專利名稱：智慧光伏電池組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域，特別是電池組件的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行與管理。
技術(shù)背景太陽(yáng)是我們?nèi)≈槐M的無限能量來源，在未來數(shù)億年也不會(huì)消失，太陽(yáng)能可以替 代化石能源所產(chǎn)生的能量。雖然太陽(yáng)能發(fā)電是首選的清潔能源，但目前由于太陽(yáng)能發(fā)電的 成本較高及技術(shù)原因，以及受到社會(huì)的政治和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的制約，所以目前的太陽(yáng)能發(fā)電的 應(yīng)用并不像太陽(yáng)能的完美那樣呈指數(shù)增加。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的主要構(gòu)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(dāng)這些問題發(fā)生時(shí)整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的效率 可能會(huì)受到影響，由于太陽(yáng)能發(fā)電組件的功率密度較小(150W/平方米)，導(dǎo)致光伏陣列分 散在很大的平面空間上，之前的應(yīng)用在技術(shù)上無法對(duì)它們實(shí)施有效監(jiān)測(cè)。本實(shí)用新型通過在光伏組件接線盒內(nèi)增加一個(gè)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并把它們作為光伏 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的一節(jié)點(diǎn)，提供監(jiān)測(cè)和核查個(gè)別光伏組件運(yùn)行狀態(tài)的手段。解決了過去工程技術(shù) 人員逐個(gè)測(cè)試光伏組件的電壓來判斷運(yùn)行中的個(gè)別光伏組件性能的困難，特別是需移動(dòng)光 伏組件才能實(shí)施的應(yīng)用場(chǎng)合，這種侵入性方法常常會(huì)導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)新的問題。當(dāng)然之前也有各種通用智能儀表可以監(jiān)測(cè)每個(gè)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(gè)組件，導(dǎo)致其成本較高；同時(shí)增加的設(shè)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(shí)際應(yīng)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(lián)后產(chǎn)生潛在的高電 壓(0-600VDC)若接線具有相當(dāng)大的安全風(fēng)險(xiǎn)。本實(shí)用新型回避了這種危險(xiǎn)，采用了每個(gè)光 伏組件設(shè)一個(gè)采集裝置并集成到接線盒內(nèi)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(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件的監(jiān)測(cè)，可以節(jié)省大量的電纜資源。本實(shí)用新型作為光伏發(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(gè)與光伏組件結(jié)合在一起的、自動(dòng)的過程監(jiān)視系統(tǒng)，它實(shí)時(shí)在線關(guān)注每個(gè)光伏組件的運(yùn) 行性能。本實(shí)用新型包括電壓、電流檢測(cè)回路和單片機(jī)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。本實(shí)用新型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。本實(shí)用新型優(yōu)選采用智慧無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上述安全功能。本實(shí)用新型提供太陽(yáng)能電池性能的連續(xù)監(jiān)測(cè)能力，作為光伏組件的必不可少組成 部分。這是對(duì)現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)的重大改進(jìn)，它與原有基于并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)相 互補(bǔ)充；本實(shí)用新型的監(jiān)測(cè)能更有效地識(shí)別光伏組件異常，即使是最細(xì)微的問題如灰塵和 面板退化。實(shí)用新型內(nèi)容目前的太陽(yáng)能光伏電池組件(簡(jiǎn)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(yáng)能轉(zhuǎn)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(yùn)行信息人們無法感知，組件處于孤立的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)光伏組件發(fā)生異常時(shí) 人們就無法及時(shí)了解與處理，影響發(fā)電效率。圖四顯示的是我們建立在光伏組件9上，組合 到接線盒10內(nèi)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)11背板布置圖，當(dāng)然智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)11也可獨(dú)立安裝。