馮 飛，李國利，趙 恒，周金宇

（金陵科技學(xué)院 機電工程學(xué)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(dá)峰、碳中和，緩解氣候變暖、溫室效應(yīng)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(zhuǎn)換效率極限約為30%，實際轉(zhuǎn)換效率為10%～26%，其余大部分太陽能則以熱能形式散失，導(dǎo)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(yīng)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(zhuǎn)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(jìn)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(xué)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(shù)成熟、應(yīng)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(fù)雜、測量效率低、布線復(fù)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(xué)無源器件，具有體積小、耐腐蝕、成本低、易組網(wǎng)、抗電磁干擾、輻射能力強等傳統(tǒng)電學(xué)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(jìn)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(jìn)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(guān)系。該方法提高了光伏組件溫度的測量效率，也為其他領(lǐng)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(jié)構(gòu)如圖1 所示。

FBG 對光波具有篩選作用，當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)，其中心波長發(fā)生改變。假定FBG 所處應(yīng)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(nèi)α 和ξ 為常數(shù)，波長變化Δλ與溫度變化ΔT 具有線性關(guān)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(shè)計

FBG 陣列溫度測量系統(tǒng)主要由FBG 傳感器陣列、可調(diào)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(zhuǎn)換電路組成，將FBG 陣列布置在光伏組件表面，采用波分復(fù)用和空分復(fù)用技術(shù)實時檢測光伏組件表面9 個點的溫度，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。光源使用具有高信噪比與輸出功率的可調(diào)諧激光器輸出的窄帶光源，其波長可在一定范圍內(nèi)變化，激光器掃描步長及頻率可通過驅(qū)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(jīng)環(huán)行器1 端到2 端，再進(jìn)入到由光開關(guān)選擇傳感通道的FBG 傳感器陣列中，當(dāng)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(jīng)環(huán)形器2 端到3 端進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換電路并被轉(zhuǎn)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(diào)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(jié)構(gòu)圖Fig.2 FBG sensing array temperature measurement system structure diagram

3 FBG 溫度標(biāo)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(jìn)行實驗之前，需要在溫控箱內(nèi)對每個FBG 傳感器進(jìn)行溫敏系數(shù)及線性度的標(biāo)定。設(shè)置溫控箱溫度從10℃～70℃，以10℃為間隔對應(yīng)1個溫度值并記錄FBG 中心波長，標(biāo)定結(jié)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(guān)系。

圖3 FBG 標(biāo)定結(jié)果的擬合曲線Fig.3 Fitted curve of FBG calibration results

4 實驗結(jié)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)變和溫度交叉敏感問題，為消除FBG 受到面板應(yīng)變變形和其他應(yīng)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(dǎo)熱硅脂有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，并且可在溫度測量范圍內(nèi)保持潤滑脂狀態(tài)，其內(nèi)應(yīng)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(yīng)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(jìn)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(jìn)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(jié)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(dá)67.4℃，說明該點受到熱斑影響。實驗時風(fēng)向為東南風(fēng)，有利于太陽能電池板P9點一側(cè)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(jié)果Fig.5 FBG temperature measurement results

為進(jìn)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(guān)系，使用太陽能功率計對太陽輻射功率進(jìn)行測量。同時，測量光伏電池板P5、P7點及兩點所對應(yīng)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(jié)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(jié)語

針對光伏電池板表面溫度場檢測問題，使用空分復(fù)用與波分復(fù)用相結(jié)合的方法設(shè)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(diào)諧激光器法和尋峰算法解調(diào)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(yuǎn)程分布式測量及定位的優(yōu)勢。通過實驗，總結(jié)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(guān)系。該系統(tǒng)提高了光伏組件溫度的測量效率，也為其他領(lǐng)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(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)光伏電池板冷卻方式，對于改善發(fā)電性能具有重要意義。