光伏组件户外测试系统搭建

2015-12-10

上海计量测试 2015年5期

光伏组件户外测试系统搭建

严雅君王婷婷 / 上海市质量监督检验技术研究院

摘要针对种类繁多的光伏户外测试项目，如I-V测试，电池标称工作温度测量和室外暴晒实验等，提出一种切实可行的光伏户外测试系统搭建方案。综合分析了系统搭建中的总体框架结构、硬件配置、软件设计、系统集成四方面。指出了系统搭建中的难点和关键点，如系统的长期可靠性和大数据处理。关键词光伏；组件；户外测试介绍了供热管道常用的保温材料。通过对这些材料基本性能的分析和比较，阐述了供热管道保温材料的发展趋势并重点介绍了新型绝热材料二氧化硅气溶胶，提出了合理选择保温材料对供热管道减少热网损失的重要作用。

0　引言

我国具有丰富的太阳能资源，《中华人民共和国可再生能源法》表明了国家发展太阳能等可再生能源的决心，也加快了光伏发电市场化和大规模化，使得选择光伏能源作为我国的基本能源战略成为可能。为大力发展新能源产业，促进节能减排，来自国家的扶持新政也随之出炉。2013年8月，国家发改委连发两大特急文件，分别为《国家发改委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》(发改价格[2013]1638号)和《国家发改委关于调整可再生能源电价附加标准与环保电价的有关事项的通知》(发改价格[2013]1651号)。这些政策对于整个光伏行业的发展都是一大利好。

1　光伏产业质量现状

在光伏产业急速发展的同时，产品质量参差不齐，目前光伏产品存在着质量和设备技术问题，如热斑、蠕虫纹和功率衰减等，同时还有组件老化、衰减和PID（电位诱发衰减）等问题有待解决。目前，对应的光伏产品质量测试有助于应对和设置技术性贸易壁垒，促进行业健康有序发展。

无论国内还是国外，光伏组件的户外测试项目都是必测项目。户外测试项目种类多，含户外I-V曲线测试、电池标称工作温度测量（NOCT）和室外暴晒测试等，且需要考虑各种环境和电参数的整合，多种通信接口的配置，相关软件的编写。因此，其测试平台的搭建存在一定的技术难度。现有的光伏组件户外测试系统搭建存在集成度低、升级能力差、系统响应慢、测试结果准确度低、导线线损大、结果修正差等缺陷，给用户方带来一定困扰。

本文通过分析，指出平台搭建中的关键技术参数和主要搭建难点，为相关检测认证单位和厂商提供参考。

2　解决方案

2.1系统搭建技术参数

光伏产业作为新兴行业，各类标准的测试细节并不完善，相关平台的搭建更是在摸索中前进。

光伏组件是光伏发电系统的关键部件，是直接将太阳能转化为电能的半导体器件。为了保证测试结果的可比性和测试过程的可控性、方便性，现行的国内外标准中，大部分采用在室内模拟条件下进行组件测试。对于室内模拟条件可能无法真实再现实际工作条件的项目，标准中明确要求在户外开展。这几个项目包括：NOCT、室外暴晒试验和温升试验等。此外，还有些测试光照条件复杂、测试周期比较长的项目，如光老练使用和预处理试验等，很多试验都直接在户外进行。

除了标准测试项目之外，户外测试是开展光伏组件长期可靠性研究的好方法。国外权威媒体PHOTON几年前就开展了对光伏组件的长期衰减特性的研究，并对各国的光伏组件进行了排名。该试验是评估光伏组件整体质量状况的有效手段，获得业界同行的普遍认可。2011年10月，欧洲分布式能源试验室（DERlab）发布了光伏组件户外检测新标准《太阳能光伏模块户外测试标准》（备注：类似于企业标准，是试验室自定技术规范）。该标准旨在提供组件功率输出等级评定的方法，需要在长达一年的时间里实地测量两个并联组件在峰值时电流和电压的输出。所有的电流、电压数据将被记录下来，同时被记录的还有组件被照射强度和温度。同年发行的IEC 61853-1：2011《光伏模块性能测试和能量等级》也要求在不同辐照度和温度性能测量中进行户外测试。

