中國科學(xué)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(fā)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(guān)注。本文描述的室外實驗平臺，通過計算機技術(shù)，實現(xiàn)了室外實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集和篩選。采用的LabVIEW開發(fā)平臺是由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的，被行業(yè)內(nèi)視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。該軟件已被工業(yè)界、學(xué)術(shù)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(biāo)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(shù)實現(xiàn)了對室外實驗數(shù)據(jù)的采集、篩選、報表自動生成等功能。最大實驗?zāi)芰赏瑫r進(jìn)行6個室外暴曬實驗、3個電池標(biāo)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(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫度傳感器、溫度變送器、調(diào)整電路、NI數(shù)據(jù)采集卡、LabVIEW軟件。采集的數(shù)據(jù)包括:輻照度、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等。采集系統(tǒng)設(shè)計中考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?、?zhǔn)確性及同步性，電磁干擾等因素，同時在設(shè)計中考慮到系統(tǒng)的可擴展性，為實驗數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化，預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)接口和通信接口。圖1為三合一實驗平臺進(jìn)行NOCT實驗。

圖1 三合一實驗平臺總體圖

三 實驗平臺的實現(xiàn)

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(tǒng)，可以很方便地改變儀器及其設(shè)置，使用虛擬儀器進(jìn)行測試工作。其利用軟件實現(xiàn)了硬件內(nèi)容，只需購買少量硬件設(shè)備，應(yīng)用靈活，可大大縮短系統(tǒng)研制周期，因此在測試領(lǐng)域中有很大的發(fā)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(xiàn)不同儀器的功能。該三合一實驗平臺使用的NI數(shù)據(jù)采集卡，32路模擬輸入，250KS/s的采樣速率，剛好滿足實驗的設(shè)計要求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)保存在Excel文件中。NI數(shù)據(jù)采集卡共有32個通道，數(shù)據(jù)庫設(shè)計中，輻照度值占用1個通道，環(huán)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(shù)據(jù)的采集不占用NI采集卡的通道，分別是時間、風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)。其中時間數(shù)據(jù)來自計算機系統(tǒng)時間；風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，通過設(shè)備的通訊接口RS232獲得，傳輸數(shù)據(jù)類型為字符型數(shù)據(jù)。圖3為數(shù)據(jù)采集界面。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計部分考慮到3個實驗共用數(shù)據(jù)的情況，故3個室外實驗共用一個數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫采集的數(shù)據(jù)包括3個室外實驗中數(shù)據(jù)處理時需要的全部數(shù)據(jù)內(nèi)容，包括風(fēng)向、風(fēng)速、輻照度、環(huán)境溫度、NOCT溫度和溫度實驗的溫度數(shù)據(jù)。

1 室外暴曬實驗的設(shè)計

圖3 數(shù)據(jù)采集界面

室外暴曬實驗的目的為初步評價組件經(jīng)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(yīng)揭示出來。

室外曝曬實驗設(shè)計，只需要數(shù)據(jù)庫采集中的輻照度一列數(shù)據(jù)。對一天的輻照量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出一天輻照量值，保存記錄。依次保存多天的數(shù)據(jù)記錄，累計輻照量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求即可停止實驗。實驗數(shù)據(jù)自動生成到原始記錄報表中，即可以打印實驗數(shù)據(jù)。

2 電池標(biāo)稱工作溫度實驗(NOCT)的設(shè)計及采集數(shù)據(jù)分析

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

數(shù)據(jù)篩選部分算法設(shè)計思路，按照標(biāo)準(zhǔn)中對室外實驗氣象條件的要求，總結(jié)出8個判定條件，包括風(fēng)速、風(fēng)向、總輻照度、環(huán)境溫度、測試時間、有效數(shù)據(jù)的數(shù)量、疾風(fēng)條件和10min內(nèi)輻照度變化超過10%時對有效數(shù)據(jù)的判斷。

以上8個條件，作為計算機篩選有效數(shù)據(jù)的判斷條件。每經(jīng)過一個條件，有一批不符合條件的數(shù)據(jù)將從數(shù)據(jù)庫中被刪除，通過所有篩選條件剩下來的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。篩選結(jié)束的同時，進(jìn)入到數(shù)據(jù)的處理部分，對通過所有篩選條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。擬合的依據(jù)按照最小二乘法，推算出在800W/m2條件下的溫度值，即為當(dāng)天測試結(jié)果。三天的有效實驗數(shù)據(jù)，即可得出標(biāo)稱工作溫度實驗的NOCT值。

三合一實驗平臺在通過設(shè)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(shù)據(jù)中選出的一天具有代表性的采集數(shù)據(jù)，反映了NOCT實驗中采集數(shù)據(jù)的變化趨勢。圖4和圖5數(shù)據(jù)分析圖為2010年9月在北京使用三合一實驗設(shè)備采集的一天數(shù)據(jù)，截取輻照度數(shù)據(jù)在400 W/m2到1000 W/m2之間關(guān)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(huán)境溫度的關(guān)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(huán)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(qū)間，兩個溫度曲線均呈線性遞增關(guān)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(shè)計及實現(xiàn)

該實驗是IEC61730中MST21實驗項目，屬于防火類實驗。該實驗主要關(guān)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(dá)到極限溫度而引起火災(zāi)。

溫度實驗的數(shù)據(jù)采集部分，與NOCT實驗共用一個采集界面和數(shù)據(jù)庫文件。數(shù)據(jù)篩選部分的設(shè)計，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求主要考慮兩種情況。

(1)950～1050W/m2輻照度的數(shù)據(jù)存在。取各測試點數(shù)據(jù)并進(jìn)行溫度的規(guī)格化處理。8個溫度通道的值均進(jìn)行規(guī)格化處理，Tcon=Tobs+(40?Tamb)，即得到測試結(jié)果。Tcon為規(guī)格化后的溫度，Tobs為測試的溫度，Tamb為測試的環(huán)境溫度。

(2)950～1050W/m2輻照度的數(shù)據(jù)不存在。通過篩選出的有效數(shù)據(jù)，用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)均要進(jìn)行擬合與推算。

基于以上兩種情況完成溫度實驗數(shù)據(jù)篩選算法設(shè)計，同時在設(shè)計中，考慮溫度實驗標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的所有環(huán)境條件要求。

四 結(jié)論

三合一實驗平臺的應(yīng)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(wù)不能同時進(jìn)行的問題。改變了在人工記錄室外實驗數(shù)據(jù)條件下，一次只能進(jìn)行一個室外實驗任務(wù)的狀態(tài)。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(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集不完整、數(shù)據(jù)記錄不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)篩選困難、數(shù)據(jù)處理繁瑣等問題。

[1]IEC 61215-2005, 地面用晶體硅光伏組件設(shè)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(shè)計從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2007.