《太阳辐射与光伏》-第四章

4.1光伏组件开路电压与短路电流实测

这是太阳能光伏系统应用的一个非常经典和最为基础的实验之一。实验所需的仪器设备很少,步骤设计、数据表格绘制、具体实施等的难度均不大,安全风险方面也可以很好地控制。该实验虽然相对简单,但仍然值得我们细致严谨地去面对、记录和体验。特别是完成实测记录环节,建议从一开始就养成良好的习惯,实验会超越想象。如果我们是第一次接触光伏组件,实验过程还真会相当有趣。4.1.1光伏组件的铭牌(1)我们可以举个例子,请先看两张照片。如图4-1和图4-2所示,照片分别是从光伏组件的正面拍摄,以及其中一块组件背后的铭牌。图4-2是一种之前在光伏市场上非常流行的多晶硅太阳电池组件。下一页返回4.1光伏组件开路电压与短路电流实测

(2)组件铭牌的英文翻译。在国际市场上买回来的光伏组件,或者国内厂家出厂的专门用于国内销售的组件,其铭牌上都几乎看不见有中文字。尤其是在技术参数部分,可以说是几乎无一例外全是英文。关于这一点,语言这一关是必须要过的。组件铭牌的具体中文翻译记录在本书第五篇之后的附录,我们可以在上面通过手写的方式逐渐完备起来。当然,这其中的两个技术指标必须第一时间努力熟悉起来,即组件的开路电压及短路电流两项,英文的表述分别是Uoc和Isc。上一页下一页返回4.1光伏组件开路电压与短路电流实测

(3)峰值功率电流。峰值功率电流,是需要各位特别注意的一个技术指标。峰值功率电流与实验想要测量的短路电流肯定不是一回事。而且,在以后我们将会慢慢发现,峰值功率电流这个数据同样是相当有价值的。4.1.2如何测量光伏组件的开路电压1.测量电压的仪器和方法测量电压常见的仪器包括万用表、电压表、较高精度的台式万用表及电压测量设备,如微型数字显示电压测量单元部件等。图4-3所示为一台5-1/2位的台式万用表,其分辨能力比我们较为熟悉常见的手持式数字万用表更高,可看到实验中测量对象上更多的细微变化。上一页下一页返回4.1光伏组件开路电压与短路电流实测

由图4-3可见,当测量一个刚拆开包装、标称1.5V的干电池时,电池正负极两端的开路电压读数为1.59346V。可以预期,在本书后面的第6章进入离网光伏系统检测的时候,用这个测量仪器来测试系统储能电池的在线电压,哪怕是极细微的能量增减变化,都很有可能在电池端电压的变化上看出一些相关痕迹,并进一步探寻更多的动态规律。若我们还有更高精密程度的测试需求时,实验室里还备有一台比这个型号的分辨能力高一个级别的设备,可用于更高要求的精细分析。上一页下一页返回4.1光伏组件开路电压与短路电流实测

2.测量组件开路电压互动交流常常很有价值,本书排版时会在场景问题提出后专门留有一些空行,以方便读者手动去填写当时的第一时间回应。另外,初步写完后,建议千万不要忘了在后面注上详细的年、月、日,甚至是具体的时间点。具体操作时有如下三点思考:(1)组件应该放哪里?室内、直接置于户外阳光下,还是用黑布遮住?(2)测试仪器选了哪个?全准备好了吗?连接电路图、连接件、电线都备齐了吗?仪器需要电池供电吗?若有电池供电那么电池本身已经充好电了吗?仪器开机是否正常?是否需要先行在室内检查一下仪器是否可信?(3)这个实验有危险吗?人员会不会有触电或被电击的风险?仪器自身会不会有危险?具体的表笔、挡位、量程1都完全核对好了吗?上一页下一页返回4.1光伏组件开路电压与短路电流实测

3.推荐的实测数据记录表格具体记录表格需自行绘制,表格中宜包含但不限于的元素建议如下:时间、地点、测量仪器(含序列号或实验室贴的内部编号)、测量对象、测试人员组成名单;预期值(实验开始之前需先完成填写)、实测值、实测与预期值的相对偏差(百分比);可尝试进阶探索的实际多次测量时的特殊或规律现象记录(如组件倾角、方位角、不同时间的变化的初步尝试性探索及第一手测量数据的记录)。上一页下一页返回4.1光伏组件开路电压与短路电流实测

