光伏組件表面異物檢測實驗平臺的研制

韋 鈺, 邵 晨

(上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620)

0 引 言

光伏發電作為一種典型的清潔能源發電形式，裝機容量增長迅速。但受諸多因素的影響，光伏發電的發電效率較低，因此，如何降低損耗、提高效率一直是光伏研究的熱點所在[1-2]。將此科學問題引入實踐教學環節，通過設立一系列項目式教學單元，探究各因素對光伏發電效率的影響。本文針對組件表面異物覆蓋影響這一環節[3-7]，綜合傳感器技術、嵌入式技術、信號處理技術等，搭建了實驗平臺并開展多項實驗，檢測不同異物覆蓋引起的功率輸出下降問題。

1 實驗平臺設計

所設計的組件表面異物檢測裝置采用美國德州儀器生產的高性能嵌入式ARM芯片作為主控芯片[8]，硬件電路主要包括ARM系統電路、輻照度檢測模塊、溫度檢測模塊、功率檢測模塊、電源模塊、時鐘模塊等，結構組成如圖1所示。由于在相同設備條件與測量環境下，異物覆蓋造成的功率輸出主要受入射輻照度、面板溫度的影響，因此通過光照傳感模塊和溫度傳感模塊采集外界數據，同時對比相同條件下清潔面板和各類異物覆蓋面板的伏安特性、功率特性，通過特性曲線與功率損耗率分析組件表面的覆蓋狀況[9]。

圖1 平臺框圖

實驗對象的光伏組件參數如下：輸出功率100 W，短路電流5.85 A，額定工作電流5.41 A，開路電壓21.5 V，額定工作電壓18.5 V。可調節環境溫度、光照強度、覆灰密度、灰塵類型、覆灰面積等變量，對光伏組件的短路電流、開路電壓、輸出功率、輸出特性參數及曲線等展開測量，從而得出各因素對組件輸出效率的影響。

2 系統硬件電路設計

2.1 功率檢測模塊

通過測取組件的輸出電壓和輸出電流，即可得光伏組件的輸出功率，電路如圖2所示。根據測試用組件的工作參數，電壓檢測選擇HBV05A5霍爾傳感器，額定輸入電流5 mA，當輸入電壓0～25 V時，采樣電阻取值5 kΩ，霍爾元件輸出電壓范圍1.65～2.275 V。電流檢測選擇HBC05PS3.3霍爾傳感器，測量范圍-12～12 A，輸出端連接100 Ω采樣電阻，對應輸出信號范圍為0.4～2.9 V。兩個霍爾傳感器電路后端均連接跟隨電路，起隔離緩沖作用；其后再連接鉗位電路，控制輸出信號幅值。

(a)輸出電壓檢測電路

(b)輸出電流檢測電路

2.2 溫度檢測模塊

溫度檢測電路的設計基于Pt100溫度傳感器，電路如圖3所示。為提高測量精度，采用TL431可控精密穩壓源產生一個精確的4 V基準電壓，后連接由Pt100、R14、R15、R16組成電橋電路，產生一個幅值較低的電壓信號Uab，其值可由下式計算而得：

小信號Uab經過比例運算電路進行20倍放大，后經跟隨器進行緩沖隔離。使得輸入到主控芯片的信號為一個穩定的0～3 V電壓信號。其中，R14=R15=2 kΩ，R16=100 Ω。

以上海地區為例，系統對溫度的測量范圍為-20～50 ℃，Pt100對應的電阻值范圍為92.16～119.40 Ω，經計算，Uab范圍為15～36 mV，本模塊最終輸出信號范圍為0.295～0.714 V，符合主控芯片的輸入要求。

2.3 輻照度檢測模塊

輻照度檢測采用數字式傳感器BH1750FVI，傳感器輸入光強變化范圍1～65535lx，電路如圖4所示。當有光線照射傳感器內置的光敏二極管時，二極管將產生飽和反向漏電流，即光電流，且光強越強，電流越大，集成運放將光電流轉換為光電壓，輸入至ADC 轉換器，形成數字信號，經I2C接口向外傳輸[8]。VCC與控制信號通過10 kΩ上拉電阻相連，提供驅動能力；VCC與GND之間的0.1 μF電容用于去耦濾波。本電路設計的特點在于，為提高通信可靠性，DVI復位引腳與主控芯片相連，受芯片控制，以此提高對復位控制的靈活性。

