一种用于研究积尘对光伏组件性能影响的实验装置及系统的制作方法

本发明属于实验装置的技术领域，具体涉及一种用于研究积尘对光伏组件性能影响的实验装置及系统。

背景技术：

能源和环境问题已经成为当前全球关注的焦点之一。与传统石化能源相比，太阳能具有取之不尽、用之不竭、清洁无污染等优点，已经成为新能源的主要形式之一。在光伏发电系统研究中，除组件材料及转换效率、功率预测、逆变效率、最大功率点跟踪mppt、离并网控制、孤岛保护、电能质量管理等关键技术之外，对于长期运行的光伏系统而言，组件积灰及其影响也是一个不容忽视的问题。

大气灰尘在光伏组件上的沉积、附着和固结受到多种因素的影响，如组件倾角、风速风向、灰尘性质、环境湿度等等。

文献《积灰对光伏组件发电性能影响的研究》中测试了针对河北地区某光伏电站风沙对系统输出功率的影响，利用灰尘密度定量评定了光伏方阵表面积灰量的变化情况，从而反映出光伏表面积灰导致的输出功率降低；文献《灰尘覆盖对光伏组件性能影响的原位实验研究》在西安某地搭建光伏阵列实验平台，对光伏组件的温度、发电功率、太阳辐射强度及环境参数进行实时检测，设计光伏组件表面不同的积灰密度工况，对负载条件下同一时间段内检测的数据进行对比分析，得到积灰密度与光伏组件上层玻璃相对透光率、光伏组件工作温度以及发电功率的耦合关系；文献《积灰对多晶硅光伏组件效率影响的实验研究》在哈密地区开展863项目实验，测试积灰密度与非晶硅组件上盖板透光率以及组件最大功率点功率关系；文献《影响光伏系统高效利用太阳能的因素实验研究》在呼和浩特地区开展了不同安装方式对光伏系统性能影响的研究，对光伏组件固定倾角安装，双轴跟踪，垂直轴跟踪，南北轴跟踪等安装方式下所获得的太阳辐射量进行了模拟计算和实验研究；文献《光伏组件积尘特性及高效除尘方法研究》以杭州市区分布式光伏系统为研究对象，实验测试了积尘情况下的光伏组件输出功率衰减规律，证明了光伏组件定期除尘的必要性，分析了除尘机理、设计了除尘原理机构，并进行了仿真分析和实验验证。以上文献中的实验数据均在外界环境下进行，环境参数可检测但不可控。

发明专利《光伏板灰尘检测装置》、《光伏电池板的清洁度诊断方法及装置》、《一种光反射法检测光伏板清洁度的方法及检测器》、《一种光伏阵列自检测清洁装置》分别提出了不同的应用于实际光伏发电系统的积尘或清洁状况检测方法，涉及到背板温度检测、光照强度检测、发电量检测、光反射法、热红外成像等方法与技术，但未提及关于进行系统性对比实验的方法。

综上，目前存在的缺陷在于：

1.虽然不同研究者对光伏组件的积灰问题，尤其是积灰影响因素、积灰对组件的出力降低作用等进行了大量的实验研究和分析，但是多数实验过程是在同一个地区或户外进行，缺乏对实验过程所有影响参数(组件参数、雨雪、霜露、温度、湿度、光照、风向风速、灰尘成分及组成、支架角度等)的记录或综合分析，因此实验过程不具有可重复性，无法应用于其他光伏系统；

2.不同实验所处的环境和实验系统参数差异较大，造成文献记录的实验数据和结果相差较大，彼此之间缺乏可比性，也难以评价其优劣；

因此，急需一种较为综合的实验装置用于开展积尘对光伏组件性能影响问题的研究。

技术实现要素：

本发明提供一种用于研究积尘对光伏组件性能影响的实验装置，解决了现有装置的实验过程可重复性差、彼此之间缺乏可比性、也难以评价其优劣等问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种用于研究积尘对光伏组件性能影响的实验装置，包括封闭的箱体，设置在所述箱体内部的环境模拟装置、灰尘扬散装置、倾角控制装置、输出功率检测装置、摄像头及光伏组件；

