基于光伏板的灰塵檢測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

伍煒 陳敏 姚鶴梅 袁玲 何應(yīng)梅 劉雅莉

摘要：本文旨在研究出一個應(yīng)用于光伏板的監(jiān)控系統(tǒng)，由于灰塵對光伏板的發(fā)電效率有非常大的影響，因此，本文采用灰塵傳感器檢測光伏板的灰塵，從所檢測出的濃度通過傳感器轉(zhuǎn)化成數(shù)值，并通過電腦進行實時地監(jiān)測，然后根據(jù)所設(shè)定的濃度參數(shù)檢測判斷光伏板是否需要清理;通過自動監(jiān)測手段來進行實時監(jiān)測灰垢對發(fā)電效果從而確定清洗方案和清洗時間，對于降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的維護成本和提高發(fā)電利用率有很大幫助。因此，采用適當?shù)募夹g(shù)手段對光伏板進行監(jiān)控和清理，可以有效地提高光伏板的發(fā)電量和效率。

Abstract： The purpose of this paper is to study a monitoring system for photovoltaic solar panel. Because dust has a great influence on the power generation efficiency of photovoltaic solar panel， the dust sensor is used to detect the dust of photovoltaic solar panel， and the detected concentration is converted into a numerical value through the sensor. And the computer carries on the real-time monitoring， and then according to the set concentration parameters test to determine whether the photovoltaic solar panel needs to be cleaned; Monitoring ash in real time by means of automatic monitoring is very helpful to reduce the maintenance cost and increase the utilization of power generation. Therefore， adopting appropriate technical means to monitor and clean up the photovoltaic solar panel can effectively improve the power generation and efficiency of the photovoltaic solar panel.

關(guān)鍵詞：光伏板;監(jiān)控系統(tǒng);灰塵檢測;傳感器

Key words： photovoltaic solar panel;monitoring system;dust detection;sensor

中圖分類號：TM615 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）08-0179-03

0 ?引言

眾所周知，灰塵對光伏板的發(fā)電效率有非常大的影響，主要是因為灰塵的堆積降低了光伏板表面的太陽透射率，因此與光伏板相關(guān)的研究工作受到了越來越多的關(guān)注。曾有外國學者對火星表面和月球表面灰塵顆粒物的沉降對光伏板的影響做過研究，研究包括灰塵的性質(zhì)，灰塵傳播的自然機制，導致灰塵懸浮的人類活動等，并推導出灰塵的堆積對太陽光透射率的影響。光伏發(fā)電是依靠太陽光進行發(fā)電的能源形式，其最主要的核心部件是光伏板，所以光伏板的質(zhì)量和成本將直接決定整個發(fā)電系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。光伏板的理論發(fā)電效率大約為25%，實際的效率卻不到23%;而受環(huán)境影響后的發(fā)電效率會降為17%～18%。由于灰塵對光伏板的發(fā)電效率和效益有很大的影響，設(shè)計一個基于光伏板的灰塵檢測監(jiān)控系統(tǒng)很有必要。

1 ?國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

國外在灰塵對光伏板的研究方面做出了大量的研究，并得出了一系列具有研究性的結(jié)論。曾有西班牙Ciudad大學的學者對光伏板的匹配以及陰影對發(fā)電效率的影響做出了大量的實驗研究，從而提出了光伏板的匹配系數(shù)，得出以下結(jié)論：光伏板經(jīng)過串并聯(lián)后的發(fā)電量比單個組件發(fā)電量之和大約少0.24%;此外，當光伏板被遮擋一半時，最理想的情況下功率大約損失19%，當全部被遮擋時，功率損失大約為79%。

此后，Salim等學者在沙特阿拉伯對光伏板面板積灰的除塵效果進行了相關(guān)研究，當選擇固定傾角24.6°進行為期8個月的實驗，會得出以下結(jié)論：每天清洗的面板比從未清洗的面板輸出功率大約增加了32%。此外，當在印度Roorkee地區(qū)進行45°角的積塵遮擋實驗，得出以下結(jié)論：在灰塵遮蔽作用下光伏面板的平均透射率在10天后大約降低了8%。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國在光伏研究領(lǐng)域也作出了許多研究，也得出了一系列比較有意義的研究成果，如陳東兵等學者蚌對埠2 MW光伏電站進行了大量實驗，得出以下結(jié)論：灰塵在光伏面板上20天使組件發(fā)電功率大約減少了24%，平均每天降低1.2%。

