光伏组件室外实验平台的设计与实现

中国科学院电工研究所光伏检测中心 王玉 桑识宇 刘海涛 翟永辉

一 引言

光伏组件是光伏电站发电的基本单元，温度是影响组件输出功率的最主要因素。因此，如何确定光伏组件正常工作中各组成部分的温度值，一直受到光伏测试工程师的关注。本文描述的室外实验平台，通过计算机技术，实现了室外实验数据准确采集和筛选。采用的LabVIEW开发平台是由美国国家仪器(NI)公司研制开发的，被行业内视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。该软件已被工业界、学术界和研究实验室所广泛接受。

二 实验平台概述

该实验平台包括3个室外实验——IEC61215:2005，10.8室外暴晒实验；IEC61215:2005，10.5电池标称工作温度实验(NOCT)；IEC61730-2:2004，MST21温度实验，简称“三合一实验平台”。三合一实验平台通过计算机技术实现了对室外实验数据的采集、筛选、报表自动生成等功能。最大实验能力可同时进行6个室外暴晒实验、3个电池标称工作温度实验和3个温度实验。

三合一实验平台使用总辐射表、风速风向传感器、温度传感器、温度变送器、调整电路、NI数据采集卡、LabVIEW软件。采集的数据包括:辐照度、风速、风向、温度等。采集系统设计中考虑到数据传输的速率、准确性及同步性，电磁干扰等因素，同时在设计中考虑到系统的可扩展性，为实验数据的网络化，预留了网络接口和通信接口。图1为三合一实验平台进行NOCT实验。

图1 三合一实验平台总体图

三 实验平台的实现

本实验平台充分利用了LabVIEW软件的强大功能。LabVIEW软件又称作虚拟仪器，是一种建立在以PC机为核心的硬件平台上，功能可以由用户自定义的计算机测试系统，可以很方便地改变仪器及其设置，使用虚拟仪器进行测试工作。其利用软件实现了硬件内容，只需购买少量硬件设备，应用灵活，可大大缩短系统研制周期，因此在测试领域中有很大的发展空间。

它的方便之处，就是在一个硬件的情况下，可通过改变软件来实现不同仪器的功能。该三合一实验平台使用的NI数据采集卡，32路模拟输入，250KS/s的采样速率，刚好满足实验的设计要求，实现数据的同步接收。

三合一实验平台，由传感器、变送器、NI采集卡、计算机组成，如图2所示。

三合一实验平台采集的所有数据保存在Excel文件中。NI数据采集卡共有32个通道，数据库设计中，辐照度值占用1个通道，环境温度值占用1个通道，NOCT实验占用6个通道，温度实验占用24个通道。

有3个数据的采集不占用NI采集卡的通道，分别是时间、风速和风向数据。其中时间数据来自计算机系统时间；风速风向数据，通过设备的通讯接口RS232获得，传输数据类型为字符型数据。图3为数据采集界面。

数据库设计部分考虑到3个实验共用数据的情况，故3个室外实验共用一个数据库。数据库采集的数据包括3个室外实验中数据处理时需要的全部数据内容，包括风向、风速、辐照度、环境温度、NOCT温度和温度实验的温度数据。

1 室外暴晒实验的设计

图3 数据采集界面

室外暴晒实验的目的为初步评价组件经受室外条件曝晒的能力，并可使在实验室试验中可能测不出来的综合衰减效应揭示出来。

室外曝晒实验设计，只需要数据库采集中的辐照度一列数据。对一天的辐照量数据进行处理，求出一天辐照量值，保存记录。依次保存多天的数据记录，累计辐照量达到标准要求即可停止实验。实验数据自动生成到原始记录报表中，即可以打印实验数据。

2 电池标称工作温度实验(NOCT)的设计及采集数据分析

对于地面用晶体硅光伏组件，作为设计鉴定和定型标准(IEC61215:2005)中最为重要的室外实验之一，电池标称工作温度实验涉及气象条件判断和有效数据的筛选条件较多。NOCT实验用计算机实现数据的采集和有效数据的筛选十分必要。

数据筛选部分算法设计思路，按照标准中对室外实验气象条件的要求，总结出8个判定条件，包括风速、风向、总辐照度、环境温度、测试时间、有效数据的数量、疾风条件和10min内辐照度变化超过10%时对有效数据的判断。

以上8个条件，作为计算机筛选有效数据的判断条件。每经过一个条件，有一批不符合条件的数据将从数据库中被删除，通过所有筛选条件剩下来的数据为有效数据。筛选结束的同时，进入到数据的处理部分，对通过所有筛选条件的数据进行线性拟合。拟合的依据按照最小二乘法，推算出在800W/m2条件下的温度值，即为当天测试结果。三天的有效实验数据，即可得出标称工作温度实验的NOCT值。

三合一实验平台在通过设备计量和软件定型后，在试运行期间完成了多次室外实验。图4为从多天测试数据中选出的一天具有代表性的采集数据，反映了NOCT实验中采集数据的变化趋势。图4和图5数据分析图为2010年9月在北京使用三合一实验设备采集的一天数据，截取辐照度数据在400 W/m2到1000 W/m2之间关系。实验中使用的测试组件类型为180W单晶硅组件，放置在距地面1m，与水平面的倾角45¡的样品台架上。NOCT温度探头位置在组件中心的电池片背板处，用温升胶粘贴。

图5 辐照度与环境温度的关系

图4和图5分别反映了辐照度与中心电池片背板温度的变化情况和辐照度与环境温度的变化情况。从两个图的总体趋势看出，辐照度在400W/m2至1000 W/m2区间，两个温度曲线均呈线性递增关系。图5与图4相比，中心电池片背板温度值随着辐照度的增高，递增趋势更加明显。

3 温度实验的设计及实现

该实验是IEC61730中MST21实验项目，属于防火类实验。该实验主要关注于组件在工作中，开路和短路情况下的各个零部件的温度是否超过材料的极限温度，防止各个部件材料温度达到极限温度而引起火灾。

温度实验的数据采集部分，与NOCT实验共用一个采集界面和数据库文件。数据筛选部分的设计，依据标准要求主要考虑两种情况。

(1)950～1050W/m2辐照度的数据存在。取各测试点数据并进行温度的规格化处理。8个温度通道的值均进行规格化处理，Tcon=Tobs+(40−Tamb)，即得到测试结果。Tcon为规格化后的温度，Tobs为测试的温度，Tamb为测试的环境温度。

(2)950～1050W/m2辐照度的数据不存在。通过筛选出的有效数据，用最小二乘法进行数据拟合直线，推算出辐照度值在1000 W/m2时的温度值。8个温度点的温度数据均要进行拟合与推算。

基于以上两种情况完成温度实验数据筛选算法设计，同时在设计中，考虑温度实验标准中规定的所有环境条件要求。

四 结论

三合一实验平台的应用，有效解决了在实际工作中遇到的多个实验项目、多个实验任务不能同时进行的问题。改变了在人工记录室外实验数据条件下，一次只能进行一个室外实验任务的状态。大大提高了室外实验的工作效率，缩短了室外实验的实验周期。有效解决了在室外实验过程中经常出现的数据采集不完整、数据记录不准确、数据筛选困难、数据处理繁琐等问题。

[1]IEC 61215-2005, 地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型 [S].

[2]IEC61730-2, 光伏组件安全鉴定 [S].

[3]陈锡辉，张银鸿. LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社, 2007.