所述环境模拟装置用于模拟光伏组件所处的环境状况；所述灰尘扬散装置用于模拟光伏组件所受到的灰尘状况；所述摄像头用于监视箱体内部的各个部件的工作状况；所述输出功率检测装置用于检测光伏组件的输出功率；所述倾角控制装置用于调节光伏组件与箱体的底部平面的倾斜角度。

进一步，所述灰尘扬散装置包括呈圆锥状的扬散器，所述扬散器的圆顶面上设置有多个灰尘存储罐，锥底部设置有电磁阀，每个所述灰尘存储罐整体均呈圆柱状，圆顶面采用门结构，用于灰尘的倒入，底端呈锥形状，所述锥形状穿过扬散器的圆顶面设置在扬散器的内部，所述锥形状的底部设置也有电磁阀，每个所述灰尘存储罐的内部顶端设置有红外测距传感器，用于测量灰尘顶面与灰尘存储罐顶部的距离。

进一步，所述环境模拟装置包括执行器、光源和风机，所述执行器用于向箱体内部施加制冷、加热、加湿和除湿操作，所述光源设置在箱体顶部，用于调节箱体内部的光照强度，所述风机设置有多个，用于调节箱体内部的风向及风速；

还包括设置在箱体内部的温湿度传感器、辐照度传感器、风速和风向传感器，分别用于测量箱体内部的温湿度、辐照度、风速和风向。

进一步，所述风机设置有四个，四个所述风机所处的平面与扬散器的锥底部处于同一平面，所述风速和风向传感器设置在风机下方中心且靠近光伏组件的位置。

进一步，所述倾角控制装置包括能够旋转的支架，所述支架的旋转轴和电机的输出轴相连，所述支架上设置有光伏组件。

一种基于上文所述的用于研究积尘对光伏组件性能影响的实验装置的控制系统，包括上位机，所述上位机和扬散控制器、倾角控制器、环境控制器、功率检测控制器、可调电子负载及摄像头相连；

所述扬散控制器和多个红外测距传感器和多个电磁阀相连，所述扬散控制器通过内部计时器计量各个电磁阀的连通时间；

所述倾角控制器和pwm信号驱动器、编码器相连，所述pwm信号驱动器及编码器和电机相连，所述编码器用于检测电机的转动角位移；

所述环境控制器和执行器、光源、多个风机、温湿度传感器、辐照度传感器、风速及风向传感器相连；

所述功率检测控制器与电流调理电路、电压调理电路和可调电子负载相连，所述电流调理电路和电流霍尔元件相连，所述电压调理电路和电压霍尔元件相连，所述电流霍尔元件和电压霍尔元件均与光伏组件相连，所述光伏组件和可调电子负载相连。

进一步，包括针对不同时间段的环境状况和灰尘状况，测量对同一被测光伏组件的性能影响的步骤和针对不同的灰尘状况和相同的环境状况，测量对同一被测光伏组件的性能影响的步骤。

进一步，针对不同时间段的环境状况和灰尘状况的实验方法包括：

步骤一、将被测光伏组件设置在支架上；

步骤二、在上位机上设置所述被测光伏组件所处地区的某一时间段的环境参数及光伏组件的倾角参数，利用上位机控制环境控制器完成设置的环境模拟，控制倾角控制器使光伏组件置于设置的倾角位置；

步骤三、在各个灰尘存储罐中分别装入所需种类的灰尘，由上位机控制扬散控制器打开各个灰尘存储罐对应的电磁阀进行灰尘收集，收集完毕后，打开扬散器的电磁阀进行扬散作业；

步骤四、通过上位机设置光伏组件的不同的负载值，控制可调电子负载对光伏组件施加对应的负载，通过输出功率检测装置测量对应的电压值和电流值，上传至上位机，进行绘制并显示相应的功率曲线；