近年来，随着光伏发电系统在我国的应用范围逐渐扩大，使用时间逐渐延长，在试验室内很难发现的一些光伏组件质量问题也逐步显现，如：组件渗水、组件密封性失效、组件脱层、EVA黄变和主栅线氧化等。光伏组件户外测试在我国的关注度也越来越高。中国质量认证中心正在全国各地具有户外测试场地和条件的检测机构中寻找合作伙伴，准备开展相关的测试和认证研究。

国内外现行的户外测试相关标准主要有：IEC 61215-2005、IEC 61646-2008、UL 1703-2014《平面光伏电池板》、GB/T 9535-1998《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》和GB/T 18911-2002《地面用薄膜光伏组件设计鉴定和定型》。

基于此，可根据上述标准要求进行产品组件户外测试系统平台的建设，并预留扩展空间。首先，应研究光伏组件的户外测试项目，自行硬件配置与软件开发，设计合理方案将多个测试项目整合到一套系统中。这些项目包括：I-V曲线测试系统、NOCT测试系统和室外暴晒试验系统等。该系统还应保证多路组件同时测试，实现实时多路控制。另外，为提高工作效率和整合资源，需考虑相关设备的共用，完成自动控制系统，进行多种测试数据的实时采集和处理。测试参数涵盖太阳能组件I-V测试、组件背板温度测试、太阳能辐照强度测试、环境温湿度测试和环境风向风速测试等。

2.2技术路线与技术难点

具体设计路线如下：总体方案设计、硬件选择、软件设计、系统集成。下面对系统中的技术难点进行分析。

2.2.1方案设计

合理的设计方案是项目成功的关键。该系统测试参数多而复杂，应完成集多功能于一体的系统。方案设计中应主要考虑以下几方面：为了资源集约化，考虑相关设备的共用，被测组件阵列可共用一套直流电子负载；形成合理布局，设计布线图，减少布线长度，并合理设计所需测试项目；选择合适的测试设备，设备准确度满足相关标准要求；另外，由于试验中存在过流、过压、过载和过热所引发的危险，需考虑相关保护措施，并进行合理设计。

根据IEC 61215-2005技术标准中10.5和10.8的测试技术要求，该设计方案是太阳能组件NOCT试验、暴晒试验和I-V测试技术要求的测试系统。将针对多组太阳能组件板进行NOCT测试、暴晒试验测试和户外IV测试，设计系统见图1。

1）NOCT测试

通过检测环境参数、太阳能组件温度，获得在同一时间下对应的太阳能组件板温度随环境参数变化的曲线，分析出组件板随环境参数变化的规律。其主要框架结构见图2。

系统需要配置高分辨力多功能数据采集器、日照强度计、风向风速仪和温湿度计等。被测组件阵列暴露在被测环境中，通过温湿度计、风速风向仪和日照强度计等环境参数测试仪器测试环境参量，然后依据相关国家/国际标准进行数据处理和筛选。系统软件可以对测试数据进行存储和数据报表生成管理。

图1　测试系统总图

图2　NOCT测试框架结构

2）户外I-V测试和暴晒试验测试

户外I-V测试和暴晒试验测试系统的主要测试方法是，将多个太阳能组件分别与相对应的负载进行连接。在带载试验中，同时检测环境中的风向、风速、温度、湿度、日照强度以及各个组件板上的温度等参数。系统由计算机、传感器信号转换和数据采集单元、日照强度计、风向风速仪和温湿度计等传感器以及系统软件构成，系统将太阳能组件板输出端连接到组件断路/防雷单元，然后再连接到负载，见图3。

