一种太阳能光伏组件的户外测试平台及发电性能在线分析方法

摘要

本发明公开了一种太阳能光伏组件的户外测试平台及发电性能在线分析方法，包括两组光伏组件、电容组、功率电阻、充电控制电路板、蓄电池和多个单向开关；充电控制电路板包括CPU、辐照度测量模块、温度测量模块和存储模块；CPU通过控制单向开关的通断来实现两组光伏组件的切换，同时采集蓄电池电解液温度，并根据未来天气情况，执行蓄电池充电策略。本发明组件发电性能在线分析方法包括：将平台所测数据实时发送到远程控制计算机；对相同时刻的组件背板温度和组件共面辐照度进行划分；生成按温度、辐照度划分发电量的柱状图；最后生成两组件发电量的对比分析图。本发明实现了对两组太阳能光伏组件在户外复杂工作环境下的发电性能的对比评估。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能光伏组件的户外测试平台及发电性能在 线分析方法，属于太阳能技术领域。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，国内外对于能源的需求日益增加，尤 其是进入21世纪后，能源问题正成为社会、经济、环境等方面的重 要问题，因此新能源被愈加重视，太阳能作为一种绿色可再生资源， 在世界能源危机中扮演着日渐重要的角色。近几年国内太阳能光伏工 业迅速发展，各光伏企业的光伏组件产量逐年增长，对光伏组件的 可靠性日益提高，同时为了适应国际市场的要求，对于所生产的太 阳能组件在不同环境下性能准确而全面的测量，已成为各光伏企业生 产流程中必不可少的步骤。

目前国内光伏企业的电池片和组件测试环境，主要是基于室内的 太阳光模拟器，人为地控制电池片和组件所处的环境，以此获得太阳 能电池片或光伏组件在不同环境下的IV特性曲线，并对其进行测量 与绘制，其优势在于：可以人工控制辐照度、温度、组件所受应力 等工作环境要求，同时可以模拟各种恶劣的测试环境，获得组件所能 适应的极限工作环境。然而其存在明显的缺陷，室内模拟的太阳光 与实际光线存在区别，由于环境是人为模拟，不能有效反映组件在 户外复杂工作环境下的真实状态。因此，建立光伏组件的户外测试 平台对其进行户外环境下的IV特性曲线监测显得极为重要。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种太阳能光伏组 件的户外测试平台及发电性能在线分析方法，能够有效反映组件在户 外复杂工作环境下的真实状态，并且本发明的发电性能在线分析方法 实现了对两组太阳能光伏组件在户外复杂工作环境下的发电性能的 对比评估。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种太阳能光伏组件的户外测试平台，包括蓄电池、与 蓄电池并联用于控制组件对蓄电池进行充电的充电控制电路板、第三 单向开关及与第三单向开关一端相串联的第一组太阳能光伏组件、第 四单向开关及与第四单向开关一端相串联的第二组太阳能光伏组件、 第二单向开关及与第二单向开关一端相串联的供组件充电的电容组 和第一单向开关及与第一单向开关一端相串联的供电容组放电的功 率电阻；所述第二单向开关及电容组并联在充电控制电路板的两端； 所述第三单向开关及第一组太阳能光伏组件并联在第二单向开关及 电容组的两端；所述第四单向开关及第二组太阳能光伏组件也并联在 第二单向开关及电容组的两端；所述第一单向开关及功率电阻并联在 电容组的两端；充电控制电路板包括CPU模块、与CPU模块相连接 的通信模块、用于测量当前组件共面辐照度的辐照度测量模块、设置 在组件背板及空气中用于测量组件背板温度及环境温度的第一温度 测量模块、用于测量蓄电池电解液温度的第二温度测量模块和与CPU 模块相连接的实时时钟模块及存储模块；所述存储模块用于存储测试 时间、组件的IV特性曲线数据、当前组件共面辐照度数据、组件背 板温度及环境温度数据；所述辐照度测量模块、第一温度测量模块及 第二温度测量模块的输出端与CPU模块的输入端相连接；所述通信 模块与上位机相连接；CPU模块通过控制第一单向开关、第二单向 开关、第三单向开关和第四单向开关通断来实现第一组太阳能光伏组 件与第二组太阳能光伏组件的切换测量，同时采集蓄电池的电解液温 度，并根据所述上位机发来的未来天气情况，执行相应的蓄电池充电 策略对蓄电池进行充电。

