CN104300901A - 一种基于物联网技术的光伏发电监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于物联网技术的光伏发电监测装置。其包括电源单元、采集单元、通讯单元和监控单元；电源单元与本装置中的各供电部件相连接；采集单元的输入端连接至光伏板的输出端，采集单元的输出端连接至通讯单元；通讯单元连接至采集单元和监控单元；监控单元连接至通讯单元。本发明提供的基于物联网技术的光伏发电监测装置可以实现对光伏板电压、电流和温度的采集与远传，从而实现对单个光伏组件的实时监测。
Description
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，特别是涉及一种基于物联网技术的光伏发电监测装置。
背景技术
据预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体；预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上；这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。
光伏组件的核心组成部分是太阳电池，一般说来，每个组件所用太阳电池的电特性要基本一致，否则将在电性能不好或被遮挡的电池(问题电池)上产生所谓热斑效应；若电池串与串之间电流不一致，可以在接了旁路二极管的组件特性曲线上看到所谓台阶曲线或异常曲线；如果组件内太阳电池性能本来就不一致，必然导致组件发生热斑现象；我们可以通过组件的输出特性曲线和红外成像看到组件热斑现象的存在；若是由于组件内太阳电池光衰减后效率下降，引起的组件内太阳电池性能不一致；我们可以通过测试组件衰减前和衰减后的输出特性曲线以及红外成像看到组件在光照前后发生的变化。
光伏组件生产过程中由于硅材料自身的缺陷以及电池制造的原因(如：去边不彻底、边缘短路、去边过头，P型层向N型层中心延伸，边缘栅线引起局部短路、烧结不良，正电极或背电极与硅片接触不良，串联电阻增大、烧结过度，即将使PN结烧透，短路)造成特性存在偏差，在光伏组件运行过程中如果不能及时发现问题组件将严重影响整组组件的发电效率甚至引发火灾，因此监测光伏组件的运行情况及时发现问题组件对于光伏发电系统非常重要。
目前光伏发电监测装置主要是基于汇流箱和逆变系统的监测，如：安科瑞公司推出的“Acrel-2000 V8.0光伏电站电力监控系统”、南京南瑞继保工程技术有限公司推出的“分布式光伏发电的实时监控与信息采集系统”；以上系统只能监测成串组件的工作状态，无法发现单个组件前期出现的问题，存在监测的死区。
因此，需要一种新的技术方案，可以实现对单个光伏组件的监测。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于物联网技术的光伏发电监测装置。
为了达到上述目的，本发明提供的基于物联网技术的光伏发电监测装置包括：电源单元、采集单元、通讯单元和监控单元；其中：电源单元为本装置的供电装置，其与本装置中的各供电部件相连接，用于为本装置各部供电；采集单元的输入端连接至光伏板的输出端，采集单元的输出端连接至通讯单元，采集单元采集所述光伏板中的电流信号值、电压信号值和温度信号值，并将根据所述电流信号值、所述电压信号值和所述温度信号值得到的电流值流信号、电压值信号和温度值信号发送至通讯单元；通讯单元，连接至采集单元和监控单元，将接收到的所述电流信号、所述电压信号和所述温度信号发送至监控单元；监控单元，连接至通讯单元，根据所述电流信号、所述电压信号和所述温度信号，输出所述光伏板的工作状态信号。
所述的基于物联网技术的光伏发电监测装置还包括：显示单元，连接至所述采集单元，对所述电流值、所述电压值和所述温度值进行显示；
所述的显示单元包括：显示屏和/或指示灯。
所述的采集单元包括：电流采集子单元、电压采集子单元、温度采集子单元、信号放大单元、模/数转换器和发送单元；其中：
所述的电流采集子单元，连接至所述的光伏板的输出端，用于采集并输出光伏板的电流值；电压采集子单元，连接至光伏板的输出端，用于采集并输出光伏板的电压值；温度采集子单元，连接至光伏板的输出端，用于采集并输出光伏板的温度值；
所述信号放大单元为差分放大器，其输入端分别与电流采集子单元、电压采集子单元和温度采集子单元连接，输出端与模/数转换器相连接，用于将接收到的电流值、电压值和温度值进行差分放大后发送至所述模/数转换器；所述模/数转换器，连接至发送单元，用于对从信号放大单元接收的经差分放大后的电流值、电压值和温度值进行模数转换得到电流信号、电压信号以及温度信号然后传送给发送单元；发送单元与通讯单元相连接，用于将电流信号、电压信号和温度信号发送至通讯单元。
所述的信号放大单元包括保护电路、滤波电路和放大电路，其中，所述电流采集子单元、所述电压采集子单元和所述温度采集子单元的输出端连接至所述保护电路的输入端，所述保护电路的输出端连接至所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接至所述放大电路的输入端，所述放大电路的输出端连接至所述模/数转换器；