图3　户外I-V测试和暴晒测试框架结构图

2.2.2软硬件通信

该系统设计多项内部通信接口，需要自行编制工作语言，实现双向通信。仪器通信接口负责各种通信总线的通信和管理调度，该系统中可能存在的RS-232、RS-485、USB、GPIB和LAN 等通信总线，需合理考虑，保证兼容。

2.2.3自控系统集成

设备的集成化是本工作计划的难点。作为户外测试，系统少则工作数小时，多则工作数月，长时间的稳定性非常重要。另外，周围环境的干扰对测试也有影响。最后，为操作方便，提高准确性，需要设计一套自动控制系统，并可以将多个测试功能集成在一套测试软件中。编写相关软件模块，合理设计软件的层次结构。该软件可记录数据，并方便导出数据。该系统在Windows系统中执行，计算依据符合IEC 60904系列标准相关规定。系统软件可以对多路组件、相关设备和多路数据采集单元进行控制和数据传输。需考虑如何将组件电性能参数和环境数据整合在一套软件之中，可自动筛选符合NOCT测试的数据并进行计算。根据数据的特点，采用相应的算法对数据进行处理操作，如平滑、滤波和插值等。数据处理完成之后还要进行相应的计算，以得到所需要的被测参量测试结果。

经分析，光伏户外测试平台搭建的主要难点来自硬件和软件两方面。硬件难点在于恶劣环境下设备的维护。由于系统运行在户外，设备的抗外部干扰能力就相当重要，应选取优质元件并合理进行系统布局，确保其安全性能满足系统集成要求，尤其是关键零部件的选取。比如，由于户外系统可支持多路运行，而一般组件间选用串行模式，切换器故障将带来严重的系统失效。因此，选择性能好的切换器至关重要。软件难点在于大数据的处理。由于受环境因素影响，存在大量非有效数据，数据的筛选、分析、处理、整合、防遗失工作量巨大。可通过选择合适的算法、选择正确的运算模型、数据的远程备份来解决这一问题。

3　结语

光伏组件户外测试系统灵活，可扩展，具体技术指标和参数要求可根据客户需要个性定制。同时，可将此系统与光伏户外发电系统、光伏户外演示系统相结合，实现检测、科研、发电和演示一体的综合系统。

光伏组件户外测试系统的建立，为广大企业提供了可靠优质的检测能力，为更加客观、全面地了解市场上光伏产品的质量水平和等级提供条件，减少了光伏企业因产品质量问题而造成的声誉及经济损失，有利于保持国内光伏市场的有序发展，有利于促进光伏产品的科技创新和研究，有利于保持中国光伏产品的竞争力，实现可再生能源的国家战略。

参考文献：

[1] International Electrotechnical Commission.IEC 61853-1:2011[S]. Geneva, 2011.

[2] International Electrotechnical Commission.IEC 61215-2005 [S]. Geneva, 2005.

[3] 全国太阳光伏能源系统标准化技术委员会.GB/T 9535-1998[S].北京：中国标准出版社, 1998.

[4] International Electrotechnical Commission.IEC 61646-2008 [S]. Geneva, 2008.

[5] 全国太阳光伏能源系统标准化技术委员会.GB/T 18911-2002[S].北京：中国标准出版社, 2002.

[6] Underwriter Laboratories Inc.. UL 1703-2004 [S]. Chicago, 2004.

Establishment of photovoltaic modules outdoor test system

Yan Yajun, Wang Tingting

（Shanghai Institute of Quality Inspection and

Technical Research）

Abstract:Based on various photovoltaic (PV) outdoor test items, such as I-V tests, NOCT and outdoor exposure experiments, a test system is put forward. The overall frame structure, hardware configuration, software design and system integration are well analyzed here. And the difficulty and key point, such as system reliability and big data processing, are pointed out. This paper introduces the commonly used thermal insulation materials for heat-supply pipelines. Through analysis and comparison of the basic performance of these materials, it expounds the development trend and expecially introduces a new thermal insulation material, SiO2aerosol. The paper explains the important impact of choosing thermal insulation material for heat-supply pipelines reasonably to reduce heat losses.

