水面光伏发电系统电气性能及环境场的监测装置及方法

本发明涉及水面光伏发电技术领域，更具体的说，是涉及一种水面光伏发电系统电气性能及环境场的监测装置及方法。

背景技术：

太阳能具有资源丰富、无污染、可持续性、无需运输等优点，在所有潜在的可再生能源候选中，被认为是最有前途的替代能源之一，在世界范围内得到了广泛的关注。光伏发电作为太阳能应用的主要形式之一，不需要消耗任何资源，也不会对环境造成破坏，加之政府的大力扶持，我国的光伏产业呈井喷式发展。

但由于现有技术的限制和光伏发电能量密度低的原因，大规模的陆基光伏发电系统需要占用大量的土地资源，这限制了农业用地的使用，引发了能源用地与粮食用地的争论。为了解决这一现实问题，实现土地资源的合理配置，一些创新的光伏模式应运而生，如水面光伏。水面光伏是指在水库、湖泊、海面等水面上建设的光伏电站。它的优点是不占用土地，发电效率高，可实现渔光互补等。

首先，水域对光伏组件的降温作用使得水面光伏发电效率显著高于陆上光伏，水面光伏的发电和综合性能已得到一些了解，但环境对性能的影响以及全过程和全生命周期性能演变受限于现有水面光伏电站性能和周围环境的监测方案，很难进行进一步的研究；其次，水面光伏产生大面积遮挡，直接影响建设水域水体的辐照强度，使得水体光合作用强度和水体环境要素过程发生改变，但由于目前水面光伏建设水域水下环境场的监测方法尚不完善，水面光伏与建设水域水下环境生态的互馈关系以及累积效应的量化评价的研究受到限制。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种水面光伏发电系统电气性能及环境场的监测装置及方法，能够监测水面光伏发电过程中电学参数、周围环境以及水体环境，为进一步优化发电系统、科学布置光伏阵列及后续的科学研究提供关键数据。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

本发明水面光伏发电系统电气性能及环境场的监测装置，包括电学参数及周围环境参数监测装置、背板温度测试装置、水面蒸发及水面环境场监测装置、水下环境场监测装置；

所述电学参数及周围环境参数监测装置用于监测水面光伏发电系统组串发电、汇流、逆变、箱变环节电学参数及周围环境参数，由光伏电池组串在线i-v曲线巡检仪、逆变器监测系统、发电单元监测系统、环境监测系统、数据平台组成，所述光伏电池组串在线i-v曲线巡检仪、逆变器监测系统、发电单元监测系统、环境监测系统均通过传输线与数据平台电连接，且采集的数据均存储于数据平台；所述光伏电池组串在线i-v曲线巡检仪连接于光伏电池组串和逆变器之间，用于监测光伏电池组串输出端的直流电学参数；所述逆变器监测系统连接于逆变器的输入端和输出端之间，用于监测逆变器的电学参数；所述发电单元监测系统连接在箱式变压器输入端，用于监测箱式变压器低压侧的电学参数；所述环境监测系统用于监测水面光伏发电系统周围的环境参数；

所述背板温度测试装置用于监测水面光伏发电系统中不同类型光伏板的背板温度，由组件温度测试箱和贴片式热电阻组成，所述贴片式热电阻贴合于光伏板背面，组件温度测试箱与贴片式热电阻电连接，采集监测数据；

所述水面蒸发及水面环境场监测装置用于监测水面光伏发电系统中不同类型光伏板下方水面蒸发情况及不同类型光伏板上方和下方的环境场，由蒸发皿、电子秤、手持式辐照仪、手持式风速仪组成；每种类型的光伏板下均至少安装两个蒸发皿，配合电子秤测量对应类型光伏板下方水面蒸发情况，通过手持式辐照仪和手持式风速仪定期测量光伏板上和光伏板下一定高度处的实时环境场；

所述水下环境场监测装置用于监测光伏布设区和水面裸露区的水体环境，由多参数水质分析仪和水样采集器组成；所述多参数水质分析仪用于定期在线测量光伏布设区和水面裸露区监测垂线上监测点的水体部分指标，所述水样采集器定期对监测垂线上监测点的水体进行取样并离线测量水体其他指标。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

本发明水面光伏发电系统电气性能及环境场的监测方法，包括：

监测水面光伏发电系统发电过程中的电学参数及周围环境参数；

监测水面光伏发电系统中不同类型光伏板的背板温度；

监测水面光伏发电系统中不同类型光伏板下方水面蒸发及不同类型的光伏板上方和下方的环境场；

监测光伏布设区和水面裸露区的水下环境场。

所述发电过程中的电学参数包括电流、电压、功率、发电量、频率、功率因数、填充因子；所述发电过程中的周围环境参数包括风向、风力、降雨量、温度、湿度、辐照度、光照反射率。

所述不同类型光伏板的背板温度的监测过程：贴片式热电阻贴合于光伏板背面，组件温度测试箱与贴片式热电阻电连接，采用rs485通讯对光伏板温度进行连续采集监测；其中，所述贴片式热电阻温度监测范围为-50℃～+420℃。

