光伏組件室外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中國(guó)科學(xué)院電工研究所光伏檢測(cè)中心 王玉 桑識(shí)宇 劉海濤 翟永輝

一 引言

光伏組件是光伏電站發(fā)電的基本單元，溫度是影響組件輸出功率的最主要因素。因此，如何確定光伏組件正常工作中各組成部分的溫度值，一直受到光伏測(cè)試工程師的關(guān)注。本文描述的室外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了室外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集和篩選。采用的LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)是由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開(kāi)發(fā)的，被行業(yè)內(nèi)視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。該軟件已被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所廣泛接受。

二 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)概述

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括3個(gè)室外實(shí)驗(yàn)——IEC61215:2005，10.8室外暴曬實(shí)驗(yàn)；IEC61215:2005，10.5電池標(biāo)稱工作溫度實(shí)驗(yàn)(NOCT)；IEC61730-2:2004，MST21溫度實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)稱“三合一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”。三合一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)室外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、篩選、報(bào)表自動(dòng)生成等功能。最大實(shí)驗(yàn)?zāi)芰赏瑫r(shí)進(jìn)行6個(gè)室外暴曬實(shí)驗(yàn)、3個(gè)電池標(biāo)稱工作溫度實(shí)驗(yàn)和3個(gè)溫度實(shí)驗(yàn)。

三合一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用總輻射表、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫度傳感器、溫度變送器、調(diào)整電路、NI數(shù)據(jù)采集卡、LabVIEW軟件。采集的數(shù)據(jù)包括:輻照度、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等。采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?zhǔn)確性及同步性，電磁干擾等因素，同時(shí)在設(shè)計(jì)中考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化，預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)接口和通信接口。圖1為三合一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行NOCT實(shí)驗(yàn)。

圖1 三合一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體圖

三 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)充分利用了LabVIEW軟件的強(qiáng)大功能。LabVIEW軟件又稱作虛擬儀器，是一種建立在以PC機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，功能可以由用戶自定義的計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，可以很方便地改變儀器及其設(shè)置，使用虛擬儀器進(jìn)行測(cè)試工作。其利用軟件實(shí)現(xiàn)了硬件內(nèi)容，只需購(gòu)買少量硬件設(shè)備，應(yīng)用靈活，可大大縮短系統(tǒng)研制周期，因此在測(cè)試領(lǐng)域中有很大的發(fā)展空間。

它的方便之處，就是在一個(gè)硬件的情況下，可通過(guò)改變軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同儀器的功能。該三合一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的NI數(shù)據(jù)采集卡，32路模擬輸入，250KS/s的采樣速率，剛好滿足實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步接收。

三合一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由傳感器、變送器、NI采集卡、計(jì)算機(jī)組成，如圖2所示。

三合一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采集的所有數(shù)據(jù)保存在Excel文件中。NI數(shù)據(jù)采集卡共有32個(gè)通道，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中，輻照度值占用1個(gè)通道，環(huán)境溫度值占用1個(gè)通道，NOCT實(shí)驗(yàn)占用6個(gè)通道，溫度實(shí)驗(yàn)占用24個(gè)通道。

有3個(gè)數(shù)據(jù)的采集不占用NI采集卡的通道，分別是時(shí)間、風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)。其中時(shí)間數(shù)據(jù)來(lái)自計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間；風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)備的通訊接口RS232獲得，傳輸數(shù)據(jù)類型為字符型數(shù)據(jù)。圖3為數(shù)據(jù)采集界面。

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)部分考慮到3個(gè)實(shí)驗(yàn)共用數(shù)據(jù)的情況，故3個(gè)室外實(shí)驗(yàn)共用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)采集的數(shù)據(jù)包括3個(gè)室外實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)處理時(shí)需要的全部數(shù)據(jù)內(nèi)容，包括風(fēng)向、風(fēng)速、輻照度、環(huán)境溫度、NOCT溫度和溫度實(shí)驗(yàn)的溫度數(shù)據(jù)。

1 室外暴曬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

圖3 數(shù)據(jù)采集界面

室外暴曬實(shí)驗(yàn)的目的為初步評(píng)價(jià)組件經(jīng)受室外條件曝曬的能力，并可使在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中可能測(cè)不出來(lái)的綜合衰減效應(yīng)揭示出來(lái)。

室外曝曬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，只需要數(shù)據(jù)庫(kù)采集中的輻照度一列數(shù)據(jù)。對(duì)一天的輻照量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出一天輻照量值，保存記錄。依次保存多天的數(shù)據(jù)記錄，累計(jì)輻照量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求即可停止實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成到原始記錄報(bào)表中，即可以打印實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 電池標(biāo)稱工作溫度實(shí)驗(yàn)(NOCT)的設(shè)計(jì)及采集數(shù)據(jù)分析

對(duì)于地面用晶體硅光伏組件，作為設(shè)計(jì)鑒定和定型標(biāo)準(zhǔn)(IEC61215:2005)中最為重要的室外實(shí)驗(yàn)之一，電池標(biāo)稱工作溫度實(shí)驗(yàn)涉及氣象條件判斷和有效數(shù)據(jù)的篩選條件較多。NOCT實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和有效數(shù)據(jù)的篩選十分必要。

