CN201918920U

CN201918920U - 智慧光伏电池组件

Info

Publication number: CN201918920U
Application number: CN2009202824547U
Authority: CN
Inventors: 叶明宝
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2019-12-21

Abstract

智慧光伏电池组件，属于光伏发电系统中的监测、运行与管理领域。光伏组件典型问题包括：连接，灰尘积聚和组件退化差异等，当这些问题发生时光伏发电系统的效率会受到影响。给光伏组件增加智能监测系统，使光伏组件成为智慧组件。光伏电站监控系统通过采集智慧组件参数可以更有效的管理光伏电站，组件结合监控系统提供的参数实现自我诊断管理，有效地识别单个光伏组件任何异常：灰尘、面板退化、开路、光斑效应等。本实用新型由单片机系统，电源供电回路，电压检测回路，电流检测回路，智慧通信接口回路，电度计量芯片等构成。采用大规模集成电路，体积小、功耗低、可靠性高，与光伏组件接线盒组合在一起，提供光伏发电系统寿命期内组件的连续监测能力。

Description

智慧光伏电池组件

技术领域：

本实用新型涉及太阳能光伏发电领域，特别是电池组件的在线连续监测、运行与管理。

背景技术：

太阳是我们取之不尽的无限能量来源，在未来数亿年也不会消失，太阳能可以替代化石能源所产生的能量。虽然太阳能发电是首选的清洁能源，但目前由于太阳能发电的成本较高及技术原因，以及受到社会的政治和经济负担的制约，所以目前的太阳能发电的应用并不像太阳能的完美那样呈指数增加。

太阳能发电系统的主要构成部件是光伏电池阵列中的光伏组件。光伏组件典型问题包括：连接，灰尘积聚和组件退化差异等，当这些问题发生时整个太阳能发电系统的效率可能会受到影响，由于太阳能发电组件的功率密度较小(150W/平方米)，导致光伏阵列分散在很大的平面空间上，之前的应用在技术上无法对它们实施有效监测。

本实用新型通过在光伏组件接线盒内增加一个智能监测系统，并把它们作为光伏监控网络的一节点，提供监测和核查个别光伏组件运行状态的手段。解决了过去工程技术人员逐个测试光伏组件的电压来判断运行中的个别光伏组件性能的困难，特别是需移动光伏组件才能实施的应用场合，这种侵入性方法常常会导致光伏发电系统出现新的问题。

当然之前也有各种通用智能仪表可以监测每个光伏组件的电压、电流等性能，但需要大量的电线来连接每个组件，导致其成本较高；同时增加的设备及电缆的可靠性也无法满足光伏发电25年的寿命要求；目前未见实际应用。以典型的商业系统(50千峰瓦)为例，共需要300块光伏组件组成17串，可能需要上千根电线。此外，串联后产生潜在的高电压(0-600VDC)若接线具有相当大的安全风险。本实用新型回避了这种危险，采用了每个光伏组件设一个采集装置并集成到接线盒内与光伏组件一体化的思想，回避外部电缆连接，用最少的资源实现对光伏组件的监测，可以节省大量的电缆资源。

本实用新型作为光伏发电系统的主要部件，也是光伏监控系统的基本元件，它是一个与光伏组件结合在一起的、自动的过程监视系统，它实时在线关注每个光伏组件的运行性能。

本实用新型包括电压、电流检测回路和单片机系统，采用了串行通讯协议，这样容许分散面积较广的较多光伏模块分享共同的通讯线。本实用新型通过光耦隔离的通讯线连接发电系统，保证了高电压的安全性。

本实用新型优选采用智慧无线网络通讯系统实现上述安全功能。

本实用新型提供太阳能电池性能的连续监测能力，作为光伏组件的必不可少组成部分。这是对现有光伏发电系统的重大改进，它与原有基于并网逆变器的运行监控系统相互补充；本实用新型的监测能更有效地识别光伏组件异常，即使是最细微的问题如灰尘和面板退化。

实用新型内容：

目前的太阳能光伏电池组件(简称光伏组件)主要包括若干连接好的电池片与接线盒，提供了太阳能转换为电能的基本能力及输送连接接口。在由它们组成的光伏发电系统中，它们的运行信息人们无法感知，组件处于孤立的运行状态，当光伏组件发生异常时人们就无法及时了解与处理，影响发电效率。图四显示的是我们建立在光伏组件9上，组合到接线盒10内的智能监测系统11背板布置图，当然智能监测系统11也可独立安装。智能监测系统提供了对组件的测量管理能力，同时把太阳能光伏电池组件的运行输出参数(电度、P、V、I)通过有线或无线的方式传送出去，提供有效地监视整个光伏发电系统技术手段，使工程技术人员能够迅速确定发电水平，发现潜在的问题，进而快速发现太阳能电池阵列内相关光伏组件的具体位置。