上述蓄电池充电策略如下：(1)将各类天气划分为ABCD四个等 级；其中，A：晴；B：多云转晴，晴转多云；C：多云，多云转阴， 小雨，阵雨转阴；D：雷阵雨，阵雨转雷阵雨，大雨；

(2)根据前一年的气象站数据，和组件背板温度计算出各类天气下 的平均辐照度和组件背板的平均温度；

(3)由各类天气下的平均辐照度和组件背板温度，估算出每个组件 在各类天气下的发电量；然后根据所述上位机发送的未来一周 天气情况，可计算出未来一周组件对蓄电池的可充容量N；

(4)通过测量所述蓄电池的开路电压，估算出蓄电池的剩余容量， 定义蓄电池的总容量与当前容量之差为M；

(5)根据不同的N和M值执行不同的蓄电池充电策略，步骤如下： 1.若N<M,控制当前组件工作在最大输出功率点处，输出最大功 率；蓄电池以电流I＝0.1C恒流充电，同步采集电解液的温度T， 若T>40℃则停止充电，否则继续；

2.若M<N<2M,a.90Ah>M>＝60Ah

1.M在70Ah和90Ah之间，蓄电池以恒定电流I＝0.08C充电；

2.M在60Ah和70Ah之间，蓄电池以额定电压充电；

b.60Ah>M>＝30Ah

1.M在40Ah和60Ah之间，蓄电池以恒定电流I＝0.05C充电；

2.M在30Ah和40Ah之间，蓄电池以额定电压充电；

c.30Ah>M>＝5Ah

1.M在25Ah和30Ah之间，蓄电池以恒定电流I＝0.05C充电；

2.M在15Ah和25Ah之间，蓄电池以恒定电流I＝0.03C充电；

3.M在5Ah和15Ah之间，蓄电池以额定电压充电；

d.M在0Ah和5Ah之间，则蓄电池以浮充电压进 行浮充；

3.若N>2M,则1.蓄电池以恒定电流I＝0.03C充电，使蓄电池容 量增加10％M；

2.蓄电池以恒定电流I＝0.08C充电，使蓄电池容 量增加30％M；

3.蓄电池以额定电压充电，使蓄电池容量增加 30％M；

4.蓄电池以恒定电流I＝0.03C充电，使蓄电池容量 增加20％M；

5.蓄电池以浮充电压进行浮充。

步骤(5)中，第一组太阳能光伏组件最大功率的确定方法如下： 通过控制所述第三单向开关和第二单向开关闭合，所述第一单向开关 和第四单向开关断开，则所述第一组太阳能光伏组件与电容组相连对 电容组充电，充电的同时采集所述第一组太阳能光伏组件的IV特性 曲线，根据该曲线计算出第一组太阳能光伏组件当前最大输出功率； 第二组太阳能光伏组件最大功率的确定方法如下：通过控制所述第四 单向开关和第二单向开关闭合，所述第一单向开关和第三单向开关断 开，则所述第二组太阳能光伏组件与电容组相连对电容组充电，充电 的同时采集所述第二组太阳能光伏组件的IV特性曲线，根据该曲线 计算出第二组太阳能光伏组件当前最大输出功率。

通过控制所述第一单向开关闭合，第二单向开关、第三单向开关 和第四单向开关断开，所述电容组通过功率电阻放电。

上述CPU模块采用的是TI公司生产的DSP芯片TMS320F28035。

上述辐照度测量模块采用的是IMT Solar公司生产的硅辐照度传 感器。

上述第一温度测量模块采用的是温度传感器，所述温度传感器具 体采用的是多个Pt100铂热电阻。

基于上述的户外测试平台的组件发电性能在线分析方法，包括以 下几个步骤：

(S1)将所述户外测试平台所测数据通过通信模块实时发送到远 程控制计算机，并存放在数据库中；所述户外测试平台每五秒测一组 数据，每组数据包括采集数据时的时刻值；两块组件的IV特性曲线 数据，每块组件的IV特性曲线包含256个组件工作点的电压值和电 流值；当前组件共面辐照仪测量的辐照值；组件背板的两个温度测试 点的温度值和环境的温度值；组件当前的短路电流值、开路电压值、 最大功率点处的功率值和电流电压值；

