專利名稱：智慧光伏電池組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能光伏發(fā)電領域，特別是電池組件的在線連續(xù)監(jiān)測、運行與管理。
背景技術：
太陽是我們取之不盡的無限能量來源，在未來數億年也不會消失，太陽能可以替 代化石能源所產生的能量。雖然太陽能發(fā)電是首選的清潔能源，但目前由于太陽能發(fā)電的 成本較高及技術原因，以及受到社會的政治和經濟負擔的制約，所以目前的太陽能發(fā)電的 應用并不像太陽能的完美那樣呈指數增加。太陽能發(fā)電系統(tǒng)的主要構成部件是光伏電池陣列中的光伏組件。光伏組件典型問 題包括連接，灰塵積聚和組件退化差異等，當這些問題發(fā)生時整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率 可能會受到影響，由于太陽能發(fā)電組件的功率密度較小(150W/平方米)，導致光伏陣列分 散在很大的平面空間上，之前的應用在技術上無法對它們實施有效監(jiān)測。本發(fā)明通過在光伏組件接線盒內增加一個智能監(jiān)測系統(tǒng)，并把它們作為光伏監(jiān)控 網絡的一節(jié)點，提供監(jiān)測和核查個別光伏組件運行狀態(tài)的手段。解決了過去工程技術人員 逐個測試光伏組件的電壓來判斷運行中的個別光伏組件性能的困難，特別是需移動光伏組 件才能實施的應用場合，這種侵入性方法常常會導致光伏發(fā)電系統(tǒng)出現新的問題。當然之前也有各種通用智能儀表可以監(jiān)測每個光伏組件的電壓、電流等性能，但 需要大量的電線來連接每個組件，導致其成本較高；同時增加的設備及電纜的可靠性也無 法滿足光伏發(fā)電25年的壽命要求；目前未見實際應用。以典型的商業(yè)系統(tǒng)(50千峰瓦)為 例，共需要300塊光伏組件組成17串，可能需要上千根電線。此外，串聯后產生潛在的高電 壓(0-600VDC)若接線具有相當大的安全風險。本發(fā)明回避了這種危險，采用了每個光伏組 件設一個采集裝置并集成到接線盒內與光伏組件一體化的思想，回避外部電纜連接，用最 少的資源實現對光伏組件的監(jiān)測，可以節(jié)省大量的電纜資源。本發(fā)明作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要部件，也是光伏監(jiān)控系統(tǒng)的基本元件，它是一個與 光伏組件結合在一起的、自動的過程監(jiān)視系統(tǒng)，它實時在線關注每個光伏組件的運行性能。本發(fā)明包括電壓、電流檢測回路和單片機系統(tǒng)，采用了串行通訊協(xié)議，這樣容許分 散面積較廣的較多光伏模塊分享共同的通訊線。本發(fā)明通過光耦隔離的通訊線連接發(fā)電系 統(tǒng)，保證了高電壓的安全性。本發(fā)明優(yōu)選采用智慧無線網絡通訊系統(tǒng)實現上述安全功能。本發(fā)明提供太陽能電池性能的連續(xù)監(jiān)測能力，作為光伏組件的必不可少組成部 分。這是對現有光伏發(fā)電系統(tǒng)的重大改進，它與原有基于并網逆變器的運行監(jiān)控系統(tǒng)相互 補充；本發(fā)明的監(jiān)測能更有效地識別光伏組件異常，即使是最細微的問題如灰塵和面板退 化。
發(fā)明內容
目前的太陽能光伏電池組件(簡稱光伏組件)主要包括若干連接好的電池片與接線盒，提供了太陽能轉換為電能的基本能力及輸送連接接口。在由它們組成的光伏發(fā)電 系統(tǒng)中，它們的運行信息人們無法感知，組件處于孤立的運行狀態(tài)，當光伏組件發(fā)生異常時 人們就無法及時了解與處理，影響發(fā)電效率。圖4顯示的是我們建立在光伏組件9上，組合 到接線盒10內的智能監(jiān)測系統(tǒng)11背板布置圖，當然智能監(jiān)測系統(tǒng)11也可獨立安裝。