本实用新型提供了太阳能电池性能的连续监测能力，硬件由高频电源(DC/DC)、单片机系统、电压检测电路、电流检测电路、模拟到数字(A/D)转换器和光电隔离的通讯接口或智慧无线网络组成。

本实用新型公开了一种智慧光伏电池组件，包括：至少一个单片机系统、高频转换器高频转换器、电压检测电路以及电流检测电路连接光伏组件；所述单片机系统通过网络接口连接RS485通讯物理电缆或者RF天线。

所述单片机系统，采用SoC封装或者安装在印制电路板上，单片机系统包含CPU模块、FlashROM、RAM、A/D模块、R/F模块。

所述电压检测电路作为光伏组件本体运行状态监视的基本参数电路，输入相邻组件的电压。

包括一个模拟到数字A/D转换器将检测电压回路模拟量转换到数字量，所述电压检测电路和电流检测电路通过模拟到数字A/D转换器连接单片机系统。

所述高频转换器将光伏组件电能转化后为单片机系统供电。

本实用新型提供了三种计算机硬件系统实施方案，硬件系统框图中：1是单片机，内部包含：CPU、FlashROM、RAM、SPI、UART、PIO、RF、A/D；2是电源供电回路；3是电压检测回路；4是电流检测回路；5是光耦隔离回路；6是无线通信RF回路及天线；7是RS485通讯电缆；8是电度计量芯片(A/D)；9是光伏电池组件本体；10是接线盒；11是包含上述1到8的智慧监测系统。

实例1：

图一是实现智慧光伏组件的实例框图，也是智慧光伏组件的基本硬件，1是单片机系统，其中：CPU作为智慧光伏系统的核心提供对各部件的管理及智能信息处理能力、ROM提供软件存储空间及光伏组件出厂参数存储空间、RAM提供CPU运行需要的内存及实时数据存储空间、UART是异步串行通讯接口经过光耦隔离后与RS485接口连接、内部A/D对3和4输入的电压和电流进行模数转换，2将光伏组件产生的电能通过高频转换器产生工作电源供给智慧光伏系统，3是电压检测的取样电阻网络，4是电流取样电阻或霍尔传感器，5提供智慧光伏组件与串行通讯网络的光耦物理隔离，7是RS485通讯物理电缆。

实例2：

图二是实现智慧光伏组件的另一实例框图，在图一的基础上稍作改进，即：采用独立的电能计量芯片8代替单片机内部的A/D转换器，通过单片机内部的SPI接口读取电度计量芯片内采集的光伏组件运行电压、电流、功率、电度等数字化信息。

实例3：

图三是实现智慧光伏组件的另一实例框图，在图二的基础上稍作改进，它采用单片机内部集成的无线RF网络接口代替异步串行通讯接口UART，RF天线12代替RS485电缆7实现各光伏组件的无电耦合连接，若增加一个RF接口可以组成两级无线网络。

本实用新型的硬件方案不局限于上述实现方案，在不背离本实用新型精神前提下可作出修改，但这些修改仍属于本实用新型权利要求的保护范围。

本实用新型允许输入相邻组件的工作电压，实现双组件监测。

智能监测系统通过软件实现：

●光伏电站监控数据中心通过采集本组件的实时数据、历史曲线与逆变器的实时数据相互补充进行监测光伏发电系统，实现组件级光伏电站监控功能；

●提供了光伏发电站有效地了解当前各个组件的运行情况的技术手段；

●可以保持组件运行在最佳状态和预测未来的电力生产；

●提供数据比较分析识别光伏组件异常，即使是最细微的问题如灰尘和面板退化；

●确定需要玻璃表面的清洗或更换有缺陷的组件。

附图说明：

图1是实现智慧光伏组件的实例之一。

图2是实现智慧光伏组件的另一实例框图。

图3是实现智慧光伏组件的另一实例框图。

图4是实现智慧光伏组件的背面安装简图。

图5是实现智慧光伏组件的软件主程序框图。

图6是实现智慧光伏组件实例的电原理图。

具体实施方式：

图1中1是单片机系统，内含：中央处理器CPU、程序和参数存储器ROM、内存及实时数据存储空间RAM、异步串行通讯接口UART经过光耦隔离回路与RS485接口、内部A/D对3和4输入的电压和电流进行模数转换，2将光伏组件产生的电能通过高频转换器产生工作电源供给智慧光伏系统，3是电压检测的取样电阻网络，4是电流取样电阻或霍尔传感器，5提供智慧光伏组件与串行通讯网络的物理隔离，7是RS485通讯物理电缆。

图2在图1的基础上稍作改进，即：采用独立的电能计量芯片8代替单片机内部的A/D转换器实现美术转换，它通过单片机内部的SPI接口读取电度计量芯片内采集的光伏组件运行电压、电流、功率、电度等数字化信息。

图3在图2的基础上稍作改进，它采用单片机内部集成的无线网络RF接口代替异步串行通讯接口UART，RF天线12代替RS485电缆7实现各光伏组件的无电耦合连接，若增加一个RF接口可以组成两级无线网络。