在信号放大单元中，所述保护电路包括至少一个二极管，所述滤波电路包括滤波电容和滤波电阻，所述滤波电容的一端连接至所述滤波电阻的一端，所述滤波电阻的另一端连接至所述至少一个二极管的阴极，所述滤波电容的另一端连接至所述至少一个二极管的阳极；
在信号放大单元中，所述放大电路包括运算放大器、输入端电阻和至少一个反馈电阻，所述输入端电阻连接在所述滤波电路的输出端和所述运算放大器的反相输入端之间，所述至少一个反馈电阻连接在所述运算放大器的反相输入端和所述运算放大器的输出端之间。
所述的电源单元包括降压式变换电路，将输入电压转换且稳定为5V。
所述的信号放大单元包括运算放大器和至少一个反馈电阻，所述至少一个反馈电阻串联以后，连接在运算放大器的反相输入端和输出端之间，以由所述运算放大器和所述至少一个反馈电阻对所述电流信号、所述电压信号和所述温度信号进行差分放大。
所述的通讯单元既能够使用有线通讯，也能够使用无线通讯，其中无线通讯采用CC2530控制芯片来实现。
本发明提供的基于物联网技术的光伏发电监测装置可以实现对光伏板电压、电流和温度的采集与远传，从而实现对单个光伏组件的实时监测。
附图说明
图1为据本发明的实施例的光伏发电监测装置的框图；
图2为根据本发明的实施例的采集单元的原理图；
图3为根据本发明的实施例的电源单元的原理图；
图4为根据本发明的实施例的信号放大单元的原理图；
图5为根据本发明的实施例的通讯单元的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于物联网技术的光伏发电监测装置进行详细说明。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
图1示出了根据本发明的实施例的光伏发电监测装置的框图。
如图1所示，根据本发明的实施例的光伏发电监测装置100，包括：电源单元102、采集单元104、通讯单元106和监控单元108；其中：电源单元102为本装置的供电装置，其与本装置中的各供电部件相连接，用于为本装置各部供电；采集单元104的输入端连接至光伏板的输出端，采集单元104的输出端连接至通讯单元106，采集单元104采集所述光伏板中的电流信号值、电压信号值和温度信号值，并将根据所述电流信号值、所述电压信号值和所述温度信号值得到的电流值流信号、电压值信号和温度值信号发送至通讯单元106；通讯单元106，连接至采集单元104和监控单元108，将接收到的所述电流信号、所述电压信号和所述温度信号发送至监控单元108；监控单元108，连接至通讯单元106，根据所述电流信号、所述电压信号和所述温度信号，输出所述光伏板的工作状态信号；
在该技术方案中，采集单元104实时在线监测光伏组件的运行情况，将光伏板工作的电压、电流和温度上传给监控单元108，监控单元108通过对比各组件的工作参数能够及时发现光伏板出现的问题，提示运行维护人员及时处理，防止在光伏组件运行过程中不能及时发现问题组件，严重影响整组组件的发电效率甚至引发火灾事故的发生。
在该技术方案中，所述的电源单元102包括降压式变换电路。其中，可以直接利用光伏板的输出作为电源单元102的输入，因此其输入采用宽范围输入，在输入9V—50V范围内均可正常工作；电源单元102采用降压式变换电路(即BUCK电路)，将输入电压转换且稳定为5V，为采集和通讯电路提供工作电源。
在上述技术方案中，优选地，还包括：显示单元110，连接至所述采集单元104，对所述电流值、所述电压值和所述温度值进行显示；
在上述技术方案中，优选地，所述显示单元110包括：显示屏和/或指示灯。
图2示出了根据本发明的实施例的采集单元的原理图。
如图2所示，根据本发明的实施例的采集单元104包括：电流采集子单元1042、电压采集子单元1044、温度采集子单元1046、信号放大单元1048、模/数转换器10410和发送单元10412；其中：
所述的电流采集子单元1042，连接至所述的光伏板的输出端，用于采集并输出光伏板的电流值；电压采集子单元1044，连接至光伏板的输出端，用于采集并输出光伏板的电压值；温度采集子单元1046，连接至光伏板的输出端，用于采集并输出光伏板的温度值；
所述信号放大单元1048为差分放大器，其输入端分别与电流采集子单元1042、电压采集子单元1044和温度采集子单元1046连接，输出端与模/数转换器10410相连接，用于将接收到的电流值、电压值和温度值进行差分放大后发送至所述模/数转换器10410；所述模/数转换器10410，连接至发送单元10412，用于对从信号放大单元1048接收的经差分放大后的电流值、电压值和温度值进行模数转换得到电流信号、电压信号以及温度信号然后传送给发送单元10412；发送单元10412与通讯单元106相连接，用于将电流信号、电压信号和温度信号发送至通讯单元106。
在该技术方案中，电流采集子单元1042中的电流采集采用康铜丝将电流转换为电压信号，电压采集子单元1044中的电压采集采用分压方式采集，温度采集子单元1046中的温度采集使用铂电阻采集；当然，采集方式不限于上述几种，还可以通过电压传感器、温度传感器以及电流传感器采集等来进行数据采集。