3 平臺測試

3.1 測量精度

由于功率檢測模塊中的霍爾元件具有非線性的特性，因此需要對采集到的直流電壓、電流值進行分段式校正。電壓信號的校正范圍為(DC)0～25 V，電流信號的校正范圍為(DC)0～5 A；校正用標準儀表分別為精度0.5%的電子式電壓表和精度1.6%的電子式電流表。電路校正完成后，模塊測得的功率值與精度為2%的功率表相比較，誤差小于1%，數據如表1所示。此外，對溫度檢測模塊和輻照度檢測模塊的數據校正基于精度4%的電子式照度計和精度±1.5 ℃的電子式溫度計進行。

表1 功率檢測模塊數據采集結果

3.2 實 驗

為驗證本平臺可正確測量由各類異物造成的輸出功率下降問題，對均勻覆塵、鳥糞堆積、積雪覆蓋、人為覆蓋等幾類異物狀況進行了模擬，檢測其輸出特性，并分析正確性。由于在室外受環境影響明顯，無法保證實驗過程中輻照度、溫度等參數的恒定，因此實況模擬實驗在室內進行。

3.2.1模擬均勻覆灰和鳥糞堆積實驗

實驗情況如圖5所示，組件表面均勻覆塵的情況最為多見，不同地區的灰塵組成各不相同，常見的有石灰石、沙土、工業揚塵，或幾類混合等。本實驗中，采集白石灰撒至組件表面，并搖晃均勻，在光照強度1.59 kA，室溫24.0 ℃的環境下進行I-U和P-U特性測量實驗。模擬鳥糞覆蓋情況時，采集白色黏稠物質隨機涂抹于組件表面，在相同環境條件下，進行I-U和P-U特性的測量。

由圖6可見，與清潔面板的輸出特性相比，均勻覆灰面板的短路電流降低了9.0%，開路電壓降低了1.6%，功率峰值損失率為6.8%；有鳥糞堆積時的短路電流降低了5.0%，開路電壓降低了4.4%，功率峰值損失率為6.7%。兩種情況的最大功率損耗相近，但最大功率出現的電壓值不同，一個出現在15.31 V，一個出現在17.28 V，且均勻覆灰時的功率曲線整體下降得更為明顯。灰塵的存在，整體使得光伏組件玻璃蓋板的透射性減弱，被光伏電池接收的光強減弱，光電效應減弱，降低了發電量，測量結果與文獻[9]中的仿真研究與文獻[10]中的實驗研究結果一致。

圖5 實驗一模擬的實際情況

(a) I-U特性

(b) P-U特性

3.2.2模擬積雪覆蓋或人為覆蓋實驗

積雪和人為覆蓋(見圖7)有相同的特點，即大面積的覆蓋組件的某一部分，實驗中采用遮擋物覆蓋測量組件的表面，5組實驗分別對無覆蓋、A區覆蓋、AB區覆蓋、ABC區覆蓋和AD區覆蓋的組件進行I-U和P-U特性測量，測量時的光照強度保持為3.51 klx，室溫保持24.3 ℃。組件覆蓋區域標識如圖8所示，測量結果如圖9所示。

由圖9可見，相比較無異物覆蓋的面板，各種覆蓋情況時的輸出功率都有明顯的下降。A區、AB區、ABC區分別被覆蓋時的特性曲線較為相近，當外接負載電阻小于16 Ω時，輸出特性相較于無覆蓋的面板無明顯變化；當外接電阻大于16 Ω后，輸出特性變化明顯，在輸出電壓8～15 V區間內，輸出電流下降68.4%～70%，輸出功率則先下降71.4%，再緩慢上升，但較相同輸出電壓區間的無覆蓋面板，功率峰值損失率為67.1%。

圖7 實驗2模擬的實際情況

圖8 實驗中的組件覆蓋區域標識

(a) I-U特性

(b) P-U特性

該曲線符合文獻[11-12]對該種情況的輸出模型理論分析，由于外接負載影響輸出電流的大小，根據不同電池片間旁路二極管的導通狀態，組件的電流特性和功率方程均由分段函數表示。此時，根據dP/dI=0尋找最大功率點時，傳統的功率輸出單峰性失效，有幾個電池片被遮擋，功率特性曲線就會出現幾個峰值。根據內部電池片排列情況，只對縱向邊沿覆蓋和對AD區橫向覆蓋時影響的電池片數目不同，因此曲線“Covering D”呈現出與其他曲線不同的特性。

4 結 語

本文設計并實現了一種光伏組件的表面異物檢測實驗平臺，包括輻照度檢測模塊、溫度檢測模塊、功率檢測模塊、ARM系統模塊等。實驗表明，該平臺具有較高的測量精度和較強的實用性，可用于研究異物覆蓋對組件輸出效率影響的研究，為相關課程實踐環節的開展提供良好平臺。