本发明涉及一种基于开路电压测量的太阳能电池表面清洁度判断方法，属于新能源与高效节能技术领域。
背景技术：
截止2016年底，中国的光伏电站累计总装机容量已达77.42GW，居世界第一位。在光伏产业不断发展的同时，也应不断提升光伏电站的运维水平。其中，通过发展在线监测技术，光伏电站能够及时了解太阳能电池的工作状态，精确定位故障并进行精细化的维护和维修，这将会极大的减少运营成本，提高发电效率。
PN型太阳能电池在实际工业生产中，特别是在光伏发电产业中已经得到广泛使用。一般PN结太阳能电池光照下的直流等效模型如图1所示。其中Iph是恒流源，表示光照下太阳能电池产生的光电流；Rsh是太阳能电池的并联电阻，也被称为漏电阻，表示因为工艺等原因产生的漏电流的大小；Rs是太阳能电池的串联电阻，表示电池的接线电阻及接触电阻。Vout、Iout分别表示太阳能电池的输出电压与电流，其中开路时的电压用VOC表示。
开路电压在太阳能电池的实际工作过程中具有重要的参考意义，能在短期内实时表征电池的转换效率，在一定时期内，太阳能电池未发生明显老化或损伤的情况下，通过测定一定环境条件下电池的开路电压就能够了解其表面清洁程度，利于电站进行有计划的运营维护管理。
传统的太阳能电池开路电压测量方法主要有两种：一种是采用伏特表测量的方法，直接使用伏特表测量电池开路电压，当伏特表电阻远大于电池内阻的时候可以将伏特表的输出近似于电池开路电压；另一种是采用电势补偿的方法，构造电势补偿电路，通过调整变阻器使电池输出电压与补偿电路电压一致，使电池输出电流为零，从而测得电池开路电压。此外还有采用双通道源测量仪表和电化学工作站等方法。这些方法的共同点都是需要将太阳能电池从原有系统中分离，属于离线测量，无法实现太阳能电池开路电压的在线测量。
传统的太阳能电池等效串联电阻的测量方法主要有两类：曲线拟合法和I-V特性曲线法。曲线拟合法是基于太阳能电池的双二极管模型，利用无光条件下的电压与电流值拟合获得电池参数，由于其误差较大，计算量大，一般较少使用。I-V特性曲线法是利用光照下太阳能电池的I-V特性曲线求得串并联电阻，主要有明暗曲线比较法、斜率法、面积法、最大功率点法等，该方法的特点测量结果较为准确，但对测量条件要求较高，一般在实验室条件下使用。最新提出的基于交流阻抗谱的阻抗标尺方法，通过交流小信号来获取电池的交流特性，能够实现对太阳能电池等效串联电阻的测量和计算。
技术实现要素：
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于开路电压测量的太阳能电池表面清洁度判断方法。本发明能够实现太阳能电池表面清洁度的在线判断，拓展太阳能电池在线监测的内容，减少运维成本，提高运维效率。
本发明一种基于开路电压测量的太阳能电池表面清洁度判断方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)选取一个待检测的太阳能电池，测量在环境温度T01，T02，…T0m下该太阳能电池分别对应的等效串联电阻值Rs，01，Rs,02，…Rs,0m，其中m为测量序号；
(2)测量步骤(1)选取的太阳能电池洁净状态下在选定光照强度为E0时，分别在温度T01，T02，…T0m下对应的开路电压VOC,01，VOC,02，…VOC,0m；
(3)将温度T01，T02，…T0m下太阳能电池分别对应的等效串联电阻值Rs,01，Rs,02，…Rs,0m进行拟合，得到太阳能电池等效串联电阻Rs与环境温度T的拟合曲线；将温度T01，T02，…T0m下太阳能电池洁净状态下光照强度为E0时分别对应的开路电压VOC,01，VOC,02，…VOC,0m进行拟合，得到太阳能电池洁净状态下光照强度为E0时开路电压VOC与环境温度T的拟合曲线；