智能 監(jiān)測系統(tǒng)提供了對組件的測量管理能力，同時把太陽能光伏電池組件的運行輸出參數(電 度、P、V、I)通過有線或無線的方式傳送出去，提供有效地監(jiān)視整個光伏發(fā)電系統(tǒng)技術手段， 使工程技術人員能夠迅速確定發(fā)電水平，發(fā)現潛在的問題，進而快速發(fā)現太陽能電池陣列 內相關光伏組件的具體位置。本發(fā)明提供了太陽能電池性能的連續(xù)監(jiān)測能力，硬件由高頻電源(DC/DC)、單片機 系統(tǒng)、電壓檢測電路、電流檢測電路、模擬到數字(A/D)轉換器和光電隔離的通訊接口或智 慧無線網絡組成。本發(fā)明提供了三種計算機硬件系統(tǒng)實施方案，硬件系統(tǒng)框圖中1是單片機，內部 包含CPU、FlashROM、RAM、SPI、UART、PIO、RF、A/D ；2是電源供電回路；3是電壓檢測回路； 4是電流檢測回路；5是光耦隔離回路；6是無線通信RF回路及天線；7是RS485通訊電纜； 8是電度計量芯片(A/D) ；9是光伏電池組件本體；10是接線盒；11是包含上述1到8的智 慧監(jiān)測系統(tǒng)。實例1 圖1是實現智慧光伏組件的實例框圖，也是智慧光伏組件的基本硬件，1是單片機 系統(tǒng)，其中CPU作為智慧光伏系統(tǒng)的核心提供對各部件的管理及智能信息處理能力、ROM 提供軟件存儲空間及光伏組件出廠參數存儲空間、RAM提供CPU運行需要的內存及實時數 據存儲空間、UART是異步串行通訊接口經過光耦隔離后與RS485接口連接、內部A/D對3 和4輸入的電壓和電流進行模數轉換，2將光伏組件產生的電能通過高頻轉換器產生工作 電源供給智慧光伏系統(tǒng)，3是電壓檢測的取樣電阻網絡，4是電流取樣電阻或霍爾傳感器，5 提供智慧光伏組件與串行通訊網絡的光耦物理隔離，7是RS485通訊物理電纜。實例2:圖2是實現智慧光伏組件的另一實例框圖，在圖1的基礎上稍作改進，即采用獨 立的電能計量芯片8代替單片機內部的A/D轉換器，通過單片機內部的SPI接口讀取電度 計量芯片內采集的光伏組件運行電壓、電流、功率、電度等數字化信息。實例3:圖3是實現智慧光伏組件的另一實例框圖，在圖2的基礎上稍作改進，它采用單片 機內部集成的無線RF網絡接口代替異步串行通訊接口 UART，RF天線12代替RS485電纜7 實現各光伏組件的無電耦合連接，若增加一個RF接口可以組成兩級無線網絡。本發(fā)明的硬件方案不局限于上述實現方案，在不背離本發(fā)明精神前提下可作出修 改，但這些修改仍屬于本發(fā)明權利要求的保護范圍。本發(fā)明允許輸入相鄰組件的工作電壓，實現雙組件監(jiān)測。智能監(jiān)測系統(tǒng)通過軟件實現 光伏電站監(jiān)控數據中心通過采集本組件的實時數據、歷史曲線與逆變器的實 時數據相互補充進行監(jiān)測光伏發(fā)電系統(tǒng)，實現組件級光伏電站監(jiān)控功能； 提供了光伏發(fā)電站有效地了解當前各個組件的運行情況的技術手段；
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可以保持組件運行在最佳狀態(tài)和預測未來的電力生產； 提供數據比較分析識別光伏組件異常，即使是最細微的問題如灰塵和面板退 化； 確定需要玻璃表面的清洗或更換有缺陷的組件。
圖1是實現智慧光伏組件的實例之一，1是單片機系統(tǒng)，內含中央處理器CPU、程 序和參數存儲器ROM、內存及實時數據存儲空間RAM、異步串行通訊接口 UART經過光耦隔離 回路與RS485接口、內部A/D對3和4輸入的電壓和電流進行模數轉換，2將光伏組件產生的 電能通過高頻轉換器產生工作電源供給智慧光伏系統(tǒng)，3是電壓檢測的取樣電阻網絡，4是 電流取樣電阻或霍爾傳感器，5提供智慧光伏組件與串行通訊網絡的物理隔離，7是RS485 通訊物理電纜。圖2是實現智慧光伏組件的另一實例框圖，在圖1的基礎上稍作改進，即采用獨 立的電能計量芯片8代替單片機內部的A/D轉換器實現美術轉換，它通過單片機內部的SPI 接口讀取電度計量芯片內采集的光伏組件運行電壓、電流、功率、電度等數字化信息。