基于FBG 陣列的光伏電池板表面溫度場測量與研究

馮 飛，李國利，趙 恒，周金宇

（金陵科技學院 機電工程學院，南京 211169）

隨著傳統(tǒng)化石能源的不斷消耗，能源短缺和環(huán)境污染問題層出不窮。為了實現(xiàn)碳達峰、碳中和，緩解氣候變暖、溫室效應等問題，太陽能等清潔能源得到迅速發(fā)展。光伏發(fā)電是目前利用太陽能的主要方式，光伏發(fā)電的核心組件為基于單晶或多晶硅的光伏電池，其光電轉換效率極限約為30%，實際轉換效率為10%～26%，其余大部分太陽能則以熱能形式散失，導致電池溫度升高[1-2]。光伏組件發(fā)電效率受其自身溫度影響較大，發(fā)電效率隨著組件工作溫度的升高而降低[3-4]。同時光伏組件溫度還受太陽輻照度、灰塵及氣象條件等環(huán)境因素的影響，例如熱斑效應引起的光伏電池故障[5-6]。因此采取有效的冷卻方式降低光伏組件溫度，可提高其光電轉換效率。研究光伏組件表面溫度場分布規(guī)律及其影響因素對于優(yōu)化和改進其冷卻方式、改善發(fā)電性能具有重要意義。

目前光伏組件表面溫度檢測方式主要分為基于電學傳感器的接觸式測量和基紅外熱成像的非接觸式測量法[7-9]，具有研究技術成熟、應用范圍廣等特點，但針對大面積光伏組件溫度檢測，以上方法需要布置大量傳感器或采集大量圖像，成本較大、數(shù)據(jù)處理復雜、測量效率低、布線復雜、實時性差。而FBG 溫度傳感器可以很好地解決上述問題。

FBG 溫度傳感器作為一種新興的光學無源器件，具有體積小、耐腐蝕、成本低、易組網、抗電磁干擾、輻射能力強等傳統(tǒng)電學傳感器不具備的優(yōu)點[10-11]。并且可將多個不同波長的光柵串接在單根光纖上，實現(xiàn)分布式測量[12-14]。近年來，各國科研人員在FBG溫度檢測方面進行了大量的實驗與研究[15-17]。本文在光伏組件表面布置FBG 傳感器陣列進行多點溫度測量，研究光伏組件表面溫度場的分布、變化規(guī)律及與太陽輻射功率之間的關系。該方法提高了光伏組件溫度的測量效率，也為其他領域的表面溫度場測量提供了借鑒和參考。

1 FBG 溫度檢測原理

FBG 是通過將周期性擾動作用于光纖纖芯，使得其折射率發(fā)生周期性變化而形成的一種無源光纖器件[18]。FBG 由纖芯、光柵、包層、以及涂覆層組成，其結構如圖1 所示。

FBG 對光波具有篩選作用，當一束寬帶光在光纖Bragg 光柵纖芯中傳播時，滿足一定波長的光會被反射回來，其余波長的光繼續(xù)沿光纖向前傳播。由光纖耦合模理論可以得出，當寬帶光在FBG 中傳輸時，F(xiàn)BG 反射光的中心波長λB滿足Bragg 方程：

式中：neff為光柵纖芯的有效折射率；Λ 為光柵條紋周期。當FBG 所處環(huán)境的溫度發(fā)生改變時，由于FBG 材料的熱脹冷縮以及熱光效應，其中心波長發(fā)生改變。假定FBG 所處應力場恒定不變，僅受溫度變化的影響，則中心波長的相對位移滿足方程：

式中：α 為光纖的熱膨脹系數(shù)；ξ 為光纖的熱光系數(shù)。在一定溫度范圍內α 和ξ 為常數(shù)，波長變化Δλ與溫度變化ΔT 具有線性關系。因此可以通過檢測波長變化來得出溫度的變化情況。

2 FBG 陣列溫度測量系統(tǒng)設計

FBG 陣列溫度測量系統(tǒng)主要由FBG 傳感器陣列、可調諧激光器、三端口光纖環(huán)行器、PC 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、光接與轉換電路組成，將FBG 陣列布置在光伏組件表面，采用波分復用和空分復用技術實時檢測光伏組件表面9 個點的溫度，其系統(tǒng)結構如圖2 所示。光源使用具有高信噪比與輸出功率的可調諧激光器輸出的窄帶光源，其波長可在一定范圍內變化，激光器掃描步長及頻率可通過驅動器控制。分別在3 條光纖上串接3 個不同中心波長的FBG，光源發(fā)出的窄帶激光經環(huán)行器1 端到2 端，再進入到由光開關選擇傳感通道的FBG 傳感器陣列中，當光源波長與某FBG 的中心波長一致時，反射信號光強最大，反射光信號經環(huán)形器2 端到3 端進入光電轉換電路并被轉換為電信號，PC 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采集電信號并采用尋峰算法獲取信號電壓峰值實現(xiàn)對FBG 的波長解調及定位，比較各FBG 傳感器中心波長變化量可推算出被測點溫度。