所述光伏板下方水面蒸发的监测过程：在每种类型的光伏板下方安装至少两个蒸发皿，使用电子秤定期称量，了解水面蒸发情况。

所述光伏板上方和下方的环境场的监测通过手持式辐照仪和手持式风速仪定期测量板上和板下一定高度处的实时环境场来实现。

所述手持式风速仪分别用于测量光伏板上方及水面上方10cm处的风速、风温及湿度；所述手持式辐照仪分别用于测量光伏板上方10cm处的辐照度、太阳能电池片下方10cm处的辐照度、太阳能电池片之间的孔隙正下方3cm处的辐照度、水面上方10cm处的水面反射辐照度。

所述水下环境场的监测过程：在光伏布设区和水面裸露区设置监测垂线，利用多参数水质分析仪定期在线测量监测垂线上监测点的水体的部分指标，利用水样采集器定期对监测垂线上监测点的水体进行取样并离线测量水体其他指标。

所述监测点的选取：监测垂线上分别设置上、中、下层三个监测点，上层监测点指水面以下0.5米处，下层监测点指湖底以上0.5米处，中层监测点指一半水深处。

在线测量监测垂线上监测点的水体的部分指标：水温、ph值、电导率、溶解氧、生化需氧量、硝氮、氨氮、叶绿素a；离线测量水体其他指标：总磷。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明提供的水面光伏发电系统电气性能及环境场的监测装置及方法，对光伏电站进行实时监测，收集电站运行过程中的重要电学参数及周围环境参数，形成大量的数据及报表，可广泛用于发电系统的进一步改进、评估、验收及研究，对进一步优化和改进发电系统、提高电站运行效率以及评估验收等实际工作具有重要意义；对水面光伏电站不同类型光伏板的背板温度、上方和下方的环境场及水面蒸发进行监测，为研究水面光伏系统和水体的相互作用及进一步提高系统效率提供指导；对光伏布设区和水面裸露区的水下环境场进行监测，为进行后续科学研究及光伏阵列合理布置提供关键性数据。

附图说明

图1是本发明水面蒸发监测的示意图；

图2是本发明蒸发监测的流程示意图；

图3是本发明水质监测检测垂线分布位置示意图；

图4是本发明水质监测监测点位分布位置示意图。

附图标记：1-支撑杆；2-蒸发皿；3-手持式辐照仪；4-手持式风速仪；5-太阳能电池片之间的孔隙；6-太阳能电池片；7-水面；8-棉绳；9-监测垂线；10-光伏阵列；11-光伏阵列的基础平台；12-光伏板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明水面光伏发电系统电气性能及环境场的监测装置，主要包括电学参数及周围环境参数监测装置、背板温度测试装置、水面蒸发及水面环境场监测装置、水下环境场监测装置。

所述电学参数及周围环境参数监测装置用于监测水面光伏发电系统组串发电、汇流、逆变、箱变多环节电学参数及周围环境参数。其中，水面光伏发电系统由光伏阵列(光伏阵列由多个光伏电池组串构成，每个光伏电池组串由多个光伏板构成，每个光伏板由多个太阳能电池片构成)、汇流箱、直流柜、逆变器、交流配电柜、电网接入系统(升压、计量等设备)、防雷接地装置等设备组成。所述电学参数及周围环境参数监测装置主要由光伏电池组串在线i-v曲线巡检仪、逆变器监测系统、发电单元监测系统、环境监测系统、数据平台组成，所述光伏电池组串在线i-v曲线巡检仪、逆变器监测系统、发电单元监测系统、环境监测系统均通过传输线与数据平台电连接，且采集的数据均存储于数据平台，各部件可选如表1所示型号。测量时，所述光伏电池组串在线i-v曲线巡检仪连接于光伏电池组串和逆变器之间，用于监测光伏电池组串输出端的直流电学参数；所述逆变器监测系统连接于逆变器的输入端和输出端之间，用于监测逆变器的电学参数；所述发电单元监测系统连接在箱式变压器(箱变)输入端，用于监测箱式变压器低压侧的电学参数；所述环境监测系统用于监测水面光伏发电系统周围的环境参数。

表1

所述背板温度测试装置用于监测水面光伏发电系统中不同类型光伏板的背板温度，由组件温度测试箱和贴片式热电阻组成，测量时所述贴片式热电阻贴合于光伏板背面，组件温度测试箱与贴片式热电阻电连接，采集监测数据。其中，组件温度测试箱的型号可选hw-tem(支持热电偶，四路温度测量)。

所述水面蒸发及水面环境场监测装置用于监测水面光伏发电系统中不同类型光伏板下方水面蒸发情况及不同类型光伏板上方和下方的环境场，由蒸发皿、电子秤、手持式辐照仪、手持式风速仪组成。测量时，每种类型的光伏板下均至少安装两个蒸发皿，配合电子秤测量对应类型光伏板下方水面蒸发情况，通过手持式辐照仪和手持式风速仪定期测量光伏板上和光伏板下一定高度处的实时环境场。