(S2)将太阳能光伏组件的功率单位转换成KWh，所述户外测 试平台每五秒测一组数据，计算出组件每五秒的发电量，对相同时刻 的组件背板温度和组件共面辐照度进行划分，计算出两组件在每个温 度区间和辐照区间上的总发电量；

(S3)将每天所述户外测试平台所测数据全部发送到远程控制计 算机后，则自动生成第一张按温度划分的两组件在各温度区间发电量 的柱状图，第二张按辐照度划分的两组件在各辐照区间的发电量柱状 图，以及两组件一整天各时间点发电量的折线图；

(S4)当所述数据库存有一个月的数据时，则自动生成当月两组 件发电量的对比分析图，并且根据所测数据实时显示两组件的各项性 能参数。

步骤(S2)中，组件背板温度从10℃到60℃每5℃为一个区间， 组件共面辐照从0到1300W/m²每100W/m²为一个区间。

本发明可以通过充电控制电路板实现两组太阳能光伏组件的切 换测量。在远程控制计算机上可实时显示当前所测量的太阳能光伏组 件的环境因素(太阳辐照度和组件温度、环境温度)，其可真实的反 映太阳能光伏组件在不同气象条件下的工作情况；实现了对户外环境 下的IV特性曲线测试实验，实现了对两组太阳能光伏组件在特定环 境下的发电性能的对比评估。

附图说明

图1为本发明的太阳能光伏组件的户外测试平台原理框图；

图2为本发明的太阳能光伏组件的户外测试平台工作流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明 白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1，本发明的户外测试平台包括第一组太阳能光伏组件 101，第二组太阳能光伏组件102，电容组103，功率电阻104,充电 控制电路板105，蓄电池106，在第一组太阳能光伏组件101和第二 组太阳能光伏组件102之间分别连接有第三单向开关109和第四单向 开关110，电容组103与充电控制电路板105之间连接有第二单向开 关108,充电控制电路板105分别与电容组103和蓄电池106相并联。 电容组103由4个电解电容通过两俩串并联的方式组成。

其中，第一组太阳能光伏组件101其输出线经过第四单向开关110、 第二单向开关108与电容组103相连接，第一组太阳能光伏组件102 其输出线经过第二单向开关108、第三单向开关109与电容组103相 连接。第一单向开关107、第二单向开关108、第三单向开关109、 第四单向开关110可选用低导通MOSFET管来实现电流的通断。

当第二单向开关108、第四单向开关110导通和第一单向开关107、 第三单向开关109断开，第一组太阳能光伏组件101与电容组103相 连，当第二单向开关108、第四单向开关110断开和第一单向开关107、 第三单向开关109导通，第二组太阳能光伏组件102与电容组103相 连分别测试各自工作情况。

充电控制电路板105包括CPU模块、AD采样调理电路、辐照度 测量模块、第一温度测量模块、第二温度测量模块、实时时钟模块及 通信模块、大容量储存模块。

CPU模块与AD采样调理电路相连，测量环境因素的辐照度测量 模块、第一温度测量模块及第二温度测量模块通过信号调理电路与 CPU模块相连；大容量储存模块和3G通信模块直接与CPU相连；其 中，3G通信模块通过3G网络与上位机相连。

CPU模块为TI公司生产的DSP芯片TMS320F28035，其内置的16 路12位AD转换器，可实现对各路模拟信号的采样，并进行相应的信 号数据的调理。其中，需要进行采样和调理的信号包括：电容组两端 的组件工作电压，电流采样电阻上通过的组件工作电流，两组太阳 能光伏组件的背板温度，环境温度，太阳辐照度。

当DSP采样到各路模拟信号后，将测量时间、IV特性曲线数 据、环境参数通过SPI总线存储在优盘中；同时，DSP通过测试平 台的3G通信模块接入3G移动网络，使得DSP能够将测量的数据实 时发送到远程控制计算机，并存放在数据库中。其中大容量储存模块 可选用8G优盘，网络选用3G移动网络。以上工作处理完毕后测试平 台通过充电控制电路板以相应的充电策略对蓄电池进行充电。

参见图2，是一种智能太阳能光伏组件户外测试平台的工作流程 图。该工作流程如下：

(1A)控制第三单向开关109、第二单向开关108闭合，第一单向开 关107、第四单向开关110断开，第一组太阳能光伏组件101与电容 组103相连对电容组103充电，充电的同时采集第一组太阳能光伏组 件101的IV特性曲线。并根据所测曲线计算出组件当前最大输出功 率。

