光伏组件光谱入射角特性检测系统的设计与实现

2020-10-29付晓光李海建祝海龙

中国建材科技 2020年3期

付晓光李海建祝海龙

（1北京天誉科技有限公司，北京 100024；2中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024）

实际安装的光伏组件是在不同的温度、辐照度、光谱入射角和太阳光谱条件下工作的，要准确预测光伏组件的发电能力，就要在以上不同条件下测试其相关特性。本文介绍的光伏组件光谱入射角特性检测系统是针对PV组件在不同入射角条件下，检测其光谱响应特性的系统。此系统试验得出的检测数据可对光伏组件表面材料选择和生产工艺有所指导，并对光伏组件光谱响应及发电能力进行评价。

1 总体设计方案

按照IEC61853-2 2016的要求，本文介绍的PV光伏组件光谱入射角特性检测系统需要测量的参数和数量以及所需的传感器，如表1所示。

表1 系统测量参数、数量、所用传感器汇总表

1.1 主要参数指标[1]

1）环境温度、被测组件和参考组件的温度的精确度为±1℃，重复性为±0.5℃。

2）1000 W/m2条件下，被测试组件短路电流和参考组件电流的精确度为±0.2%。

3）被测试组件法线与太阳的倾斜角度的精度为±1°。

为测量以上参数，光伏组件光谱入射角特性检测系统包括：双轴太阳跟踪支架、数据采集及自动控制系统、直射辐射计及跟踪系统。直射辐射计及跟踪系统实时跟踪太阳位置，测量直射辐射量和太阳实时位置；数据采集及自动控制系统采集所有传感器数据，并控制双轴太阳跟踪支架转动到相应角度；双轴太阳跟踪支架上安装光伏组件和各种传感器，并可在方位角与俯仰角两轴分别旋转。

1.2 总体设计方案的要求

1）太阳跟踪支架，采用方位角与俯仰角两轴分别旋转的设置。

2）方位角旋转范围-90°到+90°；俯仰角旋转范围0°到+80°，旋转精度为±1°。

3）方位角与俯仰角旋转速度分快速和慢速两档，快速为0.08rpm，慢速为0.04rpm。

4）方位角与俯仰角旋转有手动和自动两种驱动方式。

5）跟踪支架至少可以同时安装4片2m×1m组件,同时满足组件横向和纵向的放置,支架面积不小于4m×4m。

2 器件选型

按照IEC61853-2 2016的要求和总体设计方案，选择的各主要器件见表2。

表2 器件选型表

3 数据采集及自动控制系统

3.1 硬件构成

数据采集及控制系统的硬件包括上位机和下位机。上位机是研华工控机；下位机是CR1000数据采集控制器。下位机控制双轴太阳跟踪支架转动，并连接传感器。

1）直射辐射计及跟踪系统CHP1+SOLYS2，输出：RS232；数量：1。2）下位机与上位机通过RS232 通讯。3）总辐射表CMP21，输出（0～1500W/m2）：0～20mV；数量：2。4）航姿系统HEC365，输出：RS232、485、TTL；数量：2。5）霍尔电流传感器HKA10-YSC，输出：4V±0.2%；数量：4。6）T型热电偶，数量：16。7）温湿度传感器41382，输出：0～1VDC或4～20mA；数量：1。8）风速传感器010C，输出：11V脉冲信号；数量：1。

3.2 软件功能

数据采集及控制系统的软件包括下位机软件（即CR1000软件）和上位机软件（即工控机软件）。

CR1000软件实时采集各传感器数据，控制双轴太阳跟踪支架转动到方位角和俯仰角都为0度，作为初始角度。控制双轴太阳跟踪支架自动正向快速旋转到方位角间隔测量角度，自动停止，如果方位角的实时值和设定值的差值超出误差范围，自动慢速调整，直到差值在误差范围以内，支架停稳后，闭合所选组件的继电器，测量所选组件（共四组，至少选两组）的短路电流（各个电流的测量间隔小于1毫秒）和温度；延时一定时长，继续转动到下一个测量间隔角度，自动停止，直到正向最后一个间隔角度。测量完成后，反向转动，也是每个间隔角度都自动停止并测量，直到初始角度0度。然后再负方向转动，测量过程与正方向相同，直到再次返回初始角度0度。一次试验完成，在试验过程中每个测量角度完成后都要实时将数据（电流、温度、总辐照度、环境温湿度、风速等）上传到上位机。此控制过程对方位角或俯仰角都是相同的。

工控机软件主要完成人机交互和数据处理功能。

人机交互功能主要通过曲线、动画、数字和按钮等方式实现。具体内容为：根据支架实际方位角和俯仰角动画显示，选择测试的光伏组件，更新当前太阳位置作为支架方位角和俯仰角的设定值，手动控制支架转动/停止，选择试验方式（包括方位角和俯仰角转动、转动范围等）。

数据处理功能指根据试验过程中各传感器的数据，计算出结果；结果数据可以文件形式保存至工控机，日后可调入该文件进行数据分析。