圖3是實現智慧光伏組件的另一實例框圖，在圖2的基礎上稍作改進，它采用單片 機內部集成的無線網絡RF接口代替異步串行通訊接口 UART，RF天線12代替RS485電纜7 實現各光伏組件的無電耦合連接，若增加一個RF接口可以組成兩級無線網絡。圖4是實現智慧光伏組件的背面安裝簡圖，在原光伏組件9的接線盒10內增加智 能監(jiān)測系統(tǒng)11 ；本發(fā)明的另一安裝方式是將智能監(jiān)測系統(tǒng)11置于一滿足光伏組件防護等 級要求的獨立安裝盒內安裝在任意位置，需要引線。圖5是實現智慧光伏組件的軟件主程序框圖。圖6是實現智慧光伏組件實例的電原理圖。圖中Ul實現供電，U2對光伏組件的 輸入信號進行數字化，U3是SoC封裝的單片機，U4是無線通訊RF接口，R4與R5提供光伏 組件運行電壓檢測，R6作為光伏組件運行電流檢測。實施方式圖6是實例三的實施電原理圖，以此為例做詳細說明。智能系統(tǒng)的電源采用光伏組件自身提供的直流電，由高頻電源轉換控制芯片Ul產生工作電源，供硬件電路使用。單片機系統(tǒng)U3采用SoC結構的EM351，具有· CPU 32Bit 的 ARM Cortex_M3 內核· ROM 128KBFlash· RAM 12KB· A/D 12位轉換器· UART串行異步接口· R/F優(yōu)異的與其他2. 4GHz設備共存能力· PIO 并行接口 極低的待機功耗EM351是智慧光伏組件的核心，提供了軟件存儲空間和數據存儲空間及外圍設備接口，它采集光伏組件的運行狀態(tài)并進行處理，及時發(fā)現光伏組件異常，實現與監(jiān)控系統(tǒng)交 換數據信息；電壓監(jiān)測回路采用電阻網絡差分輸入到A/D ；電流監(jiān)測回路采用0. 01歐姆取樣電 阻，通過電阻網絡差分輸入到A/D ；電度計量芯片U2作為A/D轉換器采集電流、電壓參數、功率、電度、組件溫度等參 數，由U3通過SPI接口讀取采樣數據；EM351提供的RF接口是符合zigbee標準IEC802. 15. 4的2. 4G通訊協(xié)議，可以組 建自組網的智慧Mesh網絡，也可以作為pooling網絡的子節(jié)點。它實現與光伏電站監(jiān)控系 統(tǒng)的通訊，提供自身實時數據的上傳及監(jiān)控系統(tǒng)的數據和命令。圖5是該實施實例的軟件主程序基本工作流程上電初始化，啟動A/D采樣，接收 數據中心廣播，數據采集，數據分析，報警處理，無線通訊處理。另外還有中斷處理程序處理 采樣中斷和RF通訊收發(fā)線通訊處理。另外還有中斷處理程序處理采樣中斷和RF通訊收發(fā) 中斷。智慧光伏組件在出廠性能測試時，可與測試系統(tǒng)連接存儲產品出廠特性曲線I-V 特性曲線及照度-最大功率點曲線及測量誤差。通過采集的實時數據，智能監(jiān)控系統(tǒng)可以 實現很多功能，例如 當光伏組件表面有污垢時，組件出力下降，光伏電池智慧組件通過數據中心廣 播的光照強度結合組件的照度-最大功率點曲線預測理論發(fā)電能力運行電壓及發(fā)電功 率，通過與實時采集的發(fā)電出力比較則可以判斷出骯臟程度，發(fā)出預警信號及時予以處理。 當光伏組件部分發(fā)生光斑效應時，則本電池組件串中的各組件輸出電壓發(fā)生不 平衡，監(jiān)控系統(tǒng)可以通過比較該數據非常迅速的找到該組件，避免人工干預尋找故障點帶 來的不可預見危害。 當光伏組件老化時，其輸出能力下降，用累計發(fā)電量比較作為判據，結合電池老 化特性曲線實現預測。 當光伏組件開路時，組件其輸出電壓升高，通過運行電壓參數即可判別。 通過組件的運行功率、照度數據結合I-V特性曲線和照度-最大功率點曲線可 以確定本組件的最大功率點偏差，驗證光伏逆變器的MPPT是否正確，保證運營商的發(fā)電經 濟效益最大化。 通過將各組件串的輸出電度累加與逆變器輸出的比較，輔助發(fā)現逆變器的運行異常。該實施方案是可能的應用方案之一，也可以采用其他硬件系統(tǒng)和軟件實現本發(fā)明 功能。