(2A)控制第一单向开关107闭合，第二单向开关108、第三单向开 关109、第四单向开关110断开，电容组103通过功率电阻放电。

(3A)控制第四单向开关110、第二单向开关108闭合，第一单向开 关107、第三单向开关109断开，第二组太阳能光伏组件102与电容 组103相连对电容组103充电，充电的同时采集第二组太阳能光伏组 件102的IV特性曲线。并根据所测曲线计算出组件当前最大输出功 率。

(4A)控制第一单向开关107闭合，第二单向开关108、第三单向开 关109、第四单向开关110断开，电容组103通过功率电阻104放电。

(5A)通过辐照度测量模块测量当前组件共面辐照，通过第一温度测 量模块测量组件背板温度及环境温度，并读取当前时间。步骤(1)- (5)大约需要200ms的时间来完成。

(6A)将所有数据存储到优盘，并通过3G通信模块发送到上位机。

(7A)采集蓄电池电解液温度，根据上位机发送的未来天气情况，执 行相应的蓄电池充电策略。

(8A)通过cpu定时器控制测试平台每五秒进行一次步骤(1A)-(7A)。 本实施例中，蓄电池充放电策略如下：

(1)将各类天气划分为ABCD四个等级。(A：晴；B：多云转晴，晴 转多云；C：多云，多云转阴，小雨，阵雨转阴；D：雷阵雨， 阵雨转雷阵雨，大雨)

(2)根据前一年的气象站数据，和组件背板温度计算出各类天气下 的平均辐照和组件背板的平均温度。

(3)由各类天气下的平均辐照和组件背板温度，估算出组件的发电 量。根据上位机发送的未来一周天气情况，计算出未来一周组 件对蓄电池的可充容量N。

(4)通过测量蓄电池的开路电压，估算出蓄电池的剩余容量。定义 蓄电池的总容量与当前容量之差为M。

(5)跟据不同的N和M值执行不同的蓄电池充电策略，步骤如下：

1.若N<M,控制组件工作在最大功率点处，输出最大功率。 蓄电池以电流I＝0.1C恒流充电，同步采集电解液的温度T，若 T>40℃则停止充电，否则继续。

2.若M<N<2M,a.90Ah>M>＝60Ah 1.M在70Ah和90Ah之间以 恒定电流I＝0.08C充电。

2.M在60Ah和70Ah之间以 额定电压充电。

b.30Ah>M>＝60Ah 1.M在40Ah和60Ah之间以 恒定电流I＝0.05C充电。

2.M在30Ah和40Ah之间以 额定电压充电。

c.30Ah>M>＝5Ah 1.M在25Ah和30Ah之间以恒定 电流I＝0.05C充电。

2.M在15Ah和25Ah之间以以恒 定电流I＝0.03C充电。

3.M在5Ah和15Ah之间以额定 电压充电。

d.M在0Ah和5Ah之间以浮充电压进行浮充。

3.若N>2M,则1.以恒定电流I＝0.03C充电，使电池容量增加 10％M

2.以恒定电流I＝0.08C充电，使电池容量增加 30％M

3.以额定电压充电，使电池容量增加30％M

4.以恒定电流I＝0.03C充电，使电池容量增加 20％M

5.以浮充电压进行浮充

本发明的基于户外测试平台的组件发电性能的在线分析方法，包 括以下几个步骤：

在远程控制计算机上使用VB编写设计监控程序。测试平台所测 数据通过3G通信模块发送到远程控制计算机后，首先将组件的功率 单位转换成KWh，将组件功率与随对应的相同时刻的组件背板温度 和组件共面辐照度进行划分。温度从10℃到60℃每5℃一个区间， 共面辐照从0到1300W/m²每100W/m²一个区间。每天的数据全部 发送到上位机后，自动生成第一张按温度划分的两组件在各温度区间 发电量的柱状图，第二张按辐照划分的两组件在各辐照区间的发电量 柱状图，以及两组件一整天各时间点发电量的折线图。当数据库里有 了一个月的数据时，自动生成三张当月两组件发电量的对比分析图。 同时在远程控制计算机的监控界面上根据所测数据实时显示组件的 各项性能参数。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优 点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上 述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明 精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改 进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权 利要求书及其等效物界定。