此外，王峰等學者在西安城區(qū)某分布式光伏發(fā)電站中設(shè)計了大量對比實驗，得出以下結(jié)論：在“降塵”天氣影響下，城區(qū)灰塵對光伏系統(tǒng)輸出功率有很大的影響，輸出功率大約降低了15%。太陽能光伏板組件在陽光照射下，部分組件會受到遮擋導致無法工作，使得被遮擋的部分溫度高于未被遮蓋部分，致使溫度過高出現(xiàn)燒壞的暗斑，導致電池熱斑的形成。熱斑可能導致整個光伏板電池組件的損壞，造成太陽能電池熱斑的形成主要由兩個內(nèi)在因素構(gòu)成，主要與內(nèi)阻和光伏板電池自身的暗電流大小有關(guān)。

目前，建設(shè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的成本相對較高，從我國現(xiàn)階段的太陽能發(fā)電成本來看，光伏電池組件費用的大約為60%～70%。一般情況下，計算發(fā)電量是在太陽能光伏板方陣面完全沒有陰影的前提下。因此，如果光伏電池不能被日光直接照射，而只有散射光用來發(fā)電，此時的發(fā)電量比無陰影時大約減少了10%～20%。

2 ?主要研究內(nèi)容

本文主要著力研究光伏板灰塵檢測監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過灰塵傳感器來檢測光伏電池板的灰塵濃度，用溫度傳感器來檢測光伏電池的溫度，用輻照度傳感器來檢測太陽光強度，將這些檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X終端進行監(jiān)控和顯示，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析灰塵、溫度對光伏板發(fā)電量的影響。

灰塵對光伏電池板的發(fā)電量影響較大，采用灰塵傳感器檢測光伏電池板的灰塵，從所檢測出的濃度通過傳感器轉(zhuǎn)化成數(shù)值，并使之在電腦實時進行監(jiān)測，然后在再根據(jù)所設(shè)定的濃度參數(shù)檢測光伏電池是否需要清理，使得通過自動監(jiān)測手段來實時進行監(jiān)測灰垢對發(fā)電效果以便確定清洗方案和清洗時間，對于降低光伏發(fā)電系統(tǒng)維護成本和提高發(fā)電利用率。

3 ?系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示為本文的光伏板灰塵檢測裝置的流程圖，本文通過對各個傳感器模塊進行初始化設(shè)置后，裝置上電后，進行初始化;當初始化完成后，灰塵傳感器就可以實時檢測光伏板表面的灰塵濃度，并通過傳感器模塊的顯示單元進行顯示;當灰塵傳感器檢測到灰塵濃度后，對各個傳感器檢測到數(shù)據(jù)進行匯總以及傳輸，從而實現(xiàn)各個設(shè)備的灰塵濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)酱鎯υO(shè)備上進行統(tǒng)一的管理和顯示;然后判斷傳感器設(shè)置的參數(shù)是否符合設(shè)備對于灰塵的需要，如果不符合，則通過遠程通訊界面重新設(shè)置傳感器的參數(shù);同時實時檢測并監(jiān)控各設(shè)備的灰塵的濃度并進行實時的顯示，同時并判斷灰塵的濃度與被檢測的設(shè)備可承受的閾值之間的關(guān)系：一旦灰塵濃度超過了閾值，進行報警并提示工作人員及時清洗相應(yīng)設(shè)備上的灰塵，從而保證設(shè)備的正常使用。

本文主要建立在計算機測控技術(shù)上，計算機測控技術(shù)在實際生產(chǎn)活動中有著廣泛的應(yīng)用，是涉及到計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動化技術(shù)的交叉學科，測控系統(tǒng)利用傳感器將被測對象的物理參量，如溫度、壓力、流量等轉(zhuǎn)換為電信號，再將這些電信號經(jīng)實驗裝置轉(zhuǎn)換為計算機可識別的數(shù)字信號，并且通過顯示裝置把數(shù)字、曲線或圖形顯示出來，計算機系統(tǒng)可以將采集的數(shù)據(jù)信息放入存儲器中存儲起來，進行數(shù)據(jù)的分析、處理和顯示，可以根據(jù)需要將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心，當需要對監(jiān)控對象進行控制，需通過監(jiān)控中心并根據(jù)測控單元采集到的參量大小和實際變化情況等按照具體工藝要求的設(shè)定值進行判斷，決定是否需要給測控單元發(fā)送控制命令。測控單元則根據(jù)一定的控制算法在輸出設(shè)備中輸出相應(yīng)的電信號，同時驅(qū)動執(zhí)行裝置執(zhí)行動作，相應(yīng)的計算機測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

