光伏組件室外實驗平臺的設計與實現

中國科學院電工研究所光伏檢測中心 王玉 桑識宇 劉海濤 翟永輝

一 引言

光伏組件是光伏電站發電的基本單元，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，一直受到光伏測試工程師的關注。本文描述的室外實驗平臺，通過計算機技術，實現了室外實驗數據準確采集和篩選。采用的LabVIEW開發平臺是由美國國家儀器(NI)公司研制開發的，被行業內視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。該軟件已被工業界、學術界和研究實驗室所廣泛接受。

二 實驗平臺概述

該實驗平臺包括3個室外實驗——IEC61215:2005，10.8室外暴曬實驗；IEC61215:2005，10.5電池標稱工作溫度實驗(NOCT)；IEC61730-2:2004，MST21溫度實驗，簡稱“三合一實驗平臺”。三合一實驗平臺通過計算機技術實現了對室外實驗數據的采集、篩選、報表自動生成等功能。最大實驗能力可同時進行6個室外暴曬實驗、3個電池標稱工作溫度實驗和3個溫度實驗。

三合一實驗平臺使用總輻射表、風速風向傳感器、溫度傳感器、溫度變送器、調整電路、NI數據采集卡、LabVIEW軟件。采集的數據包括:輻照度、風速、風向、溫度等。采集系統設計中考慮到數據傳輸的速率、準確性及同步性，電磁干擾等因素，同時在設計中考慮到系統的可擴展性，為實驗數據的網絡化，預留了網絡接口和通信接口。圖1為三合一實驗平臺進行NOCT實驗。

圖1 三合一實驗平臺總體圖

三 實驗平臺的實現

本實驗平臺充分利用了LabVIEW軟件的強大功能。LabVIEW軟件又稱作虛擬儀器，是一種建立在以PC機為核心的硬件平臺上，功能可以由用戶自定義的計算機測試系統，可以很方便地改變儀器及其設置，使用虛擬儀器進行測試工作。其利用軟件實現了硬件內容，只需購買少量硬件設備，應用靈活，可大大縮短系統研制周期，因此在測試領域中有很大的發展空間。

它的方便之處，就是在一個硬件的情況下，可通過改變軟件來實現不同儀器的功能。該三合一實驗平臺使用的NI數據采集卡，32路模擬輸入，250KS/s的采樣速率，剛好滿足實驗的設計要求，實現數據的同步接收。

三合一實驗平臺，由傳感器、變送器、NI采集卡、計算機組成，如圖2所示。

三合一實驗平臺采集的所有數據保存在Excel文件中。NI數據采集卡共有32個通道，數據庫設計中，輻照度值占用1個通道，環境溫度值占用1個通道，NOCT實驗占用6個通道，溫度實驗占用24個通道。

有3個數據的采集不占用NI采集卡的通道，分別是時間、風速和風向數據。其中時間數據來自計算機系統時間；風速風向數據，通過設備的通訊接口RS232獲得，傳輸數據類型為字符型數據。圖3為數據采集界面。

數據庫設計部分考慮到3個實驗共用數據的情況，故3個室外實驗共用一個數據庫。數據庫采集的數據包括3個室外實驗中數據處理時需要的全部數據內容，包括風向、風速、輻照度、環境溫度、NOCT溫度和溫度實驗的溫度數據。

1 室外暴曬實驗的設計

圖3 數據采集界面

室外暴曬實驗的目的為初步評價組件經受室外條件曝曬的能力，并可使在實驗室試驗中可能測不出來的綜合衰減效應揭示出來。

室外曝曬實驗設計，只需要數據庫采集中的輻照度一列數據。對一天的輻照量數據進行處理，求出一天輻照量值，保存記錄。依次保存多天的數據記錄，累計輻照量達到標準要求即可停止實驗。實驗數據自動生成到原始記錄報表中，即可以打印實驗數據。

2 電池標稱工作溫度實驗(NOCT)的設計及采集數據分析

對于地面用晶體硅光伏組件，作為設計鑒定和定型標準(IEC61215:2005)中最為重要的室外實驗之一，電池標稱工作溫度實驗涉及氣象條件判斷和有效數據的篩選條件較多。NOCT實驗用計算機實現數據的采集和有效數據的篩選十分必要。

數據篩選部分算法設計思路，按照標準中對室外實驗氣象條件的要求，總結出8個判定條件，包括風速、風向、總輻照度、環境溫度、測試時間、有效數據的數量、疾風條件和10min內輻照度變化超過10%時對有效數據的判斷。

以上8個條件，作為計算機篩選有效數據的判斷條件。每經過一個條件，有一批不符合條件的數據將從數據庫中被刪除，通過所有篩選條件剩下來的數據為有效數據。篩選結束的同時，進入到數據的處理部分，對通過所有篩選條件的數據進行線性擬合。擬合的依據按照最小二乘法，推算出在800W/m2條件下的溫度值，即為當天測試結果。三天的有效實驗數據，即可得出標稱工作溫度實驗的NOCT值。

三合一實驗平臺在通過設備計量和軟件定型后，在試運行期間完成了多次室外實驗。圖4為從多天測試數據中選出的一天具有代表性的采集數據，反映了NOCT實驗中采集數據的變化趨勢。圖4和圖5數據分析圖為2010年9月在北京使用三合一實驗設備采集的一天數據，截取輻照度數據在400 W/m2到1000 W/m2之間關系。實驗中使用的測試組件類型為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 輻照度與環境溫度的關系

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境溫度的變化情況。從兩個圖的總體趨勢看出，輻照度在400W/m2至1000 W/m2區間，兩個溫度曲線均呈線性遞增關系。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，遞增趨勢更加明顯。

3 溫度實驗的設計及實現

該實驗是IEC61730中MST21實驗項目，屬于防火類實驗。該實驗主要關注于組件在工作中，開路和短路情況下的各個零部件的溫度是否超過材料的極限溫度，防止各個部件材料溫度達到極限溫度而引起火災。

溫度實驗的數據采集部分，與NOCT實驗共用一個采集界面和數據庫文件。數據篩選部分的設計，依據標準要求主要考慮兩種情況。

(1)950～1050W/m2輻照度的數據存在。取各測試點數據并進行溫度的規格化處理。8個溫度通道的值均進行規格化處理，Tcon=Tobs+(40?Tamb)，即得到測試結果。Tcon為規格化后的溫度，Tobs為測試的溫度，Tamb為測試的環境溫度。

(2)950～1050W/m2輻照度的數據不存在。通過篩選出的有效數據，用最小二乘法進行數據擬合直線，推算出輻照度值在1000 W/m2時的溫度值。8個溫度點的溫度數據均要進行擬合與推算。

基于以上兩種情況完成溫度實驗數據篩選算法設計，同時在設計中，考慮溫度實驗標準中規定的所有環境條件要求。

四 結論

三合一實驗平臺的應用，有效解決了在實際工作中遇到的多個實驗項目、多個實驗任務不能同時進行的問題。改變了在人工記錄室外實驗數據條件下，一次只能進行一個室外實驗任務的狀態。大大提高了室外實驗的工作效率，縮短了室外實驗的實驗周期。有效解決了在室外實驗過程中經常出現的數據采集不完整、數據記錄不準確、數據篩選困難、數據處理繁瑣等問題。

[1]IEC 61215-2005, 地面用晶體硅光伏組件設計鑒定和定型 [S].

[2]IEC61730-2, 光伏組件安全鑒定 [S].

[3]陳錫輝，張銀鴻. LabVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京:清華大學出版社, 2007.