步骤五、重复步骤二至四，测量对应其他时间段的功率曲线。

进一步，针对不同的灰尘状况和相同的环境状况的实验方法包括：

步骤一、将被测光伏组件设置在支架上；

步骤二、在上位机上设置固定的环境参数及光伏组件的倾角参数，利用上位机控制环境控制器完成设置的环境模拟，控制倾角控制器使光伏组件置于设置的倾角位置；

步骤三、在各个灰尘存储罐中分别装入所需种类的灰尘，按照某一灰尘扬散原则，由上位机控制扬散控制器打开各个灰尘存储罐对应的电磁阀进行灰尘收集，收集完毕后，打开扬散器的电磁阀进行扬散作业；

步骤四、通过上位机设置光伏组件的不同的负载值，控制可调电子负载对光伏组件施加对应的负载，通过输出功率检测装置测量对应的电压值和电流值，上传至上位机，进行绘制并显示相应的功率曲线；

步骤五、清洁光伏组件，重复步骤二至四，测量对应其他灰尘扬散原则的功率曲线。

进一步，所述灰尘扬散原则包括单一种类的灰尘，相同的量进行扬散、以相同比例将不同种类的灰尘混合后进行扬散及以不同比例将不同种类的灰尘混合后进行扬散。

本发明有益的技术效果在于：

1、能够人为设定温度、湿度、光照、风向、风速、灰尘成分及组成、支架角度、光伏组件的负载等参数，使得积尘对光伏组件性能影响的研究不再受特定地区、特定环境的限制，能够在任意场合进行，不受外界环境的影响；

2、实验过程具有可重复性，同时实验数据可应用于其他光伏系统的研究，具有通用性、可比性、检测精度高、可靠性高等优点。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的灰尘扬散装置的结构示意图；

图3为本发明的总体控制连接框图；

图4为本发明的输出功率检测装置的电路连接框图；

图5为本发明的灰尘扬散装置的电路连接框图；

图6为本发明的倾角控制装置的电路连接框图；

图7为本发明的环境模拟装置的电路连接框图；

其中，1-箱体，2-摄像头，3-光伏组件，4-扬散器，5-灰尘存储罐，6-电磁阀，7-红外测距传感器，8-光源，9-风机，10-温湿度传感器，11-辐照度传感器11，12-风速和风向传感器，13-支架。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明的总体结构示意图。本发明提供了一种用于研究积尘对光伏组件性能影响的实验装置，包括封闭的箱体1，设置在箱体1内部的环境模拟装置、灰尘扬散装置、倾角控制装置、输出功率检测装置、摄像头2及光伏组件3；环境模拟装置用于模拟光伏组件3所处的环境状况；灰尘扬散装置用于模拟光伏组件3所受到的灰尘状况；摄像头用于监视箱体1内部的各个部件的工作状况，倾角控制装置用于调节光伏组件3与箱体1的底部平面的倾斜角度；输出功率检测装置用于对光伏组件3施加负载并检测光伏组件3的输出功率。

如图2所示，该灰尘扬散装置包括呈圆锥状的扬散器4，在扬散器4的圆顶面上设置有多个灰尘存储罐5，锥底部设置有电磁阀6，每个灰尘存储罐5整体均呈圆柱状，圆顶面采用门结构，方便灰尘的倒入及罐体的密封，底端呈锥形状，该锥形状部位穿过扬散器4的圆顶面设置在扬散器4的内部，在锥形状部位的底部设置也有电磁阀6，每个灰尘存储罐5的内部顶端还设置有红外测距传感器7，用于测量灰尘顶面与灰尘存储罐5顶部的距离，这样可以及时反馈罐内灰尘的存储状况，一旦低于设定值，可打开罐体顶部的圆顶面进行补充，通过锥体结构的扬散器4及灰尘存储罐5，利用电磁阀6可以方便控制灰尘存储罐5内的灰尘流入扬散器4里及从扬散器4里扬散。

