果一致。

圖5 實(shí)驗(yàn)一模擬的實(shí)際情況

(a) I-U特性

(b) P-U特性

3.2.2模擬積雪覆蓋或人為覆蓋實(shí)驗(yàn)

積雪和人為覆蓋(見(jiàn)圖7)有相同的特點(diǎn)，即大面積的覆蓋組件的某一部分，實(shí)驗(yàn)中采用遮擋物覆蓋測(cè)量組件的表面，5組實(shí)驗(yàn)分別對(duì)無(wú)覆蓋、A區(qū)覆蓋、AB區(qū)覆蓋、ABC區(qū)覆蓋和AD區(qū)覆蓋的組件進(jìn)行I-U和P-U特性測(cè)量，測(cè)量時(shí)的光照強(qiáng)度保持為3.51 klx，室溫保持24.3 ℃。組件覆蓋區(qū)域標(biāo)識(shí)如圖8所示，測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

由圖9可見(jiàn)，相比較無(wú)異物覆蓋的面板，各種覆蓋情況時(shí)的輸出功率都有明顯的下降。A區(qū)、AB區(qū)、ABC區(qū)分別被覆蓋時(shí)的特性曲線較為相近，當(dāng)外接負(fù)載電阻小于16 Ω時(shí)，輸出特性相較于無(wú)覆蓋的面板無(wú)明顯變化；當(dāng)外接電阻大于16 Ω后，輸出特性變化明顯，在輸出電壓8～15 V區(qū)間內(nèi)，輸出電流下降68.4%～70%，輸出功率則先下降71.4%，再緩慢上升，但較相同輸出電壓區(qū)間的無(wú)覆蓋面板，功率峰值損失率為67.1%。

圖7 實(shí)驗(yàn)2模擬的實(shí)際情況

圖8 實(shí)驗(yàn)中的組件覆蓋區(qū)域標(biāo)識(shí)

(a) I-U特性

(b) P-U特性

該曲線符合文獻(xiàn)[11-12]對(duì)該種情況的輸出模型理論分析，由于外接負(fù)載影響輸出電流的大小，根據(jù)不同電池片間旁路二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，組件的電流特性和功率方程均由分段函數(shù)表示。此時(shí)，根據(jù)dP/dI=0尋找最大功率點(diǎn)時(shí)，傳統(tǒng)的功率輸出單峰性失效，有幾個(gè)電池片被遮擋，功率特性曲線就會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)峰值。根據(jù)內(nèi)部電池片排列情況，只對(duì)縱向邊沿覆蓋和對(duì)AD區(qū)橫向覆蓋時(shí)影響的電池片數(shù)目不同，因此曲線“Covering D”呈現(xiàn)出與其他曲線不同的特性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種光伏組件的表面異物檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括輻照度檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、功率檢測(cè)模塊、ARM系統(tǒng)模塊等。實(shí)驗(yàn)表明，該平臺(tái)具有較高的測(cè)量精度和較強(qiáng)的實(shí)用性，可用于研究異物覆蓋對(duì)組件輸出效率影響的研究，為相關(guān)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的開(kāi)展提供良好平臺(tái)。