所述水下环境场监测装置用于监测光伏布设区和水面裸露区的水体环境，由多参数水质分析仪和水样采集器组成。测量时，所述多参数水质分析仪用于定期在线测量光伏布设区和水面裸露区监测垂线上监测点的水体部分指标，所述水样采集器定期对监测垂线上监测点的水体进行取样并离线测量水体其他指标。

本发明水面光伏发电系统电气性能及环境场的监测方法，主要包括以下内容：

(1)监测水面光伏发电系统发电过程中的电学参数及周围环境参数。

电学参数包括电流、电压、功率、发电量、频率、功率因数、填充因子等；周围环境参数包括风向、风力、降雨量、温度、湿度、辐照度、光照反射率等。

具体地，采用光伏电池组串在线i-v曲线巡检仪监测光伏电池组串输出端的直流电学参数，如开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子等。采用逆变器监测系统监测逆变器的输入端和输出端的电学参数，如三相交流电压、直流各支路总功率、功率因数等。采用发电单元监测系统监测逆变器低压侧的电学参数，如频率、三相变压总谐波畸变率等。采用环境监测系统监测水面光伏发电系统周围的环境参数，如风向、风力、降雨量、温度、湿度、辐照度、光照反射率等。

(2)监测水面光伏发电系统中不同类型光伏板的背板温度。

不同类型光伏板的背板温度的监测过程：贴片式热电阻紧密贴合于光伏板背面，进行精准测温工作，组件温度测试箱与贴片式热电阻电连接，采用rs485通讯对光伏板温度进行连续采集监测；其中，所述贴片式热电阻温度监测范围为-50℃～+420℃。

(3)监测水面光伏发电系统中不同类型光伏板下方水面蒸发及不同类型的光伏板上方和下方的环境场。如图1所示。

不同类型光伏板下方水面蒸发的监测过程：在每种类型的光伏板12下方安装盛水的蒸发皿2，使用高精度电子秤定期称量蒸发皿和水的质量，得出水面蒸发情况。其中，每种类型的光伏板12下方安装的蒸发皿2数量不少于两个，每次的测量结果求平均值以减少偶然误差带来的影响。其中，在蒸发皿2边均匀打三个孔，将棉绳8穿过孔并系在光伏板12下方的支撑杆1上，用于固定蒸发皿2的位置，保证蒸发皿2始终位于光伏板12的下方，并确保蒸发皿内的水不会因湖区水面的波动而溢出，从而保证了蒸发监测的有效性。

如图2所示，一般情况下，以10天为一个周期，根据当地实际气候确定蒸发皿内装水的量，并且在蒸发皿2内壁刻出标准线，确保每次加水至该位置，从而排除其他因素对蒸发监测产生的影响。在确定标准线的位置时，应确保：蒸发皿2内的水加至该标准线并将蒸发皿2固定在某种类型的光伏板12下方后，在该类型光伏板12附近进行其他作业引起的水面波动不会导致蒸发皿内的水溢出。所以，本发明建议将标准线设置在蒸发皿2高的二分之一处，以确保蒸发皿2内的水不会溢出，从而保证了蒸发监测的有效性。在每个周期的始末，用精密电子秤对蒸发皿和水的质量进行称重。在夏天或者冬天，可适当对周期和蒸发皿2内水量做出相应的调整。

光伏板12上方和下方的环境场的监测通过手持式辐照仪3和手持式风速仪4定期测量板上和板下一定高度处的实时环境场来实现。所述手持式辐照仪分别用于测量光伏板上方10cm处的辐照度、太阳能电池片下方10cm处的辐照度、太阳能电池片之间的孔隙正下方3cm处的辐照度、水面上方10cm处的水面反射辐照度。所述手持式风速仪4分别用于测量光伏板12上方及水面7上方的10cm处的风速、风温及湿度。早上、中午和下午分别对光伏阵列10中不同类型光伏板12进行一组辐照和风速监测，在测量风速时，应注意测量风向为东西向。

(4)监测光伏布设区和水面裸露区的水下环境场。

水体环境的监测过程：湖区大体上可以分为光伏布设区和水面裸露区，在光伏布设区和水面裸露区分别设置相应的监测垂线9，如图3所示，利用多参数水质分析仪定期在线测量监测垂线9上监测点的水体的部分指标，如水温、ph值、电导率、溶解氧、生化需氧量、硝氮、氨氮、叶绿素a，利用水样采集器定期对监测垂线9上监测点的水体进行取样并离线测量水体其他指标，如总磷。

其中，监测点的选取：监测垂线9上分别设置上、中、下层三个监测点，上层监测点指水面以下0.5米处，下层监测点指湖底以上0.5米处，中层监测点指一半水深处，如图4所示。对于光伏布设区，在光伏阵列的基础平台11上即可完成水体指标的监测，对于水面裸露区水体环境的监测，需要开船至相应采集点并将船锚固稳定后，再测量监测点处的水体指标。

一般情况下，非降雨期监测频次：1次/天，连续监测7天；若遇降雨，需改变监测方案，雨前连续监测3天，雨后连续监测4天。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。