Key words:photovoltaic (PV); module; outdoor test thermal insulation material; heating pipe; SiO2aerosol

供热管道保温材料

谢莉莉 / 上海交通大学

关键词保温材料；供热管道；二氧化硅气凝胶

0　引言

在当今能源消耗急剧增加的情况下，降低能源消耗已成为人类急需解决的问题。对于集中供热企业来说，做好供热管道的保温工程，减少热量损失，降低能源消耗，是提高企业经济效率的重要途径之一。

供热管道通常是指输送蒸汽或热水的管道。由于管内热媒温度高于管外空气温度，热量会不断通过供热管道的壁面传递给管外空气，造成输热损失。管道保温的目的就是为了减少供热管道向外传递热量所造成的热损失。一个供热企业的热力管道总长度可达百米甚至千米，合理选择供热管道的保温材料，对减少热网损失有着至关重要的意义。

1　供热管道保温材料的种类以及特点

我国保温材料在经历了20世纪50年代的引进和仿制阶段，20世纪60年代后的发展阶段以及20世纪70年代的改进阶段，到现在已达20余类，几十个品种。绝热材料一般可分为有机和无机两大类。热力设备及管道常用的保温材料多为无机材料，要求具有导热系数小、质量轻、耐腐蚀金属、不易燃烧等特点。供热管道保温材料的种类繁多，目前主要有岩棉、玻璃棉、膨胀珍珠岩、聚氨酯、橡塑、硅酸钙等。

防水岩棉管防火性好、耐久性好，同时具有防潮、排温、憎水的特殊功能，吸湿率在5%以下，憎水率在98%以上，特别适宜在多雨、潮湿环境下使用。但是岩棉管的质量优劣相差很大，保温性能好的岩棉管密度低，其抗拉强度也低，耐久性相对较差。

玻璃棉管成型好、体积密度小、热导率低、保温绝热、耐腐蚀、化学稳定性强，性能上与岩棉管有很多相似之处，但是价格较岩棉管高。

膨胀珍珠岩质轻无毒、保温性能好、造价较低、不腐蚀、不燃烧、使用周期长，受潮烘干后保温性能够完全恢复。但是在管道保温方面膨胀珍珠岩用得越来越少，主要是由于其制品具有规格小、接缝多、施工进度慢等缺点。

近年来，硬质聚氨酯泡沫塑料和泡沫橡塑材料被广泛用于供热管道的保温工程。硬质聚氨酯泡沫塑料具有优异的隔热性能，其导热系数小、质量轻、吸湿性低，又有一定的抗压强度。聚氨酯发泡后因附着力较强，管道外表面可不做防腐处理，节省了防腐材料和人工费，同时外层的塑料保护层可以起到防水阻燃的作用，能保护聚氨酯材料的完好，延长使用寿命，使保温材料的维修更换费用大大降低[1]。

泡沫橡塑管壳抗压强度比较低，但是其优点是导热系数小、容重轻，具有良好的绕性和韧性，安装方便，容易对阀门、三通、弯头等不规则管件进行吻合包裹，以达到减少散热损失的目的，因此对于供热管道来说是一种较为理想的保温材料。

微孔硅酸钙是一种新型保温材料，具有容重轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特点，其导热系数远远低于其他的硬质保温材料。

GB 50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》对各种保温材料的性能提出了详细而具体的规定。为了满足GB 50264-2013的要求，在选择保温材料时应全面考虑下列条件：