(4)使得太阳能电池处于工作状态下，选取光照强度为E0的时刻记为ti，测量ti时刻太阳能电池对应的输出电压Vout,i和电流Iout,i，以及环境温度Ti；
(5)通过步骤(3)得到的Rs与T的拟合曲线，获取在环境温度Ti下对应的ti时刻太阳能电池等效串联电阻值Rs,i；
(6)计算太阳能电池ti时刻在工作状态下的开路电压VOC,ti，表达式如下：
VOC,ti＝Iout,iRs,i+Vout,i
(7)通过步骤(3)得到的VOC与T的拟合曲线，获取在温度Ti下对应的ti时刻太阳能电池洁净状态下开路电压VOC,i；
(8)计算ti时刻下太阳能电池的表面清洁度μi并进行判定；
ti时刻下太阳能电池的表面清洁度μi计算表达式如下：
μi＝VOC,ti/VOC,i
当μi＝1时，表明该时刻太阳能电池表面非常清洁；当μi≥0.8时，表明该时刻太阳能电池表面较为清洁；当μi≤0.8时，表明该时刻太阳能电池表面清洁程度较差。
本发明的特点及有益效果在于：
本发明提出的一种基于开路电压测量的太阳能电池表面清洁度判断方法，是基于电参数测量的太阳能电池表面清洁度判断方法，能够避免过去凭借经验对电池表面清洁度进行定性地判断和预测，给出一种定量地对电池表面清洁度进行判断的方法，该方法无需将太阳能电池从原有系统中分离，为太阳能电池在应用场景下，特别是在光伏电站环境下的运营维护提供一种在线监测太阳能电池表面清洁度的方法，拓展太阳能电池在线监测的内容，减少运维成本，提高运维效率。
附图说明
图1是光照下PN型太阳能电池在开路时的等效电路示意图。
图2是本发明实施例中太阳能电池开路电压的实验数据示意图。
具体实施方式
本发明提出一种基于开路电压测量的太阳能电池表面清洁度判断方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。
本发明提出一种基于开路电压测量的太阳能电池表面清洁度判断方法，包括以下步骤：
(1)选取一个待检测的太阳能电池(对太阳能电池型号无具体要求，本实施例中采用晶科XX型号太阳能电池组件作为样例)，测量一系列环境温度T01，T02，…T0m下该太阳能电池分别对应的等效串联电阻值Rs，01，Rs,02，…Rs,0m(m为测量序号，环境温度的取值范围一般为电池工作环境温度的上下极限值，m与环境温度间隔均无特殊要求，一般根据实际精度需求而定。本实施例中环境温度取值范围-20℃至50℃，采样间隔为5℃)，太阳能电池等效串联电阻的测量可以通过曲线拟合法、I-V特性曲线法、阻抗标尺法等方法；
(2)测量步骤(1)选取的太阳能电池洁净状态下在选定光照强度为E0时，分别在温度T01，T02，…T0m下对应的开路电压VOC,01，VOC,02，…VOC,0m；所述洁净状态指太阳能电池刚进行过清洗表面无明显积灰的状态，光照强度E0可取电池所处工作环境的日照强度平均值；
(3)将温度T01，T02，…T0m下太阳能电池分别对应的等效串联电阻值Rs,01，Rs,02，…Rs,0m进行拟合，得到太阳能电池等效串联电阻Rs与环境温度T的拟合曲线；将温度T01，T02，…T0m下太阳能电池洁净状态下光照强度为E0时分别对应的开路电压VOC,01，VOC,02，…VOC,0m进行拟合，，得到太阳能电池洁净状态下光照强度为E0时开路电压VOC与环境温度T的拟合曲线；
(4)使得太阳能电池处于工作状态下，选取n个光照强度为E0的时刻分别记为t1，t2，…tn，(n根据实际工作环境的灰尘浓度，可在一个月内取1至10个测量点，即n＝1,2，…10)，分别测量上述每个时刻ti太阳能电池对应的输出电压Vout,i和电流Iout,i，以及对应时刻的环境温度Ti，i＝1,2,…n；