智能 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了對(duì)組件的測(cè)量管理能力，同時(shí)把太陽(yáng)能光伏電池組件的運(yùn)行輸出參數(shù)(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(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)手段， 使工程技術(shù)人員能夠迅速確定發(fā)電水平，發(fā)現(xiàn)潛在的問題，進(jìn)而快速發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能電池陣列 內(nèi)相關(guān)光伏組件的具體位置。本實(shí)用新型提供了太陽(yáng)能電池性能的連續(xù)監(jiān)測(cè)能力，硬件由高頻電源(DC/DC)、單 片機(jī)系統(tǒng)、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、模擬到數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器和光電隔離的通訊接口 或智慧無線網(wǎng)絡(luò)組成。本實(shí)用新型公開了一種智慧光伏電池組件，包括至少一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)、高頻轉(zhuǎn)換 器高頻轉(zhuǎn)換器、電壓檢測(cè)電路以及電流檢測(cè)電路連接光伏組件；所述單片機(jī)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò) 接口連接RS485通訊物理電纜或者RF天線。所述單片機(jī)系統(tǒng)，采用SoC封裝或者安裝在印制電路板上，單片機(jī)系統(tǒng)包含CPU模 塊、FlashROM, RAM、A/D 模塊、R/F 模塊。所述電壓檢測(cè)電路作為光伏組件本體運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視的基本參數(shù)電路，輸入相鄰組 件的電壓。包括一個(gè)模擬到數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器將檢測(cè)電壓回路模擬量轉(zhuǎn)換到數(shù)字量，所述電壓 檢測(cè)電路和電流檢測(cè)電路通過模擬到數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器連接單片機(jī)系統(tǒng)。所述高頻轉(zhuǎn)換器將光伏組件電能轉(zhuǎn)化后為單片機(jī)系統(tǒng)供電。本實(shí)用新型提供了三種計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)實(shí)施方案，硬件系統(tǒng)框圖中1是單片機(jī)， 內(nèi)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(cè)回 路；4是電流檢測(cè)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(jì)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(cè)系統(tǒng)。實(shí)例1 圖一是實(shí)現(xiàn)智慧光伏組件的實(shí)例框圖，也是智慧光伏組件的基本硬件，1是單片機(jī) 系統(tǒng)，其中CPU作為智慧光伏系統(tǒng)的核心提供對(duì)各部件的管理及智能信息處理能力、ROM 提供軟件存儲(chǔ)空間及光伏組件出廠參數(shù)存儲(chǔ)空間、RAM提供CPU運(yùn)行需要的內(nèi)存及實(shí)時(shí)數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)空間、UART是異步串行通訊接口經(jīng)過光耦隔離后與RS485接口連接、內(nèi)部A/D對(duì)3 和4輸入的電壓和電流進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，2將光伏組件產(chǎn)生的電能通過高頻轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生工作 電源供給智慧光伏系統(tǒng)，3是電壓檢測(cè)的取樣電阻網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)的光耦物理隔離，7是RS485通訊物理電纜。實(shí)例2 圖二是實(shí)現(xiàn)智慧光伏組件的另一實(shí)例框圖，在圖一的基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)，S卩采用獨(dú) 立的電能計(jì)量芯片8代替單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，通過單片機(jī)內(nèi)部的SPI接口讀取電度計(jì)量芯片內(nèi)采集的光伏組件運(yùn)行電壓、電流、功率、電度等數(shù)字化信息。實(shí)例3 圖三是實(shí)現(xiàn)智慧光伏組件的另一實(shí)例框圖，在圖二的基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)，它采用單 片機(jī)內(nèi)部集成的無線RF網(wǎng)絡(luò)接口代替異步串行通訊接口 UART，RF天線12代替RS485電纜 7實(shí)現(xiàn)各光伏組件的無電耦合連接，若增加一個(gè)RF接口可以組成兩級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)。本實(shí)用新型的硬件方案不局限于上述實(shí)現(xiàn)方案，在不背離本實(shí)用新型精神前提下 可作出修改，但這些修改仍屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍。本實(shí)用新型允許輸入相鄰組件的工作電壓，實(shí)現(xiàn)雙組件監(jiān)測(cè)。