1）导热系数小；

2）质量轻；

3）最高或最低使用温度；

4）坚固耐用，有一定的抗压、抗折强度；

5）燃烧性能为不燃或难燃；

6）吸水率小，憎水率高；

7）耐腐蚀，化学性能稳定。

几种常用管道保温材料的性能见表1。

保温材料的制备与选择除应注意上述这些特性外，还要考虑易于安装、造价低、使用寿命长等因素。

2　供热管道保温材料的发展趋势

在过去的十几年里，保温材料的研究主要是对现有保温材料进行完善，今后研究的方向应主要表现在以下几点。

2.1提高材料的憎水性是保温材料的重要发展方向

材料的憎水性是选用保温材料的一个重要因素。憎水率是指保温材料抵抗环境中水分对其主要性能产生不良影响的能力，是反映材料耐水渗透的一个性能指标。保温材料吸水受潮后会大大降低其保温性能，并且会加速对管道的腐蚀，是十分有害的。纤维类保温材料，如矿岩棉制品、玻璃棉制品等基本上不憎水，吸水率较高，但经憎水处理后，其憎水率可达到90%以上，能有效提高保温材料的保温性能。因此，提高保温材料的憎水性，降低吸水率是各类保温材料的重要发展方向之一[2]。

2.2发展新型的保温材料是主要方向

随着科学技术的进步和新型材料技术的发展，性能优良的新型保温材料也不断出现，例如纳米孔硅质保温材料、复合保温材料石棉代用品等。

2.2.1纳米孔硅质保温材料

随着纳米技术的不断发展，纳米材料越来越受到人们的青睐。纳米孔硅质保温材料就是纳米技术在保温材料领域新的应用，在其使用温度范围-190 ℃～1 050 ℃内具有优异的保温性能。二氧化硅气凝胶作为一种新型轻质纳米多孔材料，受到世界各地科学家的重视。它作为一种新型保温材料，相比其他传统的保温材料具有以下特点：

1）导热系数仅为传统材料的1/5～1/3，保温后热损失小；

2）空间利用率高，仅需1/5至1/2的厚度即可达到传统材料相同的隔热效果；

3）自身不可燃，防火防水，憎水率可达到99%以上；

4）不仅有较好的抗压强度，而且对管道无腐蚀；

5）气凝胶是目前已知的最轻固体材料，轻巧方便，易于切割、运输。

表1　几种常用管道保温材料的性能

不同温度下气凝胶与传统材料导热系数对比见图1。

保温材料的导热系数越小，其热损失越小，保温性能越好。从图1中可看出：二氧化硅气凝胶在其使用温度范围内的导热系数远远低于传统材料的导热系数；另外，温度对各类保温材料导热系数均有着直接影响。随着温度提高，传统材料的导热系数上升十分显著，而二氧化硅气凝胶的导热系数变化相对平稳，说明二氧化硅气凝胶保温材料在温度变化的情况下，化学性能相对比较稳定。但是在实际应用方面，二氧化硅气凝胶的高度松脆性、有限透明度以及高昂的价格因素限制了其在工业领域的大规模应用。因此，提高二氧化硅气凝胶的质量和品质以及降低制备成本是今后研发的主要方向[3]。

图1　不同温度下气凝胶与传统材料导热系数对比

2.2.2石棉代用品的开发和利用

随着环境污染问题日益突出，各国开始关注保温材料工业的环保问题。石棉曾由于成本低被广泛应用。近几年来，由于在低容重下粉尘飞扬严重危及环境，同时，石棉制品本身在强度、使用寿命和尺寸稳定性方面也存在不少缺陷，因而石棉消费量大幅度削减。由此可见，石棉代用品的开发和应用势在必行。目前各国都在积极寻求石棉代用品[4]。

在世界能源危机以及环境污染严重的今天，积极寻求和开发容重小、绝热性能好的真正节能、环保的新型绝热保温材料，是提高热能利用率、节约能源的有效途径。在不久的将来，随着对节能工作的日益重视和对保温材料研究的深入研究，还会研制出更为理想的新型保温材料。