4.1.3组件短路电流的测试与前面开路电压的测试项目类似,我们可触类旁通。重要的是:①提高重复的或相近的操作精度及效率;②重点找出关键特征点进行有针对性且严谨的探究。此处需特别强调的核心主要有:(1)挡位和量程的选择。表笔插口确认?电流及交、直流挡位选择正确?测量的最大量程、分辨力都没问题?(2)当前拟进行的这一步,确实真的可以放心安全操作吗?是否需要指导老师帮再次确认?(3)在每一次动作之前,均请初步预期当前拟进行这一步操作可能出现的测量数据值(或可能的数据范围)。上一页下一页返回4.1光伏组件开路电压与短路电流实测

特别警告:对高压大功率组件,当太阳辐射强度较大时,正负输出短接与切断操作的瞬间均可能有强烈的电弧。这并不是说简单的人员绝缘装备保证好了就不会触电,就可以确实保证人员的安全,其实仍然存在相当多的潜在风险。如极端情况下组件在阳光下的短接仍然可能会有皮肤烧伤、高温烫伤等的风险;而电弧放电的刺眼光线甚至对眼睛有直接造成损伤的风险等。当然,硬件本身的风险,如MC4的接插件、甚至是光伏组件也增加了风险。由此可见,文前所提的遮光黑布,也许会是一个不错的工具。上一页下一页返回4.1光伏组件开路电压与短路电流实测

∗∗∗任务进阶∗∗∗短路电流实际测试时,如果可以设法让其电流在实测过程中缓慢上升,并最终稳定在峰值,那对设备本身自然是非常有利的,对人员的人身安全方面同时也有相当程度的提高。希望可以有最为简单同时又安全可靠的方法,可以通过讨论得出3种,甚至有更多的可行方案。遮光黑布完全把组件遮挡然后缓慢移开、组件反扣在地面上把输出正负极短接好后再平缓地将组件慢慢翻转、组件放在室外现场可以找到的阴影中缓缓平移到阳光底下、使用光伏组件的户外测量专用设备如IV400等方法,这些全都是可行的吗?上一页下一页返回4.1光伏组件开路电压与短路电流实测

为此,我们专门设计了一个可实现组件短接实测过程中电流自动缓慢上升的电路,申请了国家的实用新型专利并获得授权———“一种光伏组件的现场测试仪”。此处我们摘录了其中的关键电路设计,图4-4所示为“一种光伏组件的现场测试仪”的核心电路原理图,供各位读者参考。该图源自公开的专利技术文件,我们可通过国家知识产权局官网搜索获得更为详尽的描述。如图4-4所示,该电路设计相当简单清晰,电流动态上升时线性效果良好。另外,用户在现场操作过程中还有一大优势,即该设备无须使用任何外接的电源,自然也就不再需要电源开关。整台测试仪在人员操作方面只配有一个启动按钮,及一个用于判定人手操作是否已获得许可的“准备就绪”LED指示灯。上一页下一页返回4.1光伏组件开路电压与短路电流实测

现场运行时,在接入光伏组件的瞬间,不会有任何可见的电火花。待到指示灯自动点亮之后,只需手动按一下启动按钮,光伏组件的输出电流将平稳地提升直至进入最后稳定的设计短路状态。此时,我们即可安全地读取安培表上组件的短路电流数据。上一页返回4.2光伏组件Uoc

与太阳辐射强度的关联测试

经过前面4.1节“光伏组件开路电压与短路电流实测”的训练,开路电压Uoc的测量没问题了,那与太阳辐射强度如何实现关联,关键点是在哪里呢?最基本的关联可以有如下两个要点:(1)获取太阳辐射强度的实时数据;(2)如何将开路电压测量与太阳辐射强度数据同时记录。当然,进一步的希望是将数据输入软件中,生成二者相关联的曲线。太阳辐射强度的动态测量数据,其传感器安装在实验室顶楼的天台上,如图4-5所示。传感器实时测量所得的一些数据,通过通信协议在实验室门口的显示屏上公开,具体如图4-6所示。下一页返回4.2光伏组件Uoc