智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過軟件實(shí)現(xiàn) 光伏電站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心通過采集本組件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史曲線與逆變器的實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)相互補(bǔ)充進(jìn)行監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)組件級(jí)光伏電站監(jiān)控功能； 提供了光伏發(fā)電站有效地了解當(dāng)前各個(gè)組件的運(yùn)行情況的技術(shù)手段； 可以保持組件運(yùn)行在最佳狀態(tài)和預(yù)測(cè)未來的電力生產(chǎn)； 提供數(shù)據(jù)比較分析識(shí)別光伏組件異常，即使是最細(xì)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(shí)現(xiàn)智慧光伏組件的實(shí)例之一。圖2是實(shí)現(xiàn)智慧光伏組件的另一實(shí)例框圖。圖3是實(shí)現(xiàn)智慧光伏組件的另一實(shí)例框圖。圖4是實(shí)現(xiàn)智慧光伏組件的背面安裝簡(jiǎn)圖。圖5是實(shí)現(xiàn)智慧光伏組件的軟件主程序框圖。圖6是實(shí)現(xiàn)智慧光伏組件實(shí)例的電原理圖。
具體實(shí)施方式
圖1中1是單片機(jī)系統(tǒng)，內(nèi)含中央處理器CPU、程序和參數(shù)存儲(chǔ)器ROM、內(nèi)存及實(shí) 時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間RAM、異步串行通訊接口 UART經(jīng)過光耦隔離回路與RS485接口、內(nèi)部A/D對(duì) 3和4輸入的電壓和電流進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，2將光伏組件產(chǎn)生的電能通過高頻轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生工作 電源供給智慧光伏系統(tǒng)，3是電壓檢測(cè)的取樣電阻網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)的物理隔離，7是RS485通訊物理電纜。圖2在圖1的基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)，即采用獨(dú)立的電能計(jì)量芯片8代替單片機(jī)內(nèi)部的 A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)美術(shù)轉(zhuǎn)換，它通過單片機(jī)內(nèi)部的SPI接口讀取電度計(jì)量芯片內(nèi)采集的光伏 組件運(yùn)行電壓、電流、功率、電度等數(shù)字化信息。圖3在圖2的基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)，它采用單片機(jī)內(nèi)部集成的無線網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)各光伏組件的無電耦合連接，若 增加一個(gè)RF接口可以組成兩級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)。圖4在原光伏組件9的接線盒10內(nèi)增加智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)11 ；本實(shí)用新型的另一安 裝方式是將智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)11置于一滿足光伏組件防護(hù)等級(jí)要求的獨(dú)立安裝盒內(nèi)安裝在任意位置，需要引線。圖6中Ul實(shí)現(xiàn)供電，U2對(duì)光伏組件的輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，U3是SoC封裝的單片 機(jī)，U4是無線通訊RF接口，R4與R5提供光伏組件運(yùn)行電壓檢測(cè)，R6作為光伏組件運(yùn)行電 流檢測(cè)。圖6是實(shí)例三的實(shí)施電原理圖，以此為例做詳細(xì)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(zhuǎn)換控制芯片Ul 產(chǎn)生工作電源，供硬件電路使用。單片機(jī)系統(tǒng)U3采用SoC結(jié)構(gòu)的EM351，具有· CPU 32Bit 的 ARM Cortex_M3 內(nèi)核· ROM 128KBFlash· RAM 12KB· A/D 12位轉(zhuǎn)換器· UART串行異步接口· R/F優(yōu)異的與其他2. 4GHz設(shè)備共存能力· PIO 并行接口 極低的待機(jī)功耗EM351是智慧光伏組件的核心，提供了軟件存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間及外圍設(shè)備 接口，它采集光伏組件的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)光伏組件異常，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)交 換數(shù)據(jù)信息；電壓監(jiān)測(cè)回路采用電阻網(wǎng)絡(luò)差分輸入到A/D ；電流監(jiān)測(cè)回路采用0. 01歐姆取樣電 阻，通過電阻網(wǎng)絡(luò)差分輸入到A/D ；電度計(jì)量芯片U2作為A/D轉(zhuǎn)換器采集電流、電壓參數(shù)、功率、電度、組件溫度等參 數(shù)，由U3通過SPI接口讀取采樣數(shù)據(jù)；EM351提供的RF接口是符合zigbee標(biāo)準(zhǔn)IEC802. 15. 4的2. 4G通訊協(xié)議，可以組 建自組網(wǎng)的智慧Mesh網(wǎng)絡(luò)，也可以作為pooling網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)。它實(shí)現(xiàn)與光伏電站監(jiān)控系 統(tǒng)的通訊，提供自身實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上傳及監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和命令。