基于光伏板的灰尘检测监控系统设计

伍炜 陈敏 姚鹤梅 袁玲 何应梅 刘雅莉

摘要：本文旨在研究出一个应用于光伏板的监控系统，由于灰尘对光伏板的发电效率有非常大的影响，因此，本文采用灰尘传感器检测光伏板的灰尘，从所检测出的浓度通过传感器转化成数值，并通过电脑进行实时地监测，然后根据所设定的浓度参数检测判断光伏板是否需要清理;通过自动监测手段来进行实时监测灰垢对发电效果从而确定清洗方案和清洗时间，对于降低光伏发电系统的维护成本和提高发电利用率有很大帮助。因此，采用适当的技术手段对光伏板进行监控和清理，可以有效地提高光伏板的发电量和效率。

Abstract： The purpose of this paper is to study a monitoring system for photovoltaic solar panel. Because dust has a great influence on the power generation efficiency of photovoltaic solar panel， the dust sensor is used to detect the dust of photovoltaic solar panel， and the detected concentration is converted into a numerical value through the sensor. And the computer carries on the real-time monitoring， and then according to the set concentration parameters test to determine whether the photovoltaic solar panel needs to be cleaned; Monitoring ash in real time by means of automatic monitoring is very helpful to reduce the maintenance cost and increase the utilization of power generation. Therefore， adopting appropriate technical means to monitor and clean up the photovoltaic solar panel can effectively improve the power generation and efficiency of the photovoltaic solar panel.

关键词：光伏板;监控系统;灰尘检测;传感器

Key words： photovoltaic solar panel;monitoring system;dust detection;sensor

中图分类号：TM615                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）08-0179-03

0  引言

众所周知，灰尘对光伏板的发电效率有非常大的影响，主要是因为灰尘的堆积降低了光伏板表面的太阳透射率，因此与光伏板相关的研究工作受到了越来越多的关注。曾有外国学者对火星表面和月球表面灰尘颗粒物的沉降对光伏板的影响做过研究，研究包括灰尘的性质，灰尘传播的自然机制，导致灰尘悬浮的人类活动等，并推导出灰尘的堆积对太阳光透射率的影响。光伏发电是依靠太阳光进行发电的能源形式，其最主要的核心部件是光伏板，所以光伏板的质量和成本将直接决定整个发电系统的质量和成本。光伏板的理论发电效率大约为25%，实际的效率却不到23%;而受环境影响后的发电效率会降为17%～18%。由于灰尘对光伏板的发电效率和效益有很大的影响，设计一个基于光伏板的灰尘检测监控系统很有必要。

1  国内外的研究现状

1.1 国外现状

国外在灰尘对光伏板的研究方面做出了大量的研究，并得出了一系列具有研究性的结论。曾有西班牙Ciudad大學的学者对光伏板的匹配以及阴影对发电效率的影响做出了大量的实验研究，从而提出了光伏板的匹配系数，得出以下结论：光伏板经过串并联后的发电量比单个组件发电量之和大约少0.24%;此外，当光伏板被遮挡一半时，最理想的情况下功率大约损失19%，当全部被遮挡时，功率损失大约为79%。

此后，Salim等学者在沙特阿拉伯对光伏板面板积灰的除尘效果进行了相关研究，当选择固定倾角24.6°进行为期8个月的实验，会得出以下结论：每天清洗的面板比从未清洗的面板输出功率大约增加了32%。此外，当在印度Roorkee地区进行45°角的积尘遮挡实验，得出以下结论：在灰尘遮蔽作用下光伏面板的平均透射率在10天后大约降低了8%。

1.2 国内现状

我国在光伏研究领域也作出了许多研究，也得出了一系列比较有意义的研究成果，如陈东兵等学者蚌对埠2 MW光伏电站进行了大量实验，得出以下结论：灰尘在光伏面板上20天使组件发电功率大约减少了24%，平均每天降低1.2%。

此外，王峰等学者在西安城区某分布式光伏发电站中设计了大量对比实验，得出以下结论：在“降尘”天气影响下，城区灰尘对光伏系统输出功率有很大的影响，输出功率大约降低了15%。太阳能光伏板组件在阳光照射下，部分组件会受到遮挡导致无法工作，使得被遮挡的部分温度高于未被遮盖部分，致使温度过高出现烧坏的暗斑，导致电池热斑的形成。热斑可能导致整个光伏板电池组件的损坏，造成太阳能电池热斑的形成主要由两个内在因素构成，主要与内阻和光伏板电池自身的暗电流大小有关。

目前，建设太阳能发电系统的成本相对较高，从我国现阶段的太阳能发电成本来看，光伏电池组件费用的大约为60%～70%。一般情况下，计算发电量是在太阳能光伏板方阵面完全没有阴影的前提下。因此，如果光伏电池不能被日光直接照射，而只有散射光用来发电，此时的发电量比无阴影时大约减少了10%～20%。

2  主要研究内容

本文主要着力研究光伏板灰尘检测监控系统。该系统通过灰尘传感器来检测光伏电池板的灰尘浓度，用温度传感器来检测光伏电池的温度，用辐照度传感器来检测太阳光强度，將这些检测到的数据传输到电脑终端进行监控和显示，通过监测数据分析灰尘、温度对光伏板发电量的影响。

灰尘对光伏电池板的发电量影响较大，采用灰尘传感器检测光伏电池板的灰尘，从所检测出的浓度通过传感器转化成数值，并使之在电脑实时进行监测，然后在再根据所设定的浓度参数检测光伏电池是否需要清理，使得通过自动监测手段来实时进行监测灰垢对发电效果以便确定清洗方案和清洗时间，对于降低光伏发电系统维护成本和提高发电利用率。