在上述技术方案中，优选地，所述信号放大单元1048包括保护电路，滤波电路和放大电路，其中，所述电流采集子单元、所述电压采集子单元和所述温度采集子单元的输出端连接至所述保护电路的输入端，所述保护电路的输出端连接至所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接至所述放大电路的输入端，所述放大电路的输出端连接至所述模/数转换器10410。
在信号放大单元1048中，优选地，所述保护电路包括至少一个二极管，所述滤波电路包括滤波电容和滤波电阻，所述滤波电容的一端连接至所述滤波电阻的一端，所述滤波电阻的另一端连接至所述至少一个二极管的阴极，所述滤波电容的另一端连接至所述至少一个二极管的阳极。
在信号放大单元1048中，优选地，所述放大电路包括运算放大器、输入端电阻和至少一个反馈电阻，所述输入端电阻连接在所述滤波电路的输出端和所述运算放大器的反相输入端之间，所述至少一个反馈电阻连接在所述运算放大器的反相输入端和所述运算放大器的输出端之间。
图3示出了根据本发明的实施例的电源单元的原理图。
如图3所示，根据本发明的实施例的电源单元102包括降压式变换电路；在该技术方案中，可以直接利用光伏板的输出作为电源单元102的输入，因此其输入采用宽范围输入，在输入9V—50V范围内均可正常工作；电源单元102采用降压式变换电路(即BUCK电路)，将输入电压转换且稳定为5V，为采集和通讯电路提供工作电源。
图4示出了根据本发明的实施例的信号放大单元的原理图。
如图4所示，根据本发明的实施例的信号放大单元1048包括运算放大器(如LM324运算放大器)和至少一个反馈电阻(如R4、R5)，所述至少一个反馈电阻串联以后，连接在运算放大器的反相输入端和输出端之间，以由所述运算放大器和所述至少一个反馈电阻对所述电流信号、所述电压信号和所述温度信号进行差分放大；除了差分放大电路，图4中还示出了变换电路，比如，在采集电流信号时，通过电阻R1将电流信号变换成电压信号，再通过差分放大电路进行放大和变换后，送入单片机A/D采集回路，然后通过模数变换和信号处理程序计算出电流的大小。
图5示出了根据本发明的实施例的通讯单元的原理图。
通讯单元106既可以使用有线通讯，也可以使用无线通讯，在一种优选示例中，如图5所示，可以采用CC2530控制芯片来实现无线通讯，该芯片具有功耗小传输距离远的特点，其主要技术参数为：发射功率10mW-1W；载频频率433MHz，470MHz，也可提供86至915MHz载频，ISM频段，无需申请频点；基于GFSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10-4时，可得到实际误码率10-7—10-8；在视距情况下，天线高度>2米，可靠传输距离可达800-5000m(BER＝1200bps)；提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议；标准配置提供8个信道，如果用户需要，可扩展到116信道；供2个串口3种接口方式，COM1为TTL电平UART接口；接口波特率为1200/2400/4800/9600/19200/38400bps，格式为8N1/8E1用户自定义，可传输无限长的数据帧，用户编程更灵活；+5V供电情况下，接收电流<30mA，发射电流<40mA，休眠电流<5uA，+2.7V供电情况下，接收电流<22mA，发射电流<33mA，休眠电流<5uA；多种天线配置方案，满足用户不同的应用需要。
以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，通过本发明的技术方案，可以实现对光伏板电压、电流和温度的采集与远传，从而实现对单个光伏组件的检测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于物联网技术的光伏发电监测装置，其特征在于：所述的基于物联网技术的光伏发电监测装置包括：电源单元(102)、采集单元(104)、通讯单元(106)和监控单元(108)；其中：电源单元(102)为本装置的供电装置，其与本装置中的各供电部件相连接，用于为本装置各部供电；采集单元(104)的输入端连接至光伏板的输出端，采集单元(104)的输出端连接至通讯单元(106)，采集单元(104)采集所述光伏板中的电流信号值、电压信号值和温度信号值，并将根据所述电流信号值、所述电压信号值和所述温度信号值得到的电流值流信号、电压值信号和温度值信号发送至通讯单元(106)；通讯单元(106)，连接至采集单元(104)和监控单元(108)，将接收到的所述电流信号、所述电压信号和所述温度信号发送至监控单元(108)；监控单元(108)，连接至通讯单元(106)，根据所述电流信号、所述电压信号和所述温度信号，输出所述光伏板的工作状态信号。
2.根据权利要求1所述的基于物联网技术的光伏发电监测装置，其特征在于：所述的基于物联网技术的光伏发电监测装置还包括：显示单元(110)，连接至所述采集单元(104)，对所述电流值、所述电压值和所述温度值进行显示；
