一種基于光伏構(gòu)件的溫度與效率戶外測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司 ■ 陳征 陳怡 羅多 余國(guó)保 王曉丹

0 引言

隨著人們對(duì)能源、環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注，作為一種清潔可再生能源，太陽(yáng)能在各類能源領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。我國(guó)有著豐富的太陽(yáng)能資源，但在中東部地區(qū)，由于人口密集，可供建設(shè)太陽(yáng)能電站的地面面積有限，不適合建設(shè)大型光伏電站。光伏建筑一體化(BIPV)是光伏電池組件以建筑構(gòu)件的形式出現(xiàn)，使光伏成為建筑不可分割的一部分，完美地解決了這一問(wèn)題。

BIPV需要根據(jù)建筑需求進(jìn)行定制，不僅完成光伏發(fā)電過(guò)程，還應(yīng)具備完善的建筑材料功能，如保溫隔熱、防漏防火等。目前，對(duì)于光伏組件的電氣性能測(cè)試主要依賴實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的太陽(yáng)光模擬器，檢測(cè)其輸出特性曲線，該方法便于控制輻照度及溫度等環(huán)境參數(shù)。但應(yīng)用于BIPV的光伏構(gòu)件實(shí)際的工作環(huán)境復(fù)雜，且目前暫時(shí)沒(méi)有對(duì)BIPV構(gòu)件保溫性能的測(cè)試，無(wú)法確定其作為建筑構(gòu)件是否能夠滿足保溫節(jié)能的要求?；趪?guó)家“863計(jì)劃”的“建材型光伏構(gòu)件制造與測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)及裝備”課題，提出了在戶外建設(shè)BIPV光伏構(gòu)件測(cè)試平臺(tái)，模擬BIPV構(gòu)件的實(shí)際工作環(huán)境，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其輸出特性與表面、背板甚至中空層內(nèi)溫度，并積累數(shù)據(jù)，以評(píng)估構(gòu)件在戶外環(huán)境中一段時(shí)期內(nèi)的工作效率、保溫性能及兩者的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

1.1 測(cè)試要求

光伏構(gòu)件輸出特性主要受太陽(yáng)輻照度及溫度的影響。當(dāng)光伏構(gòu)件工作于戶外特定環(huán)境時(shí)，需測(cè)量環(huán)境輻照度及構(gòu)件溫度[1]。傳統(tǒng)測(cè)試是在室內(nèi)恒定室溫下測(cè)試組件的輸出功率，忽略了因溫度而造成的功率衰減[2]。因此我們?cè)O(shè)計(jì)并建設(shè)了戶外構(gòu)件溫度與效率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，旨在通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，模擬一種溫度與構(gòu)件I-V曲線之間的關(guān)系，反映構(gòu)件的真實(shí)工作狀態(tài)。

1.2 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了模擬構(gòu)件在建筑上的真實(shí)工作環(huán)境，我們利用現(xiàn)有工具對(duì)平臺(tái)支架進(jìn)行了改造，將支架圍成一個(gè)密閉空間，以模擬建筑物內(nèi)部較為封閉的實(shí)際環(huán)境，如圖1、圖2 所示。

圖1 平臺(tái)正面圖

圖2 平臺(tái)側(cè)面圖

根據(jù)構(gòu)件測(cè)試要求，利用光伏系統(tǒng)常用的MPPT光伏控制器尋找構(gòu)件最大工作功率點(diǎn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)構(gòu)件電氣性能數(shù)據(jù)，繪制電氣性能曲線圖。在對(duì)構(gòu)件電氣性能檢測(cè)的同時(shí)，利用分布于構(gòu)件表面不同位置的溫度探頭監(jiān)測(cè)構(gòu)件溫度，如圖3所示。

圖3 溫度探頭布置圖

由于構(gòu)件額定功率和工作電壓較小，未達(dá)到逆變器的啟動(dòng)電壓，無(wú)法接入太陽(yáng)能并網(wǎng)系統(tǒng)，故選擇離網(wǎng)系統(tǒng)(獨(dú)立系統(tǒng))，利用光伏控制器和路燈，自動(dòng)調(diào)節(jié)充、放電。溫度采集系統(tǒng)采用了數(shù)據(jù)采集模塊，通過(guò)分布于構(gòu)件表面的溫度探頭讀取構(gòu)件表面溫度。

2 構(gòu)件檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)件電氣測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)光伏構(gòu)件發(fā)電系統(tǒng)采用離網(wǎng)發(fā)電，即在內(nèi)部封閉電路內(nèi)消耗光伏電力，不與電網(wǎng)連接的發(fā)電方式。相較于并網(wǎng)發(fā)電，離網(wǎng)發(fā)電整個(gè)系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，適用于小型測(cè)試電路。

根據(jù)測(cè)試要求設(shè)計(jì)測(cè)試原理圖，如圖4所示。圖4中光伏控制器用于太陽(yáng)能離網(wǎng)系統(tǒng)(獨(dú)立系統(tǒng))中，適用于路燈控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)充電和放電。光伏構(gòu)件在光照下產(chǎn)生電流，通過(guò)控制器連接到蓄電池，利用控制器的最大功率跟蹤實(shí)現(xiàn)功率輸出最大化。通過(guò)控制器對(duì)蓄電池的監(jiān)測(cè)和管理，實(shí)現(xiàn)路燈的智能開(kāi)關(guān)，以達(dá)到消耗光伏板產(chǎn)生的電能的目的。在選擇電池和路燈時(shí)，要考慮與光伏構(gòu)件功率相匹配，防止出現(xiàn)蓄電池過(guò)充或過(guò)放，進(jìn)而影響整個(gè)電路。圖5為測(cè)試電路原理圖，圖6為溫度測(cè)試原理圖。