图4在原光伏组件9的接线盒10内增加智能监测系统11；本实用新型的另一安装方式是将智能监测系统11置于一满足光伏组件防护等级要求的独立安装盒内安装在任意位置，需要引线。

图6中U1实现供电，U2对光伏组件的输入信号进行数字化，U3是SoC封装的单片机，U4是无线通讯RF接口，R4与R5提供光伏组件运行电压检测，R6作为光伏组件运行电流检测。

图6是实例三的实施电原理图，以此为例做详细说明。

智能系统的电源采用光伏组件自身提供的直流电，由高频电源转换控制芯片U1产生工作电源，供硬件电路使用。

单片机系统U3采用SoC结构的EM351，具有：

●CPU 32Bit的ARM Cortex-M3内核

●ROM 128KBFlash

●RAM 12KB

●A/D 12位转换器

●UART 串行异步接口

●R/F 优异的与其他2.4GHz设备共存能力

●PIO 并行接口

●极低的待机功耗

EM351是智慧光伏组件的核心，提供了软件存储空间和数据存储空间及外围设备接口，它采集光伏组件的运行状态并进行处理，及时发现光伏组件异常，实现与监控系统交换数据信息；

电压监测回路采用电阻网络差分输入到A/D；电流监测回路采用0.01欧姆取样电阻，通过电阻网络差分输入到A/D；

电度计量芯片U2作为A/D转换器采集电流、电压参数、功率、电度、组件温度等参数，由U3通过SPI接口读取采样数据；

EM351提供的RF接口是符合zigbee标准IEC802.15.4的2.4G通讯协议，可以组建自组网的智慧Mesh网络，也可以作为pooling网络的子节点。它实现与光伏电站监控系统的通讯，提供自身实时数据的上传及监控系统的数据和命令。

图五是该实施实例的软件主程序基本工作流程：上电初始化，启动A/D采样，接收数据中心广播，数据采集，数据分析，报警处理，无线通讯处理。另外还有中断处理程序处理采样中断和RF通讯收发线通讯处理。另外还有中断处理程序处理采样中断和RF通讯收发中断。

智慧光伏组件在出厂性能测试时，可与测试系统连接存储产品出厂特性曲线：I-V特性曲线及照度-最大功率点曲线及测量误差。通过采集的实时数据，智能监控系统可以实现很多功能，例如：

●当光伏组件表面有污垢时，组件出力下降，光伏电池智慧组件通过数据中心广播的光照强度结合组件的照度-最大功率点曲线预测理论发电能力：运行电压及发电功率，通过与实时采集的发电出力比较则可以判断出肮脏程度，发出预警信号及时予以处理。

●当光伏组件部分发生光斑效应时，则本电池组件串中的各组件输出电压发生不平衡，监控系统可以通过比较该数据非常迅速的找到该组件，避免人工干预寻找故障点带来的不可预见危害。

●当光伏组件老化时，其输出能力下降，用累计发电量比较作为判据，结合电池老化特性曲线实现预测。

●当光伏组件开路时，组件其输出电压升高，通过运行电压参数即可判别。

●通过组件的运行功率、照度数据结合I-V特性曲线和照度-最大功率点曲线可以确定本组件的最大功率点偏差，验证光伏逆变器的MPPT是否正确，保证运营商的发电经济效益最大化。

●通过将各组件串的输出电度累加与逆变器输出的比较，辅助发现逆变器的运行异常。

该实施方案是可能的应用方案之一，也可以采用其他硬件系统和软件实现本实用新型功能。

Claims

1.一种智慧光伏电池组件，其特征是，包括：至少一个单片机系统(1)、高频转换器(2)、至少一个电压检测电路(3)、电流检测电路(4)、网络接口；所述单片机系统(1)分别通过高频转换器(2)、电压检测电路(3)以及电流检测电路(4)连接光伏组件；所述单片机系统(1)通过网络接口连接RS485通讯物理电缆(7)或者RF天线(12)。

2.根据权利要求1所述的智慧光伏电池组件，其特征在于，所述单片机系统采用SoC封装单片机或者安装在印制电路板上组件，单片机系统包含CPU模块、FlashROM、RAM、A/D模块、R/F模块。

3.根据权利要求1中的智慧光伏电池组件，其特征在于，所述电压检测电路作为光伏组件本体运行状态监视的基本参数电路，输入相邻组件的电压。

4.根据权利要求1所述的智慧光伏电池组件，其特征在于，包括一个模拟到数字A/D转换器(8)将检测电压、电流回路模拟量转换到数字量，所述电压检测电路(3)和电流检测电路(4)通过模拟到数字A/D转换器(8)连接单片机系统(1)。

5.根据权利要求1所述的智慧光伏电池组件，其特征在于，所述高频转换器(2)将光伏组件电能转化后为单片机系统(1)供电。