与太阳辐射强度的关联测试

具体地,显示屏的数据是通过安装在实验室顶楼的传感器检测太阳辐射强度的值,通过数据采集器生成动态数据库的读取而最后公开出来的。一般情况下,太阳辐射强度变化不剧烈时,可以认为与我们测量的光伏组件Uoc值二者基本上是同步的。至于实验室5楼显示屏数据与顶楼天面之间的物理距离,如何实现同步的记录,相信我们可以想出很多的办法。不过,具体在一些细节上还是很值得我们去思考,以求获取更小的时间差。实验数据表格的绘制及后期处理,一些安全方面应该注意的事项,我们均可以适当参照上一节的思路去完成,在此不做详细的描述。至于进阶的内容,毫无疑问,应该是做光伏组件Isc与太阳辐射强度的关联测试。尤其是完成了Uoc与辐射强度的关联测试并生成曲线之后,相信测量Isc与辐射强度关联的愿望会特别强烈。上一页返回4.3阀控密封铅酸蓄电池对卤钨灯放电曲线实测

阀控密封铅酸蓄电池对卤钨灯放电曲线实测,这是一个非常典型的基础实验。经历了完全手动读数与记录,直到把蓄电池放电至一个获得允许的相当低的储电量水平,然后测绘出曲线。读者在这一过程中可以真切地体验常用的阀控密封铅酸蓄电池的持续放电工作状态,对离网光伏系统的探索起到非常关键的基础作用。图4-7所示为学生在实验室做阀控密封铅酸蓄电池对卤钨灯放电曲线实测时的场景。本实验内容本身没有特别的窍门和难度,具体操作及思路方面可详细参照本章的4.1节流程分析进行展开。其中特别需要提醒的潜在风险至少有三个:①卤钨灯珠的高温,非常高危;②近距离下卤钨灯的光线较为刺眼,中等级危险程度;③蓄电池正负极可能不小心地短接,高等级危险。下一页返回4.3阀控密封铅酸蓄电池对卤钨灯放电曲线实测

卤钨灯珠不仅在正常点亮时有极高的温度,哪怕是断电熄灭,在数分钟后灯珠的残余高温还有可能维持在烫伤人体皮肤的程度,对此需要做出特别的重点防护。至于卤钨灯光线的刺眼问题,设法遮挡不让眼睛直视到即可。最后,蓄电池正负极万一短接,那可不仅仅是有可能损伤蓄电池内部、接线端子灼伤、导线的局部高温熔化等设备问题,连人员都有可能受到高温、炫目,甚至火灾等人身风险的威胁。因此,务必小心严格预防。另外,在一些具体操作细节上值得我们每时每刻做好思想准备,同时完备相应的操作规则。本实验的电路图非常简单,数据表格的制定、具体操作流程等在这里均为无须过多描述。但哪怕再简单的工作,对初入门的读者,比如电路图是必须自己画好且经核对确实无误后,才开始严格依据手绘的电路图逐根线进行有序的电气连接。上一页下一页返回4.3阀控密封铅酸蓄电池对卤钨灯放电曲线实测

另外,实际测试过程,在没有特殊需求的情况下,蓄电池放电终止电压在线测量值定在10.8V或以上较为合适。还有一个补充,操作起来非常简单。就是在实验过程中,把卤钨灯断电之后,让万用表继续保持连在蓄电池上。当然,要继续读取蓄电池的电压数据,每隔固定的时间间隔就人工记录一次。至少测试15min以上,把实验获取的原始记录输入计算机的数据处理软件,如Excel等。通过软件自动生成蓄电池电压的曲线,然后再行探讨。上一页返回4.4自定制光伏组件对蓄电池直接充电的尝试实训

