賴其濤

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引言

光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，由光伏電池片或鋼線切割機(jī)或激光切割機(jī)切割開(kāi)，由不同規(guī)格的太陽(yáng)能電池片組合構(gòu)成。用戶對(duì)組件測(cè)試的要求越來(lái)越高。組件測(cè)試的目的是測(cè)試其輸出特性，對(duì)電池的輸出功率進(jìn)行標(biāo)定，確定組件的質(zhì)量等級(jí)[1-2]。

太陽(yáng)能組件測(cè)試儀專門用于太陽(yáng)能多晶硅、單晶硅的電性能測(cè)試。目前，如何準(zhǔn)確地測(cè)試出額定功率卻長(zhǎng)期地困擾著組件的生產(chǎn)者和采購(gòu)者。針對(duì)這一情況，本文主要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中光伏組件需要進(jìn)行電性能參數(shù)的全自動(dòng)測(cè)試，進(jìn)行了測(cè)試系統(tǒng)的電控系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)控制對(duì)象

系統(tǒng)控制對(duì)象如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

測(cè)試系統(tǒng)的工作原理是，當(dāng)氙燈閃光照射到被測(cè)電池上時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)下達(dá)指令控制電子負(fù)載，進(jìn)而控制光伏組件中電流的變化，由此測(cè)出電池的伏安特性曲線上的電壓、電流、溫度和光照輻射強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，并把測(cè)試數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，最后顯示、打印。

1.1 溫度檢測(cè)

為確定地面用光伏組件的額定電氣參數(shù)(即電性能參數(shù))，國(guó)際電工委員會(huì)第82技術(shù)委員會(huì)推出了“標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(standard test condition,STC)”這個(gè)概念。其具體條件為：組件溫度25 ℃、輻照度1 000 W/m2、光譜輻照度分布AM1.5。

以晶體硅光伏太陽(yáng)能電池組件為例，測(cè)量其電性能常用的方式是，在精確控制光源照射強(qiáng)度下，進(jìn)行光伏組件的伏安特性曲線的測(cè)試，并嚴(yán)格控制光伏電池表面的溫度[3-4]。由于晶硅電池對(duì)溫度和光的強(qiáng)都很敏感，因此在進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候各種條件都需要仔細(xì)控制。對(duì)于測(cè)試光源，光強(qiáng)和光譜這兩個(gè)數(shù)據(jù)都極其重要，必須嚴(yán)格控制在AM1.5光譜[5-7]。當(dāng)測(cè)試在一定的溫度范圍內(nèi)，光伏組件溫度升高時(shí)，短路電流就會(huì)輕微地上升，而開(kāi)路電壓會(huì)產(chǎn)生較大幅度的下降，從而影響填充因子和最大功率。

綜上所述，溫度對(duì)于組件測(cè)試儀器來(lái)說(shuō)是非常重要的，所以必須給測(cè)試儀器配置一個(gè)高精度；高準(zhǔn)確度的工業(yè)測(cè)溫儀。系統(tǒng)中選取了美國(guó)雷泰公司MI3工業(yè)紅外測(cè)溫儀。Thermalert-MI3系列為非接觸式紅外溫度測(cè)量系統(tǒng)。該紅外探頭系列準(zhǔn)確地測(cè)量物體輻射的能量并將其轉(zhuǎn)化成溫度信號(hào)，測(cè)試精度可達(dá)±1 ℃。最大可能地滿足光伏組件測(cè)試儀器對(duì)溫度的需求。

采用符合IEC 529 (IP65,NEMA-4)的不銹鋼外殼把傳感探頭保護(hù)起來(lái)，并通過(guò)長(zhǎng)度為1 m的電纜連接到電路盒上。電路盒和傳感探頭是分離的，這樣傳感探頭就可以工作在較熱的環(huán)境中，環(huán)境溫度溫可高達(dá)65 ℃。

1.2 門狀態(tài)檢測(cè)