圖4 測(cè)試原理圖

2.2 構(gòu)件溫度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度采集采用了分布式網(wǎng)絡(luò)采集模塊，通過(guò)分布于構(gòu)件各點(diǎn)的溫度探頭采集構(gòu)件工作時(shí)的溫度數(shù)據(jù)。為防止電池片產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，布點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意避開(kāi)電池片正面位置，正面溫度探頭布置應(yīng)盡可能接近電池片。

圖5 測(cè)試電路原理圖

圖6 溫度測(cè)試原理圖

分布于構(gòu)件各點(diǎn)的溫度探頭通過(guò)數(shù)據(jù)模塊將相應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電腦可讀的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)軟件讀取和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

為了盡可能準(zhǔn)確地采集構(gòu)件溫度數(shù)據(jù)，在平臺(tái)搭建時(shí)，應(yīng)對(duì)每個(gè)溫度探頭與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)校正，對(duì)于室溫探頭則應(yīng)懸空放置于專用的測(cè)溫罩內(nèi)。

3 測(cè)試軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如前文所述，構(gòu)件電氣性能與構(gòu)件溫度測(cè)試分屬兩套系統(tǒng)測(cè)試。在測(cè)量構(gòu)件I-V曲線時(shí)，需同時(shí)測(cè)量構(gòu)件工作條件下的太陽(yáng)輻照、環(huán)境溫度及構(gòu)件溫度。具體測(cè)試流程為：

1)啟動(dòng)構(gòu)件控制器電路及構(gòu)件溫度測(cè)控電路，檢查控制器及數(shù)據(jù)模塊工作情況。

2)打開(kāi)PC端監(jiān)測(cè)軟件，由于控制器廠家提供的I-V監(jiān)測(cè)軟件(如圖7所示)不具備自動(dòng)數(shù)據(jù)采集功能，在此軟件基礎(chǔ)上自行編寫了數(shù)據(jù)記錄軟件。

3)啟動(dòng)I-V監(jiān)測(cè)軟件的同時(shí)，打開(kāi)構(gòu)件溫度及太陽(yáng)輻照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集軟件(EZ Data Logger)，自動(dòng)記錄儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。

圖7 控制器監(jiān)測(cè)軟件

圖8 EZ Data Logger監(jiān)測(cè)軟件

4)兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)均為Excel格式，使用時(shí)應(yīng)同時(shí)打開(kāi)監(jiān)測(cè)軟件并將數(shù)據(jù)掃描間隔設(shè)置同步。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

為了驗(yàn)證構(gòu)件戶外測(cè)試平臺(tái)的性能，于2014 年 9 月 26 日 9：00～17：00 對(duì)珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司生產(chǎn)的118 W單晶硅真空玻璃光伏構(gòu)件和單晶硅中空光伏構(gòu)件進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)天天氣晴朗，構(gòu)件安裝朝向正南，傾角27°，當(dāng)日平均輻照度810 W/m2，最大輻照度1168 W/m2。由圖9可知，9：00～17：00最大輻照不超過(guò)1200 W/m2。其測(cè)試數(shù)據(jù)如圖9、圖10所示。

圖9 構(gòu)件發(fā)電功率與輻照實(shí)時(shí)曲線圖

圖10 構(gòu)件背板實(shí)時(shí)溫度對(duì)比圖

由曲線圖可知，在正午時(shí)間，天空有小塊的云飄過(guò)時(shí)，會(huì)造成在某一時(shí)段輻照急劇減小，光伏構(gòu)件的效率也隨之減小。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)天真空玻璃光伏構(gòu)件的平均轉(zhuǎn)換效率為10.52%，中空玻璃光伏構(gòu)件平均轉(zhuǎn)換效率為9.82%。根據(jù)當(dāng)天測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，構(gòu)件溫度數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中數(shù)據(jù)可看出，由于中空層熱量不斷堆積，導(dǎo)致電池片背板溫度不斷升高，進(jìn)而影響構(gòu)件工作效率。真空玻璃光伏構(gòu)件中由于真空玻璃有良好的保溫隔熱性能，構(gòu)件吸收產(chǎn)的生大部分熱量由構(gòu)件前板散發(fā)，構(gòu)件效率未受明顯影響[3]。

表1 構(gòu)件溫度對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的戶外光伏測(cè)試平臺(tái)注重模擬適用于BIPV的光伏構(gòu)件長(zhǎng)時(shí)間的戶外工作狀態(tài)，通過(guò)電腦終端智能化采集數(shù)據(jù)，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏構(gòu)件戶外工作性能的模擬監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的積累分析，可以對(duì)光伏構(gòu)件在不同工作環(huán)境下的性能進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)針對(duì)不同構(gòu)件在特定環(huán)境中進(jìn)行的性能與工作效率分析，對(duì)今后BIPV光伏構(gòu)件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。

[1]張經(jīng)煒， 丁坤， 卞新高， 等。一種戶外光伏組件測(cè)試平臺(tái)研制 [J]. 電子測(cè)量技術(shù) ， 2013， (7)： 99 ～ 102， 117.

[2]高輝， 何泉. 太陽(yáng)能利用與建筑的一體化設(shè)計(jì)[J]. 華中建筑，2004， 22(1)： 70 － 79。

[3]王輝，化山. 真空玻璃與光伏建筑一體化應(yīng)用[J]. 建筑節(jié)能，2011，5： 56 － 58.