该环境模拟装置包括执行器、光源8和风机9，执行器用于向箱体内部施加制冷、加热、加湿和除湿操作，光源8设置在箱体1的顶部，用于调节箱体1内部的光照强度，风机9设置有四个且其所处的平面与扬散器4的锥底部处于同一平面，用于调节箱1体内部的风向及风速，使从灰尘扬散装置流出的灰尘更好地施加到光伏组件3上，扬散灰尘的效果更逼真；还包括设置在箱体1内部的温湿度传感器10、辐照度传感器11、风速和风向传感器12，分别用于测量箱体1内部的温湿度、辐照度、风速和风向，风速和风向传感器12设置在风机9下方中央且靠近光伏组3件的位置，这样可以更加准确地检测光伏组件3受到的风速和风向，模拟效果更加形象。

该倾角控制装置包括能够旋转的支架13，在支架13上设置有光伏组件3，该支架13的旋转轴和电机的输出轴相连，通过电机驱动支架旋转以便光伏组件3设置在所需的位置。

本发明还提供了一种基于上文所述的用于研究积尘对光伏组件性能影响的实验装置的控制系统，如图3所示，包括上位机，该上位机和扬散控制器、倾角控制器、环境控制器、功率检测控制器、可调电子负载及摄像头2相连。

如图4所示，该功率检测控制器与电流调理电路和电压调理电路相连，电流调理电路和电流霍尔元件相连，电压调理电路和电压霍尔元件相连，电流霍尔元件和电压霍尔元件均与光伏组件3相连，光伏组件3和可调电子负载相连，用于检测光伏组件3在不同环境参数、倾斜角度、积灰状况及负载状况下的输出功率。通过可调电子负载对光伏组件3施加不同的负载，输出的电流值通过电流霍尔元件和电流调理电路，送入功率检测控制器；输出的电压通过电压霍尔元件和电压调理电路，也送入功率检测控制器；由功率检测控制器将相应的测试值上传至上位机，进行绘制并显示相应的功率曲线。

如图5所示，扬散控制器和多个红外测距传感器7、多个电磁阀6相连，该扬散控制器通过内部的计时器计量各自对应的电磁阀6的连通时间；该灰尘存储罐5内存储研究所需灰尘，扬散器4用于扬散收集到的灰尘，通过扬散控制器4控制各灰尘存储罐的电磁阀6的开合时间，进而控制扬散灰尘的类型和比例，将所需的灰尘释放到扬散器里，并通过控制扬散器4的电磁阀6进行灰尘扬散，同时检测罐内灰尘是否充足。

如图6所示，倾角控制器和pwm信号驱动器、编码器相连，pwm信号驱动器及编码器和电机相连，该编码器用于检测电机的转动角位移，倾角控制器采用能够产生pwm信号的单片机；通过上位机输入设定的倾角，倾角控制器产生pwm信号，通过pwm信号驱动器对倾角控制器产生pwm信号进行功率放大，进而驱动电机调整角度，同时编码器检测目前电机的转动角位移回传至倾角控制器进行pid控制，直至倾角达到设定值。

如图7所示，环境控制器和执行器、光源8、多个风机9、温湿度传感器10、辐照度传感器11、风速及风向传感器12相连。通过上位机输入设定的温湿度值，温湿度传感器10检测箱内温度、湿度传输至环境控制器，与设定值对比，环境控制器发出相应的控制命令，打开或关闭执行器的制冷、加热、加湿、除湿阀门，同时温湿度传感器10不断检测箱体内部的温湿度，进行pid控制，直至箱体内部的温湿度达到设定值。

通过上位机输入设定的辐照度，辐照度传感器11检测箱体1内部辐照度传输至环境控制器，与设定值对比，环境控制器发出相应的控制命令，通过数模转换电路输出的电压值控制光源的亮度至设定值。