所述的显示单元(110)包括：显示屏和/或指示灯。
3.根据权利要求1所述的基于物联网技术的光伏发电监测装置，其特征在于：所述的采集单元(104)包括：电流采集子单元(1042)、电压采集子单元(1044)、温度采集子单元(1046)、信号放大单元(1048)、模/数转换器(10410)和发送单元(10412)；其中：
所述的电流采集子单元(1042)，连接至所述的光伏板的输出端，用于采集并输出光伏板的电流值；电压采集子单元(1044)，连接至光伏板的输出端，用于采集并输出光伏板的电压值；温度采集子单元(1046)，连接至光伏板的输出端，用于采集并输出光伏板的温度值；
所述信号放大单元(1048)为差分放大器，其输入端分别与电流采集子单元(1042)、电压采集子单元(1044)和温度采集子单元(1046)连接，输出端与模/数转换器(10410)相连接，用于将接收到的电流值、电压值和温度值进行差分放大后发送至所述模/数转换器(10410)；所述模/数转换器(10410)，连接至发送单元(10412)，用于对从信号放大单元(1048)接收的经差分放大后的电流值、电压值和温度值进行模数转换得到电流信号、电压信号以及温度信号然后传送给发送单元(10412)；发送单元(10412)与通讯单元(106)相连接，用于将电流信号、电压信号和温度信号发送至通讯单元(106)。
4.根据权利要求3所述的基于物联网技术的光伏发电监测装置，其特征在于：所述的信号放大单元(1048)包括保护电路、滤波电路和放大电路，其中，所述电流采集子单元(1042)、所述电压采集子单元(1044)和所述温度采集子单元(1046)的输出端连接至所述保护电路的输入端，所述保护电路的输出端连接至所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接至所述放大电路的输入端，所述放大电路的输出端连接至所述模/数转换器(10410)；
在信号放大单元(1048)中，所述保护电路包括至少一个二极管，所述滤波电路包括滤波电容和滤波电阻，所述滤波电容的一端连接至所述滤波电阻的一端，所述滤波电阻的另一端连接至所述至少一个二极管的阴极，所述滤波电容的另一端连接至所述至少一个二极管的阳极；
在信号放大单元(1048)中，所述放大电路包括运算放大器、输入端电阻和至少一个反馈电阻，所述输入端电阻连接在所述滤波电路的输出端和所述运算放大器的反相输入端之间，所述至少一个反馈电阻连接在所述运算放大器的反相输入端和所述运算放大器的输出端之间。
5.根据权利要求1所述的基于物联网技术的光伏发电监测装置，其特征在于：所述的电源单元(102)包括降压式变换电路，将输入电压转换且稳定为5V。
6.根据权利要求1所述的基于物联网技术的光伏发电监测装置，其特征在于：所述的信号放大单元(1048)包括运算放大器和至少一个反馈电阻，所述至少一个反馈电阻串联以后，连接在运算放大器的反相输入端和输出端之间，以由所述运算放大器和所述至少一个反馈电阻对所述电流信号、所述电压信号和所述温度信号进行差分放大。
7.根据权利要求1所述的基于物联网技术的光伏发电监测装置，其特征在于：所述的通讯单元(106)既能够使用有线通讯，也能够使用无线通讯，其中无线通讯采用CC2530控制芯片来实现。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN201410459807.1A Pending CN104300901A (zh) | 2014-09-11 | 2014-09-11 | 一种基于物联网技术的光伏发电监测装置 |
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| CN (1) | CN104300901A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN106125634A (zh) * | 2016-08-31 | 2016-11-16 | 天津天大求实电力新技术股份有限公司 | 一种光伏发电系统远程监控、控制装置 |
| CN107329430A (zh) * | 2017-07-20 | 2017-11-07 | 苏州艾特博斯智能设备有限公司 | 一种光伏组件远程监测优化装置及其方法 |
| CN110098740A (zh) * | 2019-05-09 | 2019-08-06 | 苏州汇川联合动力系统有限公司 | 降压电路及电子设备 |
| CN112332778A (zh) * | 2020-09-28 | 2021-02-05 | 南京瑞贻电子科技有限公司 | 一种用于物联网光伏发电设备的故障监测系统及其监测方法 |
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-
2014
- 2014-09-11 CN CN201410459807.1A patent/CN104300901A/zh active Pending
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