一種基于光伏構(gòu)件的溫度與效率戶外測試平臺設(shè)計

珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司 ■ 陳征 陳怡 羅多 余國保 王曉丹

0 引言

隨著人們對能源、環(huán)境問題的關(guān)注，作為一種清潔可再生能源，太陽能在各類能源領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。我國有著豐富的太陽能資源，但在中東部地區(qū)，由于人口密集，可供建設(shè)太陽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，對于光伏組件的電氣性能測試主要依賴實驗室內(nèi)的太陽光模擬器，檢測其輸出特性曲線，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)件實際的工作環(huán)境復(fù)雜，且目前暫時沒有對BIPV構(gòu)件保溫性能的測試，無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。基于國家“863計劃”的“建材型光伏構(gòu)件制造與測試關(guān)鍵技術(shù)及裝備”課題，提出了在戶外建設(shè)BIPV光伏構(gòu)件測試平臺，模擬BIPV構(gòu)件的實際工作環(huán)境，實時監(jiān)測其輸出特性與表面、背板甚至中空層內(nèi)溫度，并積累數(shù)據(jù)，以評估構(gòu)件在戶外環(huán)境中一段時期內(nèi)的工作效率、保溫性能及兩者的關(guān)系。

1 實驗平臺設(shè)計方案

1.1 測試要求

光伏構(gòu)件輸出特性主要受太陽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，需測量環(huán)境輻照度及構(gòu)件溫度[1]。傳統(tǒng)測試是在室內(nèi)恒定室溫下測試組件的輸出功率，忽略了因溫度而造成的功率衰減[2]。因此我們設(shè)計并建設(shè)了戶外構(gòu)件溫度與效率實時監(jiān)測平臺，旨在通過長時間的數(shù)據(jù)監(jiān)測，模擬一種溫度與構(gòu)件I-V曲線之間的關(guān)系，反映構(gòu)件的真實工作狀態(tài)。

1.2 測試平臺設(shè)計

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

圖1 平臺正面圖

圖2 平臺側(cè)面圖

根據(jù)構(gòu)件測試要求，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，并實時監(jiān)測構(gòu)件電氣性能數(shù)據(jù)，繪制電氣性能曲線圖。在對構(gòu)件電氣性能檢測的同時，利用分布于構(gòu)件表面不同位置的溫度探頭監(jiān)測構(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)到逆變器的啟動電壓，無法接入太陽能并網(wǎng)系統(tǒng)，故選擇離網(wǎng)系統(tǒng)(獨立系統(tǒng))，利用光伏控制器和路燈，自動調(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)件檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 構(gòu)件電氣測試系統(tǒng)設(shè)計

測試系統(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)電整個系統(tǒng)較簡單，適用于小型測試電路。

根據(jù)測試要求設(shè)計測試原理圖，如圖4所示。圖4中光伏控制器用于太陽能離網(wǎng)系統(tǒng)(獨立系統(tǒng))中，適用于路燈控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)充電和放電。光伏構(gòu)件在光照下產(chǎn)生電流，通過控制器連接到蓄電池，利用控制器的最大功率跟蹤實現(xiàn)功率輸出最大化。通過控制器對蓄電池的監(jiān)測和管理，實現(xiàn)路燈的智能開關(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，要考慮與光伏構(gòu)件功率相匹配，防止出現(xiàn)蓄電池過充或過放，進(jìn)而影響整個電路。圖5為測試電路原理圖，圖6為溫度測試原理圖。

圖4 測試原理圖

2.2 構(gòu)件溫度測試系統(tǒng)設(shè)計

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

圖5 測試電路原理圖

圖6 溫度測試原理圖

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

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

3 測試軟件系統(tǒng)設(shè)計

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

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

2)打開PC端監(jiān)測軟件，由于控制器廠家提供的I-V監(jiān)測軟件(如圖7所示)不具備自動數(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I-V監(jiān)測軟件的同時，打開構(gòu)件溫度及太陽輻照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集軟件(EZ Data Logger)，自動記錄儲存數(shù)據(jù)。

圖7 控制器監(jiān)測軟件

圖8 EZ Data Logger監(jiān)測軟件

4)兩套監(jiān)測系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)均為Excel格式，使用時應(yīng)同時打開監(jiān)測軟件并將數(shù)據(jù)掃描間隔設(shè)置同步。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

為了驗證構(gòu)件戶外測試平臺的性能，于2014 年 9 月 26 日 9：00～17：00 對珠海興業(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1200 W/m2。其測試數(shù)據(jù)如圖9、圖10所示。

圖9 構(gòu)件發(fā)電功率與輻照實時曲線圖

圖10 構(gòu)件背板實時溫度對比圖

由曲線圖可知，在正午時間，天空有小塊的云飄過時，會造成在某一時段輻照急劇減小，光伏構(gòu)件的效率也隨之減小。經(jīng)過計算，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)天測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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)件溫度對比

5 結(jié)語

設(shè)計的戶外光伏測試平臺注重模擬適用于BIPV的光伏構(gòu)件長時間的戶外工作狀態(tài)，通過電腦終端智能化采集數(shù)據(jù)，有效實現(xiàn)對光伏構(gòu)件戶外工作性能的模擬監(jiān)測。通過對數(shù)據(jù)的積累分析，可以對光伏構(gòu)件在不同工作環(huán)境下的性能進(jìn)行評估。通過針對不同構(gòu)件在特定環(huán)境中進(jìn)行的性能與工作效率分析，對今后BIPV光伏構(gòu)件和系統(tǒng)的設(shè)計有一定的指導(dǎo)作用。

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

[2]高輝， 何泉. 太陽能利用與建筑的一體化設(shè)計[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.