由于儀器對(duì)測(cè)試環(huán)境要求較高，要求保證1 000 W/m2的測(cè)試條件，所以將組件通過(guò)傳送帶傳入測(cè)試儀器以后，必須防止外界光源對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，以及測(cè)試時(shí)候儀器對(duì)外界環(huán)境的光污染。系統(tǒng)在組件進(jìn)入測(cè)試儀器以后要自動(dòng)關(guān)門，再啟動(dòng)測(cè)試，測(cè)試完成以后再自動(dòng)開(kāi)門，把光伏組件送出。為了防止組件在送入和送出和門相撞，因此要對(duì)門的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。當(dāng)控制系統(tǒng)下達(dá)開(kāi)門或關(guān)門指令時(shí)，由于電氣或機(jī)械的原因，門沒(méi)有按指令要求執(zhí)行。這個(gè)時(shí)候，對(duì)光伏組件的傳送會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的問(wèn)題。必須對(duì)指令的執(zhí)行進(jìn)行閉環(huán)控制，來(lái)檢測(cè)指令是否被執(zhí)行單元執(zhí)行到位；因此，在進(jìn)門的地方用了兩個(gè)霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)門的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。同理，在輸出門也安裝了兩顆霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)門的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以防止組件在傳送過(guò)程碰撞到門，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失。

1.3 光伏組件位置檢測(cè)

由于光伏組件是從流水線傳遞過(guò)來(lái)的，在整個(gè)測(cè)試和傳遞過(guò)程中要實(shí)時(shí)檢測(cè)流水線上方的狀況(有無(wú)光伏組件)，防止在光伏組件的傳遞過(guò)程發(fā)生碰撞，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失。

光伏組件由一個(gè)鋁邊框和玻璃板構(gòu)成，傳輸?shù)臅r(shí)候面朝上。光伏組件主要是由玻璃構(gòu)成，所以霍爾傳感器不適用。電容式傳感器和電感式傳感器對(duì)玻璃可以檢測(cè)，但不敏感，容易導(dǎo)致誤測(cè)，所以在這里選用了歐姆龍的紅外傳感器對(duì)電池板的傳輸位置進(jìn)行檢測(cè)，使光伏組件能夠精確地停在預(yù)定的位置。為了實(shí)現(xiàn)電池組件每次都能夠停在相同的位置，使用了歐姆龍的E3Z_Laser系列激光傳感器;該傳感器光點(diǎn)直徑為0.5 mm，數(shù)字信號(hào)傳輸，抗干擾性能好，能確保控制系統(tǒng)不誤操作，同時(shí)滿足傳輸?shù)轿痪_性。

1.4 開(kāi)門關(guān)門控制

系統(tǒng)通過(guò)控制氣缸的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)門開(kāi)關(guān)的控制，而氣缸的運(yùn)動(dòng)采用電磁閥控制。系統(tǒng)中，氣缸選用了SMC的薄型長(zhǎng)程氣缸CQ2A32-250DCM，電磁閥選用SMC的SYJ7120-C6。為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，要對(duì)門開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，在門的兩端安裝兩個(gè)霍爾傳感器對(duì)門動(dòng)作進(jìn)行嚴(yán)格的確認(rèn)。 由于門的開(kāi)關(guān)由兩個(gè)氣缸完成，當(dāng)一個(gè)氣缸的動(dòng)作出現(xiàn)異常，就可能會(huì)導(dǎo)致門發(fā)生傾斜而導(dǎo)致機(jī)械卡死。如果只裝有一個(gè)傳感器就無(wú)法監(jiān)測(cè)這種狀態(tài)，導(dǎo)致生產(chǎn)事故。因此控制系統(tǒng)下達(dá)對(duì)門進(jìn)行開(kāi)關(guān)命令以后，要檢測(cè)門實(shí)際的狀態(tài)，判斷命令是否有效，以決定下一步的動(dòng)作，防止電磁閥、氣缸、機(jī)械零件等發(fā)生故障而導(dǎo)致的生產(chǎn)事故。

1.5 電機(jī)的控制

由于傳輸線上傳輸?shù)墓夥M件，封裝在其內(nèi)部的硅片厚度只有100 μm左右，要求傳動(dòng)平穩(wěn)，并且傳遞到測(cè)試儀器內(nèi)部要求定位基本精準(zhǔn)，所以采用變頻器作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。

系統(tǒng)選用的變頻器為臺(tái)達(dá)的VFD002L21A,功率為200 W。項(xiàng)目中只對(duì)電機(jī)的起停位置和平穩(wěn)度有要求，所以對(duì)變頻器只需要配置他們的加速時(shí)間和減速時(shí)間，保證光伏組件能夠起動(dòng)和停止平穩(wěn)，增長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。電機(jī)的啟動(dòng)和停止指令通過(guò)多功能輸入端子進(jìn)行操作，接一個(gè)繼電器，以便控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

