CN102931266B - 一种太阳能模组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能光电技术领域，具体的说是一种具有温控结构的太阳能模组。一种太阳能模组，包括太阳能电池模组和单片机控制系统，所述太阳能电池模组包括一背板、所述背板上面设有第一封装胶膜层，所述第一封装胶膜层上设有电池板，所述电池板上设有第二封装胶膜层，所述第二封装胶膜层上设有一玻璃层，所述的电池板包括多块太阳能硅片电池，在背板上对应每一块太阳能硅片电池的测温点处均设置有一片热敏电阻，所述各热敏电阻均与所述单片机控制系统电性连接；单片机控制系统接收每一热敏电阻采集到的温度信号进行处理并根据处理结果控制太阳能模组的通断。本发明的太阳能模组能够实时进行片级监测和保护，自动发现并排除火灾隐患和进行火灾报警。

Description

一种太阳能模组

技术领域

本发明涉及太阳能光电技术领域，具体的说是一种具有温控结构的太阳能模组。

背景技术

随着工业的快速发展，石化燃料逐步耗竭与温室效应气体排放问题日益受到全球关注，能源的稳定供应已成为全球性的重大课题。

相较于传统燃煤、燃气式或者核能发电，太阳能电池（solar cell）是利用光发电效应直接将太阳能转换为电能，因而不会伴随产生二氧化碳、氮氧化物以及硫氧化物等温室效应气体，并可减少对石化燃料的依赖从而提供安全自主的电力来源。

一般的太阳能电池结构是将太阳能硅片电池、驱动电路等整合在一背板上，太阳能硅片电池通过铜导线与驱动电路电性相连，然后将金属材质的背板作为散热装置，以将太阳能硅片电池、驱动电路等工作时产生的热引导至外部从而保证太阳能模组能够正常工作。

由于太阳能模组自身没有监测和保护功能，只有简单的光电转换功能，所以无法反映自身的工作状态，也就无法对自身工作状态进行控制。没有完善的监控防护系统，在实际使用过程中，太阳能硅片电池和驱动电路工作时会产生大量的热量，如果不能及时监控并采取措施，则会造成严重的后果，甚至会发生自燃现象，而国内外关于太阳能模组自燃的报道并不罕见，其大部分原因则是因为太阳能模组在工作过程中由于局部温度过高而引起短路进而导致整个太阳能模组的烧毁，从而造成巨大的财产和生命损失。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种能够实时进行“片级”监测和保护，可在第一时间自动发现并排除火灾隐患，并且进行火灾报警的太阳能模组。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种太阳能模组，包括太阳能电池模组和单片机控制系统，所述太阳能电池模组包括一背板（Tedlar）、所述背板（Tedlar）上面设有第一封装胶膜层（EVA），所述第一封装胶膜层上设有电池板，所述电池板上设有第二封装胶膜层（EVA），所述第二封装胶膜层（EVA）上设有一玻璃层（Glass），所述的电池板包括多块太阳能硅片电池（cell），在背板上对应每一块太阳能硅片电池（cell）的测温点处均设置有一片热敏电阻 ，所述各热敏电阻均与所述单片机控制系统电性连接，该每一热敏电阻采集其对应的太阳能硅片电池（cell）的温度并传输给单片机控制系统，所述单片机控制系统接收每一热敏电阻采集到的温度信号进行处理并根据处理结果控制太阳能模组的通断。

进一步的，所述太阳能模组还包括接线盒，所述接线盒的内部线路与太阳能电池模组的引出线电性连接，所述接线盒与所述单片机控制系统电性连接。

进一步的，所述的太阳能模组还包括太阳能充电控制器和蓄电池，所述太阳能充电控制器分别与所述太阳能电池模组和单片机控制系统连接。

进一步的，所述单片机控制系统包括单片机、调压模块、A/D转换模块、显示模块、键盘模块、输出控制模块和存储器，所述调压模块的输入端与所述热敏电阻电性连接，所述调压模块的输出端与所述A/D转换模块输入端连接，所述A/D转换模块输出端与单片机输入端连接，所述键盘模块的输出端与所述单片机输入端连接，所述存储器与所述单片机双向连接，所述显示模块的输入端与所述单片机的输出端连接，所述输出控制模块的输入端与所述单片机的输出端连接。