圖2 FBG 傳感陣列溫度測量系統(tǒng)結構圖Fig.2 FBG sensing array temperature measurement system structure diagram

3 FBG 溫度標定

實驗使用3 路傳感光纖，每路刻有3 個光柵，共9 個FBG 傳感器，F(xiàn)BG 柵區(qū)長度為10 mm，帶寬最小為2 nm。在進行實驗之前，需要在溫控箱內對每個FBG 傳感器進行溫敏系數(shù)及線性度的標定。設置溫控箱溫度從10℃～70℃，以10℃為間隔對應1個溫度值并記錄FBG 中心波長，標定結果擬合曲線如圖3 所示。從圖3 中可以看出，各FBG 傳感器線性度均大于0.999，溫度靈敏度系數(shù)接近，中心波長變化與溫度呈良好線性關系。

圖3 FBG 標定結果的擬合曲線Fig.3 Fitted curve of FBG calibration results

4 實驗結果與分析

實驗使用多晶硅光伏電池板，其尺寸為960 mm×480 mm，光伏發(fā)電系統(tǒng)功率為800 W，使用導熱硅脂將FBG 傳感器附著到光伏電池板上，F(xiàn)BG1～FBG9分別緊貼P1～P9點并測量相應位置的溫度，如圖4所示。由于實驗使用未封裝的裸光纖光柵，存在應變和溫度交叉敏感問題，為消除FBG 受到面板應變變形和其他應力的影響，每串傳感光纖的上端使用膠帶固定，下端處于自由狀態(tài)。導熱硅脂有很高的導熱系數(shù)，并且可在溫度測量范圍內保持潤滑脂狀態(tài)，其內應力穩(wěn)定，既可以保證傳感探頭良好的溫度靈敏度，又可避免應變的干擾。實驗時將發(fā)電工作狀態(tài)的光伏電池板置于戶外晴朗天氣光照下，組件呈45°傾斜角，用透光率為0.5 的塑料薄膜對P7點區(qū)域電池進行100%面積遮擋來模擬熱斑故障。

圖4 FBG 傳感陣列布置圖Fig.4 FBG sensing array layout

上午11 點時，對光伏電池板表面溫度場進行測量，測量中發(fā)現(xiàn)P1、P2、P3、P4、P5和P6點溫度及變化情況相似，P8和P9點溫度及變化情況相似，P1、P5、P7和P9點FBG 溫度測量結果如圖5 所示。從圖5 中可以看出，光伏電池板上P7點溫度明顯高于其它點，最高可達67.4℃，說明該點受到熱斑影響。實驗時風向為東南風，有利于太陽能電池板P9點一側散熱，使得P9點溫度多數(shù)情況下略低于P1和P5點。

圖5 FBG 溫度測量結果Fig.5 FBG temperature measurement results

為進一步研究光伏電池板表面溫度場變化規(guī)律與太陽輻射功率之間的關系，使用太陽能功率計對太陽輻射功率進行測量。同時，測量光伏電池板P5、P7點及兩點所對應光伏電池板背面的P5B、P7B點溫度，并將一個FBG 傳感器置于光伏電池板正面空氣中測量環(huán)境溫度形成對照，其結果如圖6 所示。從圖6 中可以看出，光伏電池板表面溫度、環(huán)境溫度與太陽能輻射功率變化情況基本相同。正常工作的光伏電池正面溫度略高于背面，發(fā)生熱斑故障的光伏電池背面溫度略高于正面溫度。

圖6 FBG 溫度檢測與太陽輻射功率Fig.6 FBG temperature detection with solar radiation power

5 結語

針對光伏電池板表面溫度場檢測問題，使用空分復用與波分復用相結合的方法設計了一種基于FBG 陣列的光伏電池板表面溫度場測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在光伏電池板表面布置FBG 傳感陣列，采用可調諧激光器法和尋峰算法解調FBG 陣列各傳感器波長位移，實現(xiàn)對各點溫度的測量和定位。該系統(tǒng)具有實時性好、體積小、耐腐蝕、抗電磁干擾，易于遠程分布式測量及定位的優(yōu)勢。通過實驗，總結了光伏組件表面溫度場的分布、變化規(guī)律及與太陽輻射功率之間的關系。該系統(tǒng)提高了光伏組件溫度的測量效率，也為其他領域的表面溫度場測量提供了借鑒和參考。此外，依據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)，可進一步優(yōu)化和改進光伏電池板冷卻方式，對于改善發(fā)電性能具有重要意義。