3  系统设计

如图1所示为本文的光伏板灰尘检测装置的流程图，本文通过对各个传感器模块进行初始化设置后，装置上电后，进行初始化;当初始化完成后，灰尘传感器就可以实时检测光伏板表面的灰尘浓度，并通过传感器模块的显示单元进行显示;当灰尘传感器检测到灰尘浓度后，对各个传感器检测到数据进行汇总以及传输，从而实现各个设备的灰尘浓度数据统一传输到存储设备上进行统一的管理和显示;然后判断传感器设置的参数是否符合设备对于灰尘的需要，如果不符合，则通过远程通讯界面重新设置传感器的参数;同时实时检测并监控各设备的灰尘的浓度并进行实时的显示，同时并判断灰尘的浓度与被检测的设备可承受的阈值之间的关系：一旦灰尘浓度超过了阈值，进行报警并提示工作人员及时清洗相应设备上的灰尘，从而保证设备的正常使用。

本文主要建立在计算机测控技术上，计算机测控技术在实际生产活动中有着广泛的应用，是涉及到计算机技术、通信技术、网络技术和自动化技术的交叉学科，测控系统利用传感器将被测对象的物理参量，如温度、压力、流量等转换为电信号，再将这些电信号经实验装置转换为计算机可识别的数字信号，并且通过显示装置把数字、曲线或图形显示出来，计算机系统可以将采集的数据信息放入存储器中存储起来，进行数据的分析、处理和显示，可以根据需要将数据传输给监控中心，当需要对监控对象进行控制，需通过监控中心并根据测控单元采集到的参量大小和实际变化情况等按照具体工艺要求的设定值进行判断，决定是否需要给测控单元发送控制命令。测控单元则根据一定的控制算法在输出设备中输出相应的电信号，同时驱动执行装置执行动作，相应的计算机测控系统结构图如图2所示。

4  平台设计

本文通过MATLAB GUI 界面对整个系统进行实时的监控，通过对系统的监控，可以对清晰地掌握整个系统的动态数据，MATLAB GUI界面是一种人与计算机通信的界面显示格式，该界面允许用户使用鼠标等输入设备对屏幕上的图标或菜单选项进行操控，以选择命令、调用文件、启动程序或执行其它一些日常任务。与通过键盘输入文本或字符命令来完成例行任务的字符界面相比，图形用户界面有许多优点。

MATLAB GUI的设计包含界面设计和程序实现两部分，在 GUI 开发环境中，组建用户界面可以通过直接创建按钮、文本编辑区等控件来实现，各个控件的函数回调功能需要通过设置控件的属性及编辑相应代码来实现。

其中，系统设计的部分灰尘采集函数如下：

% --- Executes on button press in pushbutton7_kaishicaiji.

function pushbutton7_kaishicaiji_Callback（hObject， eventdata， handles）  %%开始采集数据

% hObject handle to pushbutton7_kaishicaiji （see GCBO）

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data （see GUIDATA）

Serial_zhizhen=getappdata（gcf，'Serial_zhizhen'）;%%%获得当前串口信息

tongji=0;

huichen=[];%%%灰尘值数组

TIME=[];%%% 时间数组

sjiange=get（handles.edit3，'string'）; %%%获取间隔参数

scishu=get（handles.edit4，'string'）;  %%%获取采样点数

jiange=str2num（sjiange）;

cishu=str2num（scishu）;

for i=1：cishu

stop_caiji=get（handles.radiobutton3，'value'）;

pause（jiange）;%%%间隔时间

data1 = fscanf（ Serial_zhizhen）;%读取串口数据

size（data1）;

if stop_caiji==1  %%%检测到停止采集信号时候  立即停止采集

break

end

tongji=i;

dd=data1（5：10）;

dd_num=str2num（dd）;

set（handles.edit1_fasong，'String'，num2str（dd_num））

%%%实时追踪文本，不覆盖显示

message_danqian=get（handles.edit2_jieshou，'string'）;

message_shishi={['第'，num2str（i），'次采集：时间：'，num2str（i），'s，灰尘浓度'，dd]};

message_shishi1=[message_shishi]';

message_zuizhong=[message_danqian;message_shishi1];

set（handles.edit2_jieshou，'string'，message_zuizhong）;

huichen=[WENDU;dd_num];

TIME=[TIME;jiange*i];

handles.axes1;

plot（TIME，WENDU）

axis（[0 cishu*jiange -10 40]）;%%分别给定x及y轴的范围

grid on

xlabel（'采样时间（s）'）;

ylabel（'灰尘浓度（mg/m^3）'）;

end

本文中，实现MATLAB GUI灰尘实时监控的M文件程序编写步骤包括：①建立串口设备对象并设置相应属性;②获得存在的有效串口号;③获取下拉列表的数据并进行串口设置;④获取端口号、数据位、校验位、停止位和波特率等值;⑤连接串口设备对象，然后打开相应的串口;⑥采集灰尘信息显示和灰尘曲线显示。

5  结论

本文主要着力研究灰尘对光伏发电的影响，通过分析灰尘传感器在光伏电池板上的应用，研究灰尘对光伏发电的影响机理，再进行光伏板灰尘检测系统的实验平台搭建，最后设计出一个光伏板灰尘检测监控系统。再根据灰尘浓度是否严重影响到光伏板发电，从而确定是否需要除尘。

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