數(shù)據(jù)篩選部分算法設(shè)計(jì)思路，按照標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)室外實(shí)驗(yàn)氣象條件的要求，總結(jié)出8個(gè)判定條件，包括風(fēng)速、風(fēng)向、總輻照度、環(huán)境溫度、測(cè)試時(shí)間、有效數(shù)據(jù)的數(shù)量、疾風(fēng)條件和10min內(nèi)輻照度變化超過(guò)10%時(shí)對(duì)有效數(shù)據(jù)的判斷。

以上8個(gè)條件，作為計(jì)算機(jī)篩選有效數(shù)據(jù)的判斷條件。每經(jīng)過(guò)一個(gè)條件，有一批不符合條件的數(shù)據(jù)將從數(shù)據(jù)庫(kù)中被刪除，通過(guò)所有篩選條件剩下來(lái)的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。篩選結(jié)束的同時(shí)，進(jìn)入到數(shù)據(jù)的處理部分，對(duì)通過(guò)所有篩選條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。擬合的依據(jù)按照最小二乘法，推算出在800W/m2條件下的溫度值，即為當(dāng)天測(cè)試結(jié)果。三天的有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即可得出標(biāo)稱工作溫度實(shí)驗(yàn)的NOCT值。

三合一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在通過(guò)設(shè)備計(jì)量和軟件定型后，在試運(yùn)行期間完成了多次室外實(shí)驗(yàn)。圖4為從多天測(cè)試數(shù)據(jù)中選出的一天具有代表性的采集數(shù)據(jù)，反映了NOCT實(shí)驗(yàn)中采集數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。圖4和圖5數(shù)據(jù)分析圖為2010年9月在北京使用三合一實(shí)驗(yàn)設(shè)備采集的一天數(shù)據(jù)，截取輻照度數(shù)據(jù)在400 W/m2到1000 W/m2之間關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中使用的測(cè)試組件類型為180W單晶硅組件，放置在距地面1m，與水平面的傾角45?的樣品臺(tái)架上。NOCT溫度探頭位置在組件中心的電池片背板處，用溫升膠粘貼。

圖5 輻照度與環(huán)境溫度的關(guān)系

圖4和圖5分別反映了輻照度與中心電池片背板溫度的變化情況和輻照度與環(huán)境溫度的變化情況。從兩個(gè)圖的總體趨勢(shì)看出，輻照度在400W/m2至1000 W/m2區(qū)間，兩個(gè)溫度曲線均呈線性遞增關(guān)系。圖5與圖4相比，中心電池片背板溫度值隨著輻照度的增高，遞增趨勢(shì)更加明顯。

3 溫度實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

該實(shí)驗(yàn)是IEC61730中MST21實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，屬于防火類實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注于組件在工作中，開(kāi)路和短路情況下的各個(gè)零部件的溫度是否超過(guò)材料的極限溫度，防止各個(gè)部件材料溫度達(dá)到極限溫度而引起火災(zāi)。

溫度實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集部分，與NOCT實(shí)驗(yàn)共用一個(gè)采集界面和數(shù)據(jù)庫(kù)文件。數(shù)據(jù)篩選部分的設(shè)計(jì)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求主要考慮兩種情況。

(1)950～1050W/m2輻照度的數(shù)據(jù)存在。取各測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行溫度的規(guī)格化處理。8個(gè)溫度通道的值均進(jìn)行規(guī)格化處理，Tcon=Tobs+(40?Tamb)，即得到測(cè)試結(jié)果。Tcon為規(guī)格化后的溫度，Tobs為測(cè)試的溫度，Tamb為測(cè)試的環(huán)境溫度。

(2)950～1050W/m2輻照度的數(shù)據(jù)不存在。通過(guò)篩選出的有效數(shù)據(jù)，用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合直線，推算出輻照度值在1000 W/m2時(shí)的溫度值。8個(gè)溫度點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)均要進(jìn)行擬合與推算。

基于以上兩種情況完成溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)篩選算法設(shè)計(jì)，同時(shí)在設(shè)計(jì)中，考慮溫度實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的所有環(huán)境條件要求。

四 結(jié)論

三合一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用，有效解決了在實(shí)際工作中遇到的多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、多個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)不能同時(shí)進(jìn)行的問(wèn)題。改變了在人工記錄室外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)條件下，一次只能進(jìn)行一個(gè)室外實(shí)驗(yàn)任務(wù)的狀態(tài)。大大提高了室外實(shí)驗(yàn)的工作效率，縮短了室外實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)周期。有效解決了在室外實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集不完整、數(shù)據(jù)記錄不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)篩選困難、數(shù)據(jù)處理繁瑣等問(wèn)題。

[1]IEC 61215-2005, 地面用晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)鑒定和定型 [S].

[2]IEC61730-2, 光伏組件安全鑒定 [S].

[3]陳錫輝，張銀鴻. LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2007.