4 ?平臺設(shè)計

本文通過MATLAB GUI 界面對整個系統(tǒng)進行實時的監(jiān)控，通過對系統(tǒng)的監(jiān)控，可以對清晰地掌握整個系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)，MATLAB GUI界面是一種人與計算機通信的界面顯示格式，該界面允許用戶使用鼠標等輸入設(shè)備對屏幕上的圖標或菜單選項進行操控，以選擇命令、調(diào)用文件、啟動程序或執(zhí)行其它一些日常任務(wù)。與通過鍵盤輸入文本或字符命令來完成例行任務(wù)的字符界面相比，圖形用戶界面有許多優(yōu)點。

MATLAB GUI的設(shè)計包含界面設(shè)計和程序?qū)崿F(xiàn)兩部分，在 GUI 開發(fā)環(huán)境中，組建用戶界面可以通過直接創(chuàng)建按鈕、文本編輯區(qū)等控件來實現(xiàn)，各個控件的函數(shù)回調(diào)功能需要通過設(shè)置控件的屬性及編輯相應(yīng)代碼來實現(xiàn)。

其中，系統(tǒng)設(shè)計的部分灰塵采集函數(shù)如下：

% --- Executes on button press in pushbutton7_kaishicaiji.

function pushbutton7_kaishicaiji_Callback（hObject， eventdata， handles） ?%%開始采集數(shù)據(jù)

% hObject handle to pushbutton7_kaishicaiji （see GCBO）

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data （see GUIDATA）

Serial_zhizhen=getappdata（gcf，'Serial_zhizhen'）;%%%獲得當前串口信息

tongji=0;

huichen=[];%%%灰塵值數(shù)組

TIME=[];%%% 時間數(shù)組

sjiange=get（handles.edit3，'string'）; %%%獲取間隔參數(shù)

scishu=get（handles.edit4，'string'）; ?%%%獲取采樣點數(shù)

jiange=str2num（sjiange）;

cishu=str2num（scishu）;

for i=1：cishu

stop_caiji=get（handles.radiobutton3，'value'）;

pause（jiange）;%%%間隔時間

data1 = fscanf（ Serial_zhizhen）;%讀取串口數(shù)據(jù)

size（data1）;

if stop_caiji==1 ?%%%檢測到停止采集信號時候 ?立即停止采集

break

end

tongji=i;

dd=data1（5：10）;

dd_num=str2num（dd）;

set（handles.edit1_fasong，'String'，num2str（dd_num））

%%%實時追蹤文本，不覆蓋顯示

message_danqian=get（handles.edit2_jieshou，'string'）;

message_shishi={['第'，num2str（i），'次采集：時間：'，num2str（i），'s，灰塵濃度'，dd]};

message_shishi1=[message_shishi]';

message_zuizhong=[message_danqian;message_shishi1];

set（handles.edit2_jieshou，'string'，message_zuizhong）;

huichen=[WENDU;dd_num];

TIME=[TIME;jiange*i];

handles.axes1;

plot（TIME，WENDU）

axis（[0 cishu*jiange -10 40]）;%%分別給定x及y軸的范圍

grid on

xlabel（'采樣時間（s）'）;

ylabel（'灰塵濃度（mg/m^3）'）;

end

本文中，實現(xiàn)MATLAB GUI灰塵實時監(jiān)控的M文件程序編寫步驟包括：①建立串口設(shè)備對象并設(shè)置相應(yīng)屬性;②獲得存在的有效串口號;③獲取下拉列表的數(shù)據(jù)并進行串口設(shè)置;④獲取端口號、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位和波特率等值;⑤連接串口設(shè)備對象，然后打開相應(yīng)的串口;⑥采集灰塵信息顯示和灰塵曲線顯示。

5 ?結(jié)論

本文主要著力研究灰塵對光伏發(fā)電的影響，通過分析灰塵傳感器在光伏電池板上的應(yīng)用，研究灰塵對光伏發(fā)電的影響機理，再進行光伏板灰塵檢測系統(tǒng)的實驗平臺搭建，最后設(shè)計出一個光伏板灰塵檢測監(jiān)控系統(tǒng)。再根據(jù)灰塵濃度是否嚴重影響到光伏板發(fā)電，從而確定是否需要除塵。

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