光伏组件表面异物检测实验平台的研制

韦 钰, 邵 晨

(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620)

0 引 言

光伏发电作为一种典型的清洁能源发电形式，装机容量增长迅速。但受诸多因素的影响，光伏发电的发电效率较低，因此，如何降低损耗、提高效率一直是光伏研究的热点所在[1-2]。将此科学问题引入实践教学环节，通过设立一系列项目式教学单元，探究各因素对光伏发电效率的影响。本文针对组件表面异物覆盖影响这一环节[3-7]，综合传感器技术、嵌入式技术、信号处理技术等，搭建了实验平台并开展多项实验，检测不同异物覆盖引起的功率输出下降问题。

1 实验平台设计

所设计的组件表面异物检测装置采用美国德州仪器生产的高性能嵌入式ARM芯片作为主控芯片[8]，硬件电路主要包括ARM系统电路、辐照度检测模块、温度检测模块、功率检测模块、电源模块、时钟模块等，结构组成如图1所示。由于在相同设备条件与测量环境下，异物覆盖造成的功率输出主要受入射辐照度、面板温度的影响，因此通过光照传感模块和温度传感模块采集外界数据，同时对比相同条件下清洁面板和各类异物覆盖面板的伏安特性、功率特性，通过特性曲线与功率损耗率分析组件表面的覆盖状况[9]。

图1 平台框图

实验对象的光伏组件参数如下：输出功率100 W，短路电流5.85 A，额定工作电流5.41 A，开路电压21.5 V，额定工作电压18.5 V。可调节环境温度、光照强度、覆灰密度、灰尘类型、覆灰面积等变量，对光伏组件的短路电流、开路电压、输出功率、输出特性参数及曲线等展开测量，从而得出各因素对组件输出效率的影响。

2 系统硬件电路设计

2.1 功率检测模块

通过测取组件的输出电压和输出电流，即可得光伏组件的输出功率，电路如图2所示。根据测试用组件的工作参数，电压检测选择HBV05A5霍尔传感器，额定输入电流5 mA，当输入电压0～25 V时，采样电阻取值5 kΩ，霍尔元件输出电压范围1.65～2.275 V。电流检测选择HBC05PS3.3霍尔传感器，测量范围-12～12 A，输出端连接100 Ω采样电阻，对应输出信号范围为0.4～2.9 V。两个霍尔传感器电路后端均连接跟随电路，起隔离缓冲作用；其后再连接钳位电路，控制输出信号幅值。

(a)输出电压检测电路

(b)输出电流检测电路

2.2 温度检测模块

温度检测电路的设计基于Pt100温度传感器，电路如图3所示。为提高测量精度，采用TL431可控精密稳压源产生一个精确的4 V基准电压，后连接由Pt100、R14、R15、R16组成电桥电路，产生一个幅值较低的电压信号Uab，其值可由下式计算而得：

小信号Uab经过比例运算电路进行20倍放大，后经跟随器进行缓冲隔离。使得输入到主控芯片的信号为一个稳定的0～3 V电压信号。其中，R14=R15=2 kΩ，R16=100 Ω。

以上海地区为例，系统对温度的测量范围为-20～50 ℃，Pt100对应的电阻值范围为92.16～119.40 Ω，经计算，Uab范围为15～36 mV，本模块最终输出信号范围为0.295～0.714 V，符合主控芯片的输入要求。

2.3 辐照度检测模块

辐照度检测采用数字式传感器BH1750FVI，传感器输入光强变化范围1～65535lx，电路如图4所示。当有光线照射传感器内置的光敏二极管时，二极管将产生饱和反向漏电流，即光电流，且光强越强，电流越大，集成运放将光电流转换为光电压，输入至ADC 转换器，形成数字信号，经I2C接口向外传输[8]。VCC与控制信号通过10 kΩ上拉电阻相连，提供驱动能力；VCC与GND之间的0.1 μF电容用于去耦滤波。本电路设计的特点在于，为提高通信可靠性，DVI复位引脚与主控芯片相连，受芯片控制，以此提高对复位控制的灵活性。