權利要求
1.本發(fā)明是在現有光伏電池組件基礎上增加的一個智能監(jiān)測系統(tǒng)，使光伏電池組件具 有智慧處理能力，其特征是包括至少一個單片機系統(tǒng)、至少有一個電壓檢測電路、可選的 電流檢測電路、至少一個模擬到數字(A/D)轉換器、至少一個隔離通訊接口 智慧無線網絡 接口或光電隔離的有線網絡接口，兩種集成安裝方式設于光伏電池接線盒內與光伏組件 融為一體、采用光伏組件同等防護等級要求的獨立裝置安裝于光伏電池組件本體之外。
2.對于權利要求1中的單片機系統(tǒng)，可以是采用SoC封裝(包含CPU、FlashROM、RAM、 A/D、R/F、各種外圍接口)的單片系統(tǒng)，也可以是安裝在印制電路板上的各功能器件集合， 它提供本發(fā)明的核心智慧處理能力。
3.對于權利要求1中的一個電壓檢測電路是必不可少的，作為光伏組件本體運行狀態(tài) 監(jiān)視的基本參數，可以輸入相鄰組件的電壓以提高監(jiān)測效率。
4.對于權利要求1中的可選的電流檢測電路，與電壓檢測電路結合提供組件運行時的 實時發(fā)電功率及發(fā)電量。
5.對于權利要求1中的一個電壓、電流檢測電路，至少有一個模擬到數字轉換器(A/D) 將檢測電壓回路模擬量轉換到數字量，采用電能計量芯片代替A/D測量光伏組件的直流參 數可以提高測量精度，同時提供實時發(fā)電功率、發(fā)電量及組件溫度。
6.對于權利要求1中的智能系統(tǒng)供電電源采用光伏組件自生的能量，由高頻轉換電路 DC/DC實現供電，是完全綠色能源。
7.對于權利要求1中的智慧無線網絡接口至少一個，組網方式可以采用智慧Mesh網 絡或Pooling網絡，可選IEC802. 15. 4等國際或國家標準但不限于上述標準。
8.對于權利要求1的光電隔離的通訊接口優(yōu)選采用RS485串行接口、也可采用其他物 理形式的計算機通信技術，它將各相分離的組件連接成一個系統(tǒng)。
9.對于權利要求1中的智能監(jiān)測系統(tǒng)存儲光伏組件出廠時的測試曲線I-V特性曲線 及照度-最大功率點曲線，作為組件在線分析依據。
10.對于權利要求1中的智慧光伏電池組件接收光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的廣播參數(氣象 參數、電氣參數等)，結合本組件實時數據(電度、ρ、ν、ι、溫度)及出廠曲線分析運行狀態(tài)， 提供報警信號光斑效應，污垢程度、開路、老化不平衡等。
全文摘要
智慧光伏電池組件，屬于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的監(jiān)測、運行與管理領域。光伏組件典型問題包括連接，灰塵積聚和組件退化差異等，當這些問題發(fā)生時光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率會受到影響。給光伏組件增加智能監(jiān)測系統(tǒng)，使光伏組件成為智慧組件。光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)通過采集智慧組件參數可以更有效的管理光伏電站，組件結合監(jiān)控系統(tǒng)提供的參數實現自我診斷管理，有效地識別單個光伏組件任何異常灰塵、面板退化、開路、光斑效應等。本發(fā)明由單片機系統(tǒng)，電源供電回路，電壓檢測回路，電流檢測回路，智慧通信接口回路，電度計量芯片等構成。采用大規(guī)模集成電路，體積小、功耗低、可靠性高，與光伏組件接線盒組合在一起，提供光伏發(fā)電系統(tǒng)壽命期內組件的連續(xù)監(jiān)測能力。
文檔編號G01R31/36GK102104350SQ20091026438
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月21日 優(yōu)先權日2009年12月21日
發(fā)明者葉明寶 申請人:葉明寶