(5)通过步骤(3)得到的Rs与T的拟合曲线，获取在温度Ti,i＝1,2,…n下对应的ti时刻太阳能电池等效串联电阻值Rs,i；
(6)计算太阳能电池ti时刻在工作状态下的开路电压VOC,ti，表达式如下：
VOC,ti＝Iout,iRs,i+Vout,i
(7)通过步骤(3)得到的VOC与T的拟合曲线，获取在温度Ti,i＝1,2,…n下对应的ti时刻太阳能电池洁净状态下开路电压VOC,i；
(8)计算ti时刻下太阳能电池的表面清洁度μi并进行判定；
ti时刻下太阳能电池的表面清洁度μi计算表达式如下：
μi＝VOC,ti/VOC,i。
通过步骤(6)得到的太阳能电池ti时刻(温度为Ti)的开路电压VOC,ti与步骤(7)得到的太阳能电池ti时刻洁净状态下开路电压VOC,i之比来表示电池清洁度μi越大(μi的取值范围为0≤μi≤1)，清洁度越高，表明ti时刻太阳能电池表面越清洁：当μi＝1时表明该时刻太阳能电池表面非常清洁，当μi≥0.8时表明该时刻太阳能电池表面较为清洁，当μi≤0.8时表明该时刻太阳能电池表面清洁程度较差，已经影响电池发电量减少超过20％。
本实施例通过计算μ1,μ2,…μn n个清洁度数据可以获得太阳能电池表面清洁度在一定时期内连续变化的情况，有利于对电池清洁度进行更准确判断和预测，当清洁度下降(或预测下降)到一定值，如0.8时，可以进行电池表面的清洗，提高清洁度从而提高电池发电效率。
由于电池退化等原因，太阳能电池开路电压VOC与等效串联电池Rs会发生缓慢的变化，因此应在一定时间后(通常为一年)重新返回步骤(1)，获取新的VOC与T的拟合曲线以及新的Rs与T拟合曲线后再进行太阳能清洁度的测量与判断。
以下详细介绍本发明方法的工作原理：
太阳能电池的直流等效电路如图1所示，其中Iph是恒流源，表示光照下电池产生的光电流；Rsh是电池的并联电阻，也被称为漏电阻，表示因为工艺等原因产生的漏电流的大小；Rs是电池的串联电阻，表示电池的接线电阻及接触电阻。Vout、Iout分别表示太阳能电池的输出电压与电流，其中开路时的电压用VOC表示。VOC满足如下条件：
其中，VPN为图1所示模型中太阳能电池PN结两端电压，ISC是电池的短路电流，k是玻尔兹曼常数，Tc是热力学温度，I0是暗电流。
开路电压VOC作为重要的电参数一般在出厂前就会随机抽样进行测量和标记。通过大量的实际历史数据和加速退化实验数据我们发现，在太阳能电池工作过程中，一定光照和温度条件下的洁净太阳能电池开路电压随时间的变化率非常小，在短时期内可以认为不变。如图2所示，太阳能电池在经历400个周期的热循环加速实验后(在工业生产中通常对应于实际工作3万小时)，开路电压变化仅为0.26％。因此本方法的基本假设即一定光照和温度条件下，洁净的太阳能电池开路电压在短期内基本不变可视为成立。
同时由太阳能电池的物理原理，电池的短路电流ISC的大小和光电流Iph相等，Iph的大小由入射光通量和晶体硅电池的量子效率决定。其中入射光通量即从外界进入到太阳能电池的光的通量，量子效率则依赖于晶体硅电池的物理参数。在短时期内晶体硅电池未发生明显损失或老化的条件下，其物理参数可视为不变，即I0不变。可见，在其他条件相同的情况下，电池表面的清洁程度直接影响到光照进入电池的通量，从而影响短路电流ISC，进而影响到电池的开路电压VOC。因此在控制光照、温度等环境因素后，通过开路电压的大小即可以判断电池表明的清洁程度。
在太阳能电池开路电压不变的情况下，通过图1模型我们可以得到：
VOC＝Vout+IoutRs (2)
即可以通过太阳能电池的输出电流、电压和等效串联电阻获取开路电压VOC。