3 平台测试

3.1 测量精度

由于功率检测模块中的霍尔元件具有非线性的特性，因此需要对采集到的直流电压、电流值进行分段式校正。电压信号的校正范围为(DC)0～25 V，电流信号的校正范围为(DC)0～5 A；校正用标准仪表分别为精度0.5%的电子式电压表和精度1.6%的电子式电流表。电路校正完成后，模块测得的功率值与精度为2%的功率表相比较，误差小于1%，数据如表1所示。此外，对温度检测模块和辐照度检测模块的数据校正基于精度4%的电子式照度计和精度±1.5 ℃的电子式温度计进行。

表1 功率检测模块数据采集结果

3.2 实 验

为验证本平台可正确测量由各类异物造成的输出功率下降问题，对均匀覆尘、鸟粪堆积、积雪覆盖、人为覆盖等几类异物状况进行了模拟，检测其输出特性，并分析正确性。由于在室外受环境影响明显，无法保证实验过程中辐照度、温度等参数的恒定，因此实况模拟实验在室内进行。

3.2.1模拟均匀覆灰和鸟粪堆积实验

实验情况如图5所示，组件表面均匀覆尘的情况最为多见，不同地区的灰尘组成各不相同，常见的有石灰石、沙土、工业扬尘，或几类混合等。本实验中，采集白石灰撒至组件表面，并摇晃均匀，在光照强度1.59 kA，室温24.0 ℃的环境下进行I-U和P-U特性测量实验。模拟鸟粪覆盖情况时，采集白色黏稠物质随机涂抹于组件表面，在相同环境条件下，进行I-U和P-U特性的测量。

由图6可见，与清洁面板的输出特性相比，均匀覆灰面板的短路电流降低了9.0%，开路电压降低了1.6%，功率峰值损失率为6.8%；有鸟粪堆积时的短路电流降低了5.0%，开路电压降低了4.4%，功率峰值损失率为6.7%。两种情况的最大功率损耗相近，但最大功率出现的电压值不同，一个出现在15.31 V，一个出现在17.28 V，且均匀覆灰时的功率曲线整体下降得更为明显。灰尘的存在，整体使得光伏组件玻璃盖板的透射性减弱，被光伏电池接收的光强减弱，光电效应减弱，降低了发电量，测量结果与文献[9]中的仿真研究与文献[10]中的实验研究结果一致。

图5 实验一模拟的实际情况

(a) I-U特性

(b) P-U特性

3.2.2模拟积雪覆盖或人为覆盖实验

积雪和人为覆盖(见图7)有相同的特点，即大面积的覆盖组件的某一部分，实验中采用遮挡物覆盖测量组件的表面，5组实验分别对无覆盖、A区覆盖、AB区覆盖、ABC区覆盖和AD区覆盖的组件进行I-U和P-U特性测量，测量时的光照强度保持为3.51 klx，室温保持24.3 ℃。组件覆盖区域标识如图8所示，测量结果如图9所示。

由图9可见，相比较无异物覆盖的面板，各种覆盖情况时的输出功率都有明显的下降。A区、AB区、ABC区分别被覆盖时的特性曲线较为相近，当外接负载电阻小于16 Ω时，输出特性相较于无覆盖的面板无明显变化；当外接电阻大于16 Ω后，输出特性变化明显，在输出电压8～15 V区间内，输出电流下降68.4%～70%，输出功率则先下降71.4%，再缓慢上升，但较相同输出电压区间的无覆盖面板，功率峰值损失率为67.1%。

图7 实验2模拟的实际情况

图8 实验中的组件覆盖区域标识

(a) I-U特性

(b) P-U特性

该曲线符合文献[11-12]对该种情况的输出模型理论分析，由于外接负载影响输出电流的大小，根据不同电池片间旁路二极管的导通状态，组件的电流特性和功率方程均由分段函数表示。此时，根据dP/dI=0寻找最大功率点时，传统的功率输出单峰性失效，有几个电池片被遮挡，功率特性曲线就会出现几个峰值。根据内部电池片排列情况，只对纵向边沿覆盖和对AD区横向覆盖时影响的电池片数目不同，因此曲线“Covering D”呈现出与其他曲线不同的特性。

4 结 语

本文设计并实现了一种光伏组件的表面异物检测实验平台，包括辐照度检测模块、温度检测模块、功率检测模块、ARM系统模块等。实验表明，该平台具有较高的测量精度和较强的实用性，可用于研究异物覆盖对组件输出效率影响的研究，为相关课程实践环节的开展提供良好平台。