圖五是該實(shí)施實(shí)例的軟件主程序基本工作流程上電初始化，啟動(dòng)A/D采樣，接收 數(shù)據(jù)中心廣播，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析，報(bào)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(cè)試時(shí)，可與測(cè)試系統(tǒng)連接存儲(chǔ)產(chǎn)品出廠特性曲線I-V 特性曲線及照度-最大功率點(diǎn)曲線及測(cè)量誤差。通過采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，智能監(jiān)控系統(tǒng)可以 實(shí)現(xiàn)很多功能，例如 當(dāng)光伏組件表面有污垢時(shí)，組件出力下降，光伏電池智慧組件通過數(shù)據(jù)中心廣 播的光照強(qiáng)度結(jié)合組件的照度-最大功率點(diǎn)曲線預(yù)測(cè)理論發(fā)電能力運(yùn)行電壓及發(fā)電功 率，通過與實(shí)時(shí)采集的發(fā)電出力比較則可以判斷出骯臟程度，發(fā)出預(yù)警信號(hào)及時(shí)予以處理。 當(dāng)光伏組件部分發(fā)生光斑效應(yīng)時(shí)，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(shù)據(jù)非常迅速的找到該組件，避免人工干預(yù)尋找故障點(diǎn)帶 來的不可預(yù)見危害。[0062] 當(dāng)光伏組件老化時(shí)，其輸出能力下降，用累計(jì)發(fā)電量比較作為判據(jù)，結(jié)合電池老 化特性曲線實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)。 當(dāng)光伏組件開路時(shí)，組件其輸出電壓升高，通過運(yùn)行電壓參數(shù)即可判別。 通過組件的運(yùn)行功率、照度數(shù)據(jù)結(jié)合I-V特性曲線和照度-最大功率點(diǎn)曲線可 以確定本組件的最大功率點(diǎn)偏差，驗(yàn)證光伏逆變器的MPPT是否正確，保證運(yùn)營(yíng)商的發(fā)電經(jīng) 濟(jì)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(xiàn)逆變器的運(yùn)行異常。該實(shí)施方案是可能的應(yīng)用方案之一，也可以采用其他硬件系統(tǒng)和軟件實(shí)現(xiàn)本實(shí)用 新型功能。
權(quán)利要求1.一種智慧光伏電池組件，其特征是，包括至少一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)(1)、高頻轉(zhuǎn)換器 O)、至少一個(gè)電壓檢測(cè)電路(3)、電流檢測(cè)電路0)、網(wǎng)絡(luò)接口 ；所述單片機(jī)系統(tǒng)⑴分別通 過高頻轉(zhuǎn)換器O)、電壓檢測(cè)電路(3)以及電流檢測(cè)電路(4)連接光伏組件；所述單片機(jī)系 統(tǒng)⑴通過網(wǎng)絡(luò)接口連接RS485通訊物理電纜(7)或者RF天線(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智慧光伏電池組件，其特征在于，所述單片機(jī)系統(tǒng)采用SoC封 裝單片機(jī)或者安裝在印制電路板上組件，單片機(jī)系統(tǒng)包含CPU模塊、FlashROM, RAM、A/D模 塊、R/F模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中的智慧光伏電池組件，其特征在于，所述電壓檢測(cè)電路作為光伏 組件本體運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視的基本參數(shù)電路，輸入相鄰組件的電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智慧光伏電池組件，其特征在于，包括一個(gè)模擬到數(shù)字A/D轉(zhuǎn) 換器(8)將檢測(cè)電壓、電流回路模擬量轉(zhuǎn)換到數(shù)字量，所述電壓檢測(cè)電路C3)和電流檢測(cè)電 路(4)通過模擬到數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器(8)連接單片機(jī)系統(tǒng)(1)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智慧光伏電池組件，其特征在于，所述高頻轉(zhuǎn)換器(2)將光伏 組件電能轉(zhuǎn)化后為單片機(jī)系統(tǒng)(1)供電。
專利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(cè)、運(yùn)行與管理領(lǐng)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(dāng)這些問題發(fā)生時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率會(huì)受到影響。給光伏組件增加智能監(jiān)測(cè)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(shù)可以更有效的管理光伏電站，組件結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)提供的參數(shù)實(shí)現(xiàn)自我診斷管理，有效地識(shí)別單個(gè)光伏組件任何異?；覊m、面板退化、開路、光斑效應(yīng)等。本實(shí)用新型由單片機(jī)系統(tǒng)，電源供電回路，電壓檢測(cè)回路，電流檢測(cè)回路，智慧通信接口回路，電度計(jì)量芯片等構(gòu)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(nèi)組件的連續(xù)監(jiān)測(cè)能力。
文檔編號(hào)H02N6/00GK201918920SQ20092028245
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者葉明寶 申請(qǐng)人:葉明寶