进一步的，所述的输出控制模块包括与单片机输出端连接的控制电路，以及与所述控制电路输出端连接的继电器，所述继电器的输出端与接线盒电性连接。

进一步的，所述的输出控制模块包括与单片机输出端连接的控制电路，以及与所述控制电路输出端连接的继电器，所述继电器的输出端与所述太阳能充电控制器电性连接。

进一步的，所述的单片机为型号为AT89C51的单片机。

进一步的，所述的单片机控制系统还包括语音播报模块，所述语音播报模块输入端与所述单片机输出端连接。

进一步的，所述的热敏电阻为DT系列NTC热敏芯片，其型号为DT103F3435A。

进一步的，所述接线盒内设有测温热敏电阻，所述测温热敏电阻与所述单片机控制系统连接。

进一步的，所述电池板上的硅片电池是整齐排列的。

进一步的，所述热敏电阻是采用印刷电缆法与印刷电缆一起设置在背板（Tedlar） 上，然后层叠上述第一封装胶膜层（EVA）、电池板、第二封装胶膜层（EVA）和玻璃层（GLASS），然后将敷设好的组件放层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA熔化将电池、玻璃层和背板粘接在一起；最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度层压时间根据EVA的性质决定。我们使用快速固化EVA时，层压循环时间约为20分钟，固化温度为140℃。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

1、本发明的太阳能模组采用在每一块太阳能硅片电池背面的测温点位置设置一片热敏电阻，实现对电池板上的每一片太阳能硅片电池的实时监测和保护，实现“片级”监测和保护；

2、本发明采用单片机控制系统，可在第一时间自动发现火灾隐患并通过继电器控制接线盒的关断来控制太阳能模组的通断，同时能够通过语音播报模块对灾害进行预警，从而降低灾害发生率，减少财产和生命损失；

3、本发明的太阳能模组，使用安全，光电转化率高效、使用寿命长，其性能指标PR=0.80/25年，相比较现有技术中的太阳能模组性能指标PR=0.66/20年的值大大增强，这对于能源领域来说，是意料不到的技术效果。

附图说明

图1为发明的实施例一的结构示意图。

图2为图1中太阳能电池模组的结构示意图。

图3为图1中单片机系统的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例1

参考图1、图2和图3所示，一种太阳能模组，包括太阳能电池模组1和单片机控制系统3，所述太阳能电池模组1包括一背板11、所述背板11上面设有第一封装EVA胶膜层12，所述第一封装EVA胶膜层12上设有电池板，所述的电池板包括多块整齐排列的太阳能硅片电池13，所述电池板上设有第二封装EVA胶膜层14，所述第二封装EVA胶膜层14上设有一玻璃层15，在背板11上对应每一块太阳能硅片电池13的测温点处均设置有一片DT系列的型号为DT103F3435A的NTC热敏芯片16 ，所述热敏芯片16是采用印刷电缆法与印刷电缆一起设置在背板11上，然后层叠上述第一封装EVA胶膜层12、电池板、第二封装EVA胶膜层14和玻璃层15，然后将敷设好的组件放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA熔化将热敏芯片16、太阳能硅片电池13、玻璃层15和背板11粘接在一起；最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度层压时间根据EVA的性质决定。我们使用快速固化EVA时，层压循环时间约为20分钟，固化温度为140℃。