自定制光伏组件对蓄电池直接充电的尝试实训,是一个有趣的故事。当时国际市场上的太阳能控制器售价很贵,而且可选择的太阳能控制器型号非常稀少。也许是基于市场利益的驱动,也有可能就是一种无知无畏,现在回想起来,能够提出这种商业需求,真的是一种勇气。当时我们听到客户提出这一需求,第一反应都是相当惊讶。后来,经过与客户反复沟通以及相当多的评估测算之后,我们还居然真的把这种不带控制器特殊定制的离网系统给做了出来。显然,客户的需求里有一对非常明显的矛盾:这种由光伏组件对蓄电池直接充电的系统,当然必须得保证蓄电池足够的安全。为此,只好强制性地限制光伏组件的最高输出电压。另外,为了利用一天中更长时间的阳光资源,系统希望光伏组件的输出电压相对较高。那是因为,若组件设计的电压值过低,我们将要等到阳光非常强烈才有可能观察到有充电电流产生。下一页返回4.4自定制光伏组件对蓄电池直接充电的尝试实训

必须强调的是,这套光伏组件直接对蓄电池充电的系统是当时专为非洲客户定制,虽然历经数年的使用仍然保持着相当的安全性,但若有读者想要简单地直接把其中的详细参数全盘复制后整套照搬来使用,那么系统出现安全问题的概率相信是存在的。甚至,其危险系数还挺高。因为,这一极其特殊的设计,是基于当时非常详尽地深究了当地居民具体用电习惯、当地太阳辐射变化情况、气候特别是白天的极限温度(主要是低温)、人为介入的可操作程度等细节综合而成。方案实际上相当保守,更直白而言是发电量牺牲较多。因此,最终我们的设计是在当地太阳早上和傍晚的时候均基本放弃充电,在正午的前后可实现安全充电。特别是保证冬天阳光极为强烈时,以及综合考虑可能的极限负载等情况下,系统仍然安全。上一页下一页返回4.4自定制光伏组件对蓄电池直接充电的尝试实训

当然,因为所有定制的数据都是专为特定的太阳资源、气温条件及用电容许等情况反复修正综合而得,思路当然可以分享,但具体到设计数据上则不可能是通用的。我们实验室还专门定制了很多不同输出电压规格的小功率组件,甚至还有低于1V的光伏组件。如果需要,我们当然可以将多个组件串并联组合起来使用。如此,我们可以非常方便地第一时间去把自己各种的奇特想法付诸实际,轻松地实现在阳光下完成这一直接充电系统的搭建和数据测试。上一页返回4.5用人造光源直接给手机充电设计实验

用人造光源直接给手机充电设计实验,任务需要在夜晚,当然没有了阳光的能量。既然测试任务称之为直接充电,自然不允许使用任何储能器件,既不允许有蓄电池,电容器也不可以使用。理论上而言,人造光源只要足够强,光伏组件是可以输出充足电能的。只要经过科学的分析和计算,将人造光源光辐射的输出能量,还真有可能通过光伏组件转换为电能并直接供给手机充电。图4-8所示为人造光源直接给手机充电的设计实验。下一页返回4.5用人造光源直接给手机充电设计实验

关于人造光源,可以选用之前放电曲线测试实验用过的20W卤钨灯。先按单个灯计算,其输出的光辐射能量可以被光伏组件接收到的部分有多少;然后,分析光的能量通过光伏组件转变为电能输出多大的功率;如果组件输出的电能几乎全部转化为充入手机的能量,那么最终这个值是手机正常充电功率的几分之一。计算到了这里,思路已经非常清晰。假若我们算出来,单盏20W的卤钨灯最终转化到可充入手机的电功率是手机正常充电功率的1/10,那就是说需要有10盏20W的卤钨灯同时点亮才可以满足手机的直接充电需求。当然,实验时学生推算出来的灯泡数量都是远超过10盏的。充电进度条在动,可以证明手机输入端成功建立了可用的电压,但具体充电电流值的大小我们还是完全没有把握。即使手头暂时没有合适的设备,希望可测出转换模块的输出端到手机的充电电流值。上一页下一页返回4.5用人造光源直接给手机充电设计实验

这里我们所说的转换模块是光伏组件输出到手机充电口输入二者之间连接所需的适配器,具体可选用市面上成熟的DC-DC模块来搭建