1.6 電子負(fù)載控制

測(cè)試中，需要對(duì)電子負(fù)載進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，以便軟件能夠進(jìn)行短路到開(kāi)路的測(cè)試；或者進(jìn)行開(kāi)路到短路的測(cè)試，獲得比較精確的短路電流和開(kāi)路電壓，打印出比較理想的功率曲線[8]。這里只要一個(gè)開(kāi)關(guān)量就可以實(shí)現(xiàn)了，但是有一個(gè)非常關(guān)鍵的地方就是閃光觸發(fā)以后，必須對(duì)電子負(fù)載進(jìn)行控制測(cè)量。電子負(fù)載的開(kāi)關(guān)控制由氙燈電源提供，氙燈電源進(jìn)行點(diǎn)燈以后，延時(shí)一段時(shí)間以后就對(duì)電子負(fù)載下達(dá)開(kāi)關(guān)指令，延時(shí)的時(shí)間是通過(guò)上位機(jī)可以配置的。

1.7 傳輸線傳動(dòng)控制

由于光伏組件進(jìn)入測(cè)試儀和傳出測(cè)試儀需要和外部的流水線進(jìn)行通信，項(xiàng)目中選用了CAN通信進(jìn)行測(cè)試儀器和其他傳動(dòng)裝置的聯(lián)系CAN通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性非常好，抗干擾性也很優(yōu)秀，并且現(xiàn)在的單片機(jī)系統(tǒng)都有內(nèi)置的CAN控制器，大大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

2 主控制板設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，項(xiàng)目中需要控制的輸入開(kāi)關(guān)量為6個(gè)，輸出開(kāi)關(guān)量為3個(gè)，CAN接口為2個(gè)，RS-485接口為2個(gè)。為了將來(lái)擴(kuò)展方便，為該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了12路輸入、10路輸出、2個(gè)CAN通信口、2個(gè)RS-485通信口。主控芯片采用STM32系列單片機(jī)。

3 軟件設(shè)計(jì)

由于項(xiàng)目中的測(cè)試對(duì)象光伏組件是通過(guò)傳輸機(jī)構(gòu)運(yùn)輸?shù)綔y(cè)試箱體內(nèi)的，為了保證整個(gè)傳輸能夠快速、穩(wěn)定、可靠、安全地運(yùn)行，必須對(duì)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，以確保組件在傳動(dòng)時(shí)不發(fā)送碰撞、跌落等安全事故。因此，必須為進(jìn)箱體傳輸機(jī)構(gòu)、箱內(nèi)傳輸機(jī)構(gòu)、出箱體傳輸機(jī)構(gòu)選擇合適的通信協(xié)議，并編寫(xiě)程序。由于進(jìn)箱體和出箱體基本結(jié)構(gòu)相同，把它們稱為A型節(jié)點(diǎn)、箱內(nèi)流水線稱為C型節(jié)點(diǎn)。

4 測(cè)試結(jié)果分析

打開(kāi)上位機(jī)軟件，設(shè)置好各參數(shù)開(kāi)啟采集，串口端口號(hào)根據(jù)實(shí)際的端口號(hào)配置，在每一臺(tái)設(shè)備上可能不一樣，設(shè)置電壓為氙燈工作電壓。隨著氙燈的老化，獲得同樣的光強(qiáng)需要更高的電壓，在實(shí)際測(cè)試中應(yīng)該根據(jù)光強(qiáng)傳感器的數(shù)值調(diào)整氙燈電壓。

軟件編制了組件測(cè)試儀電控系統(tǒng)的調(diào)試界面，設(shè)備在調(diào)試階段可以用此界面單獨(dú)控制各個(gè)傳動(dòng)控制部

件，查看他是否正常，也可以用在后期的故障排除，工作完成后由系統(tǒng)接管進(jìn)入自動(dòng)控制。

設(shè)備的電流-電壓/功率曲線如圖2所示。設(shè)備調(diào)試完成以后，流水線上放置光伏組件，將自動(dòng)地傳遞到測(cè)試儀器內(nèi)部，進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。測(cè)試完成以后，該圖以JPG文件保存在測(cè)試者設(shè)置的文件夾中，并生成測(cè)試報(bào)告。

圖2 電流-電壓的功率曲線圖

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)國(guó)際光伏組件測(cè)試儀器采用手工測(cè)試的現(xiàn)狀，以及廣大光伏組件生產(chǎn)廠的實(shí)際使用情況，研究了如何實(shí)現(xiàn)光伏組件的自動(dòng)傳輸測(cè)試，設(shè)計(jì)了符合生成實(shí)際需求的多種隔離措施的電控系統(tǒng)。根據(jù)組件廠生產(chǎn)情況表明，該光伏組件測(cè)試儀電控系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)行情況可靠穩(wěn)定，大大節(jié)省了勞動(dòng)力，提高了測(cè)試效率。