所述太阳能模组还包括接线盒2，所述接线盒2的内部线路与太阳能电池模组1的引出线电性连接，所述接线盒2内设有测温热敏电阻21，

所述单片机控制系统3包括优选型号为AT89C51的单片机、调压模块、A/D转换模块、显示模块、键盘模块、语音播报模块、输出控制模块、存储器和电源模块，所述的输出控制模块包括与单片机输出端连接的控制电路，以及与所述控制电路输出端连接的继电器，所述继电器的输入端与所述单片机的输出端连接，所述继电器的输出端与接线盒2电性连接，所述电源模块为上述各模块供电，所述调压模块的输入端与所述热敏芯片16和热敏电阻21均电性连接，所述调压模块的输出端与所述A/D转换模块输入端连接，所述A/D转换模块输出端与单片机输入端连接，所述键盘模块的输出端与所述单片机输入端连接，所述存储器与所述单片机双向连接，所述显示模块的输入端与所述单片机的输出端连接，所述语音播报模块的输入端与所述单片机的输出端连接，

该每一热敏芯片16采集其对应的太阳能硅片电池13的温度并传输给单片机控制系统3，所述单片机控制系统3接收每一热敏芯片16采集到的温度信号进行处理并根据处理结果控制太阳能模组的通断。

所述单片机控制系统3是一个闭环反馈调节系统，通过键盘模块预先设定太阳能模组的有效温度范围并存入存储器中，每一热敏芯片16实时采集其对应的太阳能硅片电池13的温度信号，测温热敏电阻21实时采集接线盒的温度信号，所述热敏芯片16和测温热敏电阻21均将该温度信号转换成与之对应的电压信号并送入单片机控制系统3的调压模块，该电压信号经过调压模块进行放大处理后送入A/D转换模块，所述A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号送入单片机进行数据处理，单片机根据当前温度值与设定温度值进行比较，根据比较结果得到控制信号送入控制电路，控制电路根据控制信号控制继电器的通断，从而实现对接线盒的关断，进而实现对太阳能模组的控制。

同时，通过键盘模块可以随时更改设定温度值，通过显示模块对太阳能模组的温度进行实时显示，当温度超过设定温度值的时候，单片机还会对语音播报模块发送控制信号，控制语音播报模块进行报警。

实施例2：

本实施例基本结构与实施例1相同，不同之处在于：所述的太阳能模组还包括太阳能充电控制器和蓄电池，所述太阳能充电控制器分别与所述太阳能电池模组和单片机控制系统连接。所述的输出控制模块包括与单片机输出端连接的控制电路，以及与所述控制电路连接的继电器，所述继电器的输入端与所述单片机的输出端连接，所述继电器的输出端与所述太阳能充电控制器电性连接。

本发明的太阳能模组，为单片机控制系统中的本单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、A/D转换器、设计合适的接口电路等。系统设计应本着以下原则：

(1) 尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。本设计采用了典型的显示电路、A/D转化电路，为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础；

(2) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。由于本设计的响应时间要求不高，所以有一些功能可以用软件编程实现，如键盘的去抖动问题；

(3) 系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。

关于芯片选择

单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口电路的微型计算机，简称单片机。单片机以其较高的性能价格比受到了人们的重视和关注。它的优点就是体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。单片机根据其基本操作处理的位数可分为4、8、16、32位单片机，应用最为广泛的是八位单片机。根据本次设计的实际情况和要求，在本次设计中采用AT89C51作为系统的控制芯片。AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有4K的系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

关于温度检测

本系统设计的温度控制范围为25-180摄氏度，温度传感器采用采用半导体集成温度传感器。具有较高的精度和重复性，不需辅助电源，线性好，使用方便，便于微机系统测控。被测温度信号为多路由传感器测得的代表温度的电压信号，经温度调理电路放大后使其在0-5V范围内，使其适合于A/D转换器的输入电压范围。

