一种基于光伏构件的温度与效率户外测试平台设计

珠海兴业绿色建筑科技有限公司 ■ 陈征 陈怡 罗多 余国保 王晓丹

0 引言

随着人们对能源、环境问题的关注，作为一种清洁可再生能源，太阳能在各类能源领域的应用越来越广泛。我国有着丰富的太阳能资源，但在中东部地区，由于人口密集，可供建设太阳能电站的地面面积有限，不适合建设大型光伏电站。光伏建筑一体化(BIPV)是光伏电池组件以建筑构件的形式出现，使光伏成为建筑不可分割的一部分，完美地解决了这一问题。

BIPV需要根据建筑需求进行定制，不仅完成光伏发电过程，还应具备完善的建筑材料功能，如保温隔热、防漏防火等。目前，对于光伏组件的电气性能测试主要依赖实验室内的太阳光模拟器，检测其输出特性曲线，该方法便于控制辐照度及温度等环境参数。但应用于BIPV的光伏构件实际的工作环境复杂，且目前暂时没有对BIPV构件保温性能的测试，无法确定其作为建筑构件是否能够满足保温节能的要求。基于国家“863计划”的“建材型光伏构件制造与测试关键技术及装备”课题，提出了在户外建设BIPV光伏构件测试平台，模拟BIPV构件的实际工作环境，实时监测其输出特性与表面、背板甚至中空层内温度，并积累数据，以评估构件在户外环境中一段时期内的工作效率、保温性能及两者的关系。

1 实验平台设计方案

1.1 测试要求

光伏构件输出特性主要受太阳辐照度及温度的影响。当光伏构件工作于户外特定环境时，需测量环境辐照度及构件温度[1]。传统测试是在室内恒定室温下测试组件的输出功率，忽略了因温度而造成的功率衰减[2]。因此我们设计并建设了户外构件温度与效率实时监测平台，旨在通过长时间的数据监测，模拟一种温度与构件I-V曲线之间的关系，反映构件的真实工作状态。

1.2 测试平台设计

为了模拟构件在建筑上的真实工作环境，我们利用现有工具对平台支架进行了改造，将支架围成一个密闭空间，以模拟建筑物内部较为封闭的实际环境，如图1、图2 所示。

图1 平台正面图

图2 平台侧面图

根据构件测试要求，利用光伏系统常用的MPPT光伏控制器寻找构件最大工作功率点，并实时监测构件电气性能数据，绘制电气性能曲线图。在对构件电气性能检测的同时，利用分布于构件表面不同位置的温度探头监测构件温度，如图3所示。

图3 温度探头布置图

由于构件额定功率和工作电压较小，未达到逆变器的启动电压，无法接入太阳能并网系统，故选择离网系统(独立系统)，利用光伏控制器和路灯，自动调节充、放电。温度采集系统采用了数据采集模块，通过分布于构件表面的温度探头读取构件表面温度。

2 构件检测系统设计

2.1 构件电气测试系统设计

测试系统光伏构件发电系统采用离网发电，即在内部封闭电路内消耗光伏电力，不与电网连接的发电方式。相较于并网发电，离网发电整个系统较简单，适用于小型测试电路。

根据测试要求设计测试原理图，如图4所示。图4中光伏控制器用于太阳能离网系统(独立系统)中，适用于路灯控制系统，自动调节充电和放电。光伏构件在光照下产生电流，通过控制器连接到蓄电池，利用控制器的最大功率跟踪实现功率输出最大化。通过控制器对蓄电池的监测和管理，实现路灯的智能开关，以达到消耗光伏板产生的电能的目的。在选择电池和路灯时，要考虑与光伏构件功率相匹配，防止出现蓄电池过充或过放，进而影响整个电路。图5为测试电路原理图，图6为温度测试原理图。

图4 测试原理图

2.2 构件温度测试系统设计

温度采集采用了分布式网络采集模块，通过分布于构件各点的温度探头采集构件工作时的温度数据。为防止电池片产生热斑效应，布点时应注意避开电池片正面位置，正面温度探头布置应尽可能接近电池片。

图5 测试电路原理图

图6 温度测试原理图

分布于构件各点的温度探头通过数据模块将相应信号转换成电脑可读的网络数据信号，通过软件读取和存储数据。

为了尽可能准确地采集构件温度数据，在平台搭建时，应对每个温度探头与标准温度计校正，对于室温探头则应悬空放置于专用的测温罩内。

3 测试软件系统设计

如前文所述，构件电气性能与构件温度测试分属两套系统测试。在测量构件I-V曲线时，需同时测量构件工作条件下的太阳辐照、环境温度及构件温度。具体测试流程为：

1)启动构件控制器电路及构件温度测控电路，检查控制器及数据模块工作情况。

2)打开PC端监测软件，由于控制器厂家提供的I-V监测软件(如图7所示)不具备自动数据采集功能，在此软件基础上自行编写了数据记录软件。

3)启动I-V监测软件的同时，打开构件温度及太阳辐照强度数据采集软件(EZ Data Logger)，自动记录储存数据。

图7 控制器监测软件

图8 EZ Data Logger监测软件

4)两套监测系统输出数据均为Excel格式，使用时应同时打开监测软件并将数据扫描间隔设置同步。

4 数据处理与分析

为了验证构件户外测试平台的性能，于2014 年 9 月 26 日 9：00～17：00 对珠海兴业绿色建筑科技有限公司生产的118 W单晶硅真空玻璃光伏构件和单晶硅中空光伏构件进行测试。当天天气晴朗，构件安装朝向正南，倾角27°，当日平均辐照度810 W/m2，最大辐照度1168 W/m2。由图9可知，9：00～17：00最大辐照不超过1200 W/m2。其测试数据如图9、图10所示。

图9 构件发电功率与辐照实时曲线图

图10 构件背板实时温度对比图

由曲线图可知，在正午时间，天空有小块的云飘过时，会造成在某一时段辐照急剧减小，光伏构件的效率也随之减小。经过计算，当天真空玻璃光伏构件的平均转换效率为10.52%，中空玻璃光伏构件平均转换效率为9.82%。根据当天测试数据统计，构件温度数据如表1所示。

从表1中数据可看出，由于中空层热量不断堆积，导致电池片背板温度不断升高，进而影响构件工作效率。真空玻璃光伏构件中由于真空玻璃有良好的保温隔热性能，构件吸收产的生大部分热量由构件前板散发，构件效率未受明显影响[3]。

表1 构件温度对比

5 结语

设计的户外光伏测试平台注重模拟适用于BIPV的光伏构件长时间的户外工作状态，通过电脑终端智能化采集数据，有效实现对光伏构件户外工作性能的模拟监测。通过对数据的积累分析，可以对光伏构件在不同工作环境下的性能进行评估。通过针对不同构件在特定环境中进行的性能与工作效率分析，对今后BIPV光伏构件和系统的设计有一定的指导作用。

[1]张经炜， 丁坤， 卞新高， 等。一种户外光伏组件测试平台研制 [J]. 电子测量技术 ， 2013， (7)： 99 ～ 102， 117.

[2]高辉， 何泉. 太阳能利用与建筑的一体化设计[J]. 华中建筑，2004， 22(1)： 70 － 79。

[3]王辉，化山. 真空玻璃与光伏建筑一体化应用[J]. 建筑节能，2011，5： 56 － 58.