通过上位机输入设定的风速风向，开启箱体1内部的转速可调的风机9，风速和风向传感器12检测箱体1内部风速与风向，实际为四台风机9吹出风力矢量和的大小与方向，传输至环境控制器，与设定值对比，发出相应的控制命令，通过调节某一台或几台的风机9转速，使风速风向达到设定值。

本发明还提供了一种基于上文所述的用于研究积尘对光伏组件性能影响的实验装置的实验方法，包括针对不同时间段的环境状况和灰尘状况，测量对同一被测光伏组件的性能影响的步骤和针对不同的灰尘状况和相同的环境状况，测量对同一被测光伏组件的性能影响的步骤。

针对不同时间段的环境状况和灰尘状况的实验方法包括：

步骤一、将被测光伏组件3设置在支架13上；

步骤二、在上位机上设置所述被测光伏组件3所处地区的某一时间段的环境参数及光伏组件3的倾角参数，利用上位机控制环境控制器完成设置的环境模拟，控制倾角控制器使光伏组件3置于设置的倾角位置；

步骤三、在各个灰尘存储罐5中分别装入所需种类的灰尘，由上位机控制扬散控制器打开各个灰尘存储罐5对应的电磁阀6进行灰尘收集，收集完毕后，打开扬散器4的电磁阀6进行扬散作业；

步骤四、通过上位机设置光伏组件3的不同的负载值，控制可调电子负载对光伏组件3施加对应的负载，通过输出功率检测装置测量对应的电压值和电流值，上传至上位机，进行绘制并显示相应的功率曲线；

步骤五、重复步骤二至四，测量对应其他时间段的功率曲线。

实施例1：

某光伏发电系统所在地区5月外部环境如下，室外温度35℃，湿度40％rh，日平均辐照度800w·m²，西北风，风速5m/s，主要灰尘来源为土壤、沙尘、岩石，混合比例约为1:1:1；光伏面板型号为“墨格mg-m100”，面板与地面夹角45°。应用本发明的实验装置，模拟以上条件进行输出功率测量的步骤如下：

(1)安装“墨格mg-m100”光伏组件于支架上；

(2)通过上位机输入光伏组件与地面倾角参数：45°，通过倾角控制装置调节倾角至45°；

(3)通过上位机输入温度、湿度、辐照度、风向、风速参数依次为“35℃，40％rh，800w·m²，西北风，5m/s”，利用环境模拟装置，将本发明的密闭箱体内部的环境参数调节至以上值；

(4)将灰尘扬散装置中的三个灰尘存储罐中分别存入土壤即一号电磁阀控制、沙尘即二号电磁阀控制、岩石即三号电磁阀控制，通过上位机控制扬散控制器，依次打开一号电磁阀、二号电磁阀、三号电磁阀，每个电磁阀开启时长为t，当一个阀门开时，其他两个关闭，待土壤、沙尘、岩石三类灰尘收集完毕，开启扬散器的电磁阀进行扬散；

(5)通过上位机设置光伏组件3的不同的负载值，控制可调电子负载对光伏组件3施加对应的负载，通过输出功率检测装置测量对应的电压值和电流值，上传至上位机，进行绘制并显示相应的功率曲线，从而得出发电效率；

(6)完成以上实验后，若还需进行其他月份的发电效率测量，则将(3)、(4)中的数据改成相应月份的数据，重复(5)的测量即可，从而在实验室中轻松得到全年的数据，以供科研使用。

针对不同的灰尘状况和相同的环境状况的实验方法包括：

步骤一、将被测光伏组件3设置在支架13上；

步骤二、在上位机上设置固定的环境参数及光伏组件3的倾角参数，利用上位机控制环境控制器完成设置的环境模拟，控制倾角控制器使光伏组件3置于设置的倾角位置；

步骤三、在各个灰尘存储罐5中分别装入所需种类的灰尘，按照某一灰尘扬散原则，由上位机控制扬散控制器打开各个灰尘存储罐5对应的电磁阀6进行灰尘收集，收集完毕后，打开扬散器4的电磁阀6进行扬散作业；