关于A/D转换电路

A/D转换电路的种类很多，例如，计数比较型、逐次逼近型、双积分型等等。选择A/D转换器件主要从转换速度、精度和价格上考虑。逐次逼近型A/D转换器，在精度、速度和价格上都比较适中，是最常用的A/D转换器。双积分A/D转换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点，但转换速度慢。近年来在微机应用领域中也得到了广泛的应用。本系统采用八路模拟输入通道的逐次逼近型的八位A/D转换器ADC0809。采用ADC0809作为与单片机的接口电路，它的结构比较简单，转换速度较高。采用ADC0809作为A/D转换器具有与单片机连接简单的优点，它是八位的转换器可以与八位的单片机直接连接，这样就简化了系统的连接电路也有利于系统软件的编写。

关于键盘输入

键盘可分为编码式键盘和非编码式键盘，键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现，并产生键编号和键值的称为编码式键盘；靠软件识别的为非编码式键盘。在单片机组成的测控系统中，用得最多的是非编码键盘。在这里采用的就是非编码式键盘。键盘的连接方式采用独立连接式，这种连接方式能够简化程序的LED显示

在单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）。采用LED作为系统的数据显示器具有价格低、性能稳定和响应速度快等特点。LED显示方式有静态显示、动态显示和串口显示。为了节省系统本身的硬件资源，在这里LED的显示方式采用串行静态显示方式。利用串口可以工作在移位寄存器方式，驱动LED静态显示。这样就可以充分的利用并行口，并将并行口用到最需要的地方去，同时主程序不需要扫描显示器，使它有更多的时间处理其他事情。这种显示方法用于显示位数少、显示亮度大的地方能够达到很好的显示效果。

关于控制电路

控制电路作为单片机系统的后向通道，他是将单片机处理后的数字控制信号用输出口输出，并将该数字信号用于对控制对象的控制。由于单片机的输出信号电平很低，无法直接驱动外围设备进行工作，因此在单片机的后向通道中需要外围设备的驱动、信号电平的转换以及隔离放大等技术。本次设计采用继电器作为控制电路的主要器件，通过继电器可以实现直流信号控制交流负载的功能，从而实现单片机系统的控制功能。

关于系统软件设计方案

系统的软件设计采用模块化设计，采用模块化设计可以简化系统软件的编写，使软件编写思路更加简单明了。系统软件主要由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。主程序模块用于实现各个子程序间的跳转。功能实现模块主要由A/D转换子程序、键盘处理子程序、显示子程序、继电器控制程序等部分组成。运算控制模块涉及标度转换子程序等。

关于系统硬件设计

中央处理器

MCS-51系列单片机是8位增强型，其主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线和具有多级识别功能的串行通讯接口（UART），规范了功能单元的SFR控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统。属于这类单片机的芯片有许多种，如8051、8031、80C51等等。由于单片机具有较高的性能比，国内MCS-51系列单片机应用最广，易于开发、使用灵活、而且体积小、易于开发、抗干扰能力强，可以工作于各种恶劣的条件下，工作稳定等特点。本设计本着实用性和适用性的要求，选择AT89C51单片机作为中央处理器。

AT89C51简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的具有低电压，高性能CMOS 的8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT89C51单片机与MCS-51系列单片机兼容, AT89C51内部有4K字节可编程闪烁存储器, 128*8位内部RAM,两个16位定时器/计数器, 5个中断源, 32可编程I/O线及串行通道。闪烁存储器是一种可编程又可擦除只读存储器（EEPROM），给用户设计单片机系统和单片机系统带来很大的方便，深受广大用户的欢迎。AT89C51有片内振荡器和时钟电路 ,具有低功耗的闲置和掉电模式,在空闲方式下，CPU停止工作，但允许内部RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。在掉电方式下，能保存RAM的内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其他部件工作。还具有三级程序存储器锁定, 全静态工作频率0Hz-24Hz, 数据保留时间可长达10年。

综上，本单片机控制系统采用AT89C51为中央处理器加上各种外围电路构成了整个单片机控制系统。在设计中运用温度传感器采集温度，通过转换、处理与设定值进行比较，得到控制信号用以控制保温箱的温度，实现太阳能模组温度显示和控制功能。系统的具体步骤如下：

①，系统整体设计，根据设计要求，选择合理可行的设计总体方案，实现系统功能；

②，元件选择，根据需求分析选择电子元器件，以达到设计的目的；

③，硬件设计，用Protel软件画好电路原理图，生成PCB板图，制作成电路板；

④，软件设计，画好程序流程图，设计主程序和子程序；

⑤，在仿真器上对系统进行软、硬件调试，修改错误或改进缺陷，找出硬件错误；

⑥，对整个系统进行联合调试，使系统达到本次设计的设计要求。

本发明的有益效果是：本发明的太阳能模组采用在每一块太阳能硅片电池背面的测温点位置设置一片热敏电阻热，实现对电池板上的每一片太阳能硅片电池的实时监测和保护，采用单片机控制系统，可在第一时间自动发现火灾隐患并通过继电器控制接线盒的关断来控制太阳能模组的通断，同时能够通过语音播报模块对灾害进行预警，从而降低灾害发生率，减少财产和生命损失。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种太阳能模组，其特征在于，包括太阳能电池模组和单片机控制系统，所述单片机控制系统是一个闭环反馈调节系统，所述太阳能电池模组包括一背板,所述背板上面设有第一封装胶膜层，所述第一封装胶膜层上设有电池板，所述电池板上设有第二封装胶膜层，所述第二封装胶膜层上设有一玻璃层，所述的电池板包括多块太阳能硅片电池，在背板上对应每一块太阳能硅片电池的测温点处均设置有一片热敏电阻，所述各热敏电阻均与所述单片机控制系统电性连接，该每一热敏电阻采集其对应的太阳能硅片电池的温度并传输给单片机控制系统，所述单片机控制系统接收每一热敏电阻采集到的温度信号进行处理并根据处理结果控制太阳能模组的通断。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能模组，其特征在于，所述太阳能模组还包括接线盒，所述接线盒的内部线路与太阳能电池模组的引出线电性连接，所述接线盒与所述单片机控制系统电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能模组，其特征在于，所述的太阳能模组还包括太阳能充电控制器和蓄电池，所述太阳能充电控制器分别与所述太阳能电池模组和单片机控制系统连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种太阳能模组，其特征在于，所述单片机控制系统包括单片机、调压模块、A/D转换模块、显示模块、键盘模块、输出控制模块和存储器，所述调压模块的输入端与所述热敏电阻电性连接，所述调压模块的输出端与所述A/D转换模块输入端连接，所述A/D转换模块输出端与单片机输入端连接，所述键盘模块的输出端与所述单片机输入端连接，所述存储器与所述单片机双向连接，所述显示模块的输入端与所述单片机的输出端连接，所述输出控制模块的输入端与所述单片机的输出端连接，所述的单片机控制系统还包括语音播报模块，所述语音播报模块输入端与所述单片机输出端连接。

5.根据权利要求4所述的一种太阳能模组，其特征在于，所述的输出控制模块包括与单片机输出端连接的控制电路，以及与所述控制电路输出端连接的继电器，所述继电器的输出端与接线盒电性连接。

6.根据权利要求4所述的一种太阳能模组，其特征在于，所述的输出控制模块包括与单片机输出端连接的控制电路，以及与所述控制电路输出端连接的继电器，所述继电器的输出端与所述太阳能充电控制器电性连接。

7.根据权利要求4所述的一种太阳能模组，其特征在于，所述的单片机为型号为AT89C51的单片机。

8.根据权利要求1至3任一所述的一种太阳能模组，其特征在于，所述的热敏电阻为DT系列NTC热敏芯片，其型号为DT103F3435A。

9.根据权利要求2或5所述的一种太阳能模组，其特征在于，所述接线盒内设有测温热敏电阻，所述测温热敏电阻与所述单片机控制系统连接。