步骤四、通过上位机设置光伏组件3的不同的负载值，控制可调电子负载对光伏组件3施加对应的负载，通过输出功率检测装置测量对应的电压值和电流值，上传至上位机，进行绘制并显示相应的功率曲线；

步骤五、清洁光伏组件3，重复步骤二至四，测量对应其他灰尘扬散原则的功率曲线。

其中，灰尘扬散原则包括单一种类的灰尘，相同的量进行扬散、以相同比例将不同种类的灰尘混合后进行扬散及以不同比例将不同种类的灰尘混合后进行扬散。

实施例2：

针对灰尘性质对发电效率的影响研究，可进行以下步骤的实验：

1)设置光伏组件3型号及安装倾角为固定值，同时设置密闭箱体1内部的温度、湿度、辐照度、风向、风速参数为固定值；

2)将灰尘扬散装置中的三个灰尘存储罐5中分别存入土壤即一号电磁阀控制、沙尘即二号电磁阀控制、岩石及三号电磁阀控制；

3)研究相同量、不同类型的灰尘对发电效率的影响，按以下三个步骤进行：

(a)打开一号电磁阀并持续t时间后，通过上位机设置光伏组件3的不同的负载值，控制可调电子负载对光伏组件3施加对应的负载，通过输出功率检测装置测量对应的电压值和电流值，上传至上位机，进行绘制并显示相应的u-i特性、p-v特性曲线，研究发电效率；

(b)清洁光伏面板，打开二号电磁阀并持续t时间后，通过上位机设置光伏组件3的不同的负载值，控制可调电子负载对光伏组件3施加对应的负载，通过输出功率检测装置测量对应的电压值和电流值，上传至上位机，进行绘制并显示相应的u-i特性、p-v特性曲线，研究发电效率；

(c)清洁光伏面板，打开三号电磁阀并持续t时间后，通过上位机设置光伏组件3的不同的负载值，控制可调电子负载对光伏组件3施加对应的负载，通过输出功率检测装置测量对应的电压值和电流值，上传至上位机，进行绘制并显示相应的u-i特性、p-v特性曲线，研究发电效率；

4)研究相同比例、不同类型的灰尘对发电效率的影响，按以下二个步骤进行：

①、清洁光伏面板，先后打开一号电磁阀、二号电磁阀，开启时长均为t，通过上位机设置光伏组件3的不同的负载值，控制可调电子负载对光伏组件3施加对应的负载，通过输出功率检测装置测量对应的电压值和电流值，上传至上位机，进行绘制并显示相应的u-i特性、p-v特性曲线，研究发电效率；

②、清洁光伏面板，先后打开一号电磁阀、二号电磁阀、三号电磁阀，开启时长均为t，通过上位机设置光伏组件3的不同的负载值，控制可调电子负载对光伏组件3施加对应的负载，通过输出功率检测装置测量对应的电压值和电流值，上传至上位机，进行绘制并显示相应的u-i特性、p-v特性曲线，研究发电效率；

5)研究不同比例、不同类型的灰尘对发电效率的影响：

清洁光伏面板，先打开一号电磁阀持续t时间，再打开二号电磁阀持续2t时间，通过上位机设置光伏组件3的不同的负载值，控制可调电子负载对光伏组件3施加对应的负载，通过输出功率检测装置测量对应的电压值和电流值，上传至上位机，进行绘制并显示相应的u-i特性、p-v特性曲线，研究发电效率。

本发明的实验装置能够人为设定温度、湿度、光照、风向、风速、灰尘成分及组成、支架角度、光伏组件的负载等参数，使得积尘对光伏组件性能影响的研究不再受特定地区、特定环境的限制，能够在任意场合进行，不受外界环境的影响；同时，实验过程具有可重复性，同时实验数据可应用于其他光伏系统的研究，具有通用性、可比性、检测精度高、可靠性高等优点。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。