賴其濤，王元月

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 紹興 312000； 2.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

基于溫度測(cè)量法的光伏陣列失效組件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賴其濤1，王元月2

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 紹興 312000； 2.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

為了解決光伏陣列電站中的光伏組件由于各種原因產(chǎn)生失效，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、維護(hù)而導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失問(wèn)題，提出了一種通過(guò)在PV組件接線盒上安裝無(wú)線溫度傳感器，動(dòng)態(tài)的監(jiān)控旁路二極管溫度間接監(jiān)測(cè)失效組件的新方法，該方法能夠在不影響光伏組件結(jié)構(gòu)的情況下及時(shí)發(fā)現(xiàn)、定位光伏陣列中失效的光伏組件;文中對(duì)熱斑效應(yīng)形成和溫度測(cè)量法的聯(lián)系以及異常數(shù)據(jù)點(diǎn)的處理做了較為詳細(xì)的闡述，設(shè)計(jì)了溫度采集和無(wú)線傳輸系統(tǒng)的硬件電路，電路簡(jiǎn)單、可靠，成本低廉易于實(shí)現(xiàn)，采集精度符合設(shè)計(jì)要求;并編寫(xiě)了PC端的的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的程序，通過(guò)對(duì)PV組件失效進(jìn)行遮擋驗(yàn)證，結(jié)果表明基于溫度測(cè)量法的光伏陣列失效組件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果可靠溫度，易于使用。

熱斑; 失效; 光伏組件

0 引言

太陽(yáng)能電池是將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的最基本單元，一個(gè)單體太陽(yáng)能電池就相當(dāng)于一個(gè)PN結(jié)，在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，其開(kāi)路電壓約為0.5 V。這么低的電壓基本無(wú)法在實(shí)際工程項(xiàng)目(一般工程光伏陣列的電壓要達(dá)到1 000 V左右)中應(yīng)用，所以必須要對(duì)單體電池進(jìn)行串聯(lián)來(lái)提高輸出電壓。由于生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)男枰?，一般由幾十個(gè)單體電池在組件生產(chǎn)工廠進(jìn)行組串、層壓、測(cè)試、裝框最后封裝成光伏組件，一個(gè)光伏組件的長(zhǎng)寬一般不超過(guò)2 000*1 000。光伏組件經(jīng)過(guò)串聯(lián)以后輸出電壓一般可達(dá)三十幾伏特，輸出電流可達(dá)10 A左右，一個(gè)光伏電站就由大量的光伏組件串并聯(lián)組成。電站光伏陣列中的光伏組件由于遮擋、污染以及組件中單體電池本身電氣故障等原因會(huì)導(dǎo)致熱斑效應(yīng)，這個(gè)熱斑效應(yīng)的產(chǎn)生，比較嚴(yán)重的情況下會(huì)導(dǎo)致整個(gè)組件的燒毀，甚至?xí)?dǎo)致火災(zāi)等嚴(yán)重事故，這對(duì)于電站的安全生產(chǎn)產(chǎn)生了非常嚴(yán)重影響。并且由于電站一般安裝在偏遠(yuǎn)、荒蕪區(qū)域，目前我國(guó)光伏電站基本都建在的戈壁、沙漠之中，人員生活條件惡劣，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確定位失效組件具有非常重要的意義[1]。

1 檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。光伏組件下發(fā)的接線盒中安裝溫度傳感器，對(duì)接線盒中的旁路二極管進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。檢測(cè)出的溫度有溫度采集系統(tǒng)發(fā)送給無(wú)線傳輸系統(tǒng)，然后由無(wú)線傳輸系統(tǒng)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸給ZigBee網(wǎng)關(guān)，ZigBee網(wǎng)關(guān)把接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)socket通信傳輸給服務(wù)器，由服務(wù)器程序存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并在服務(wù)器中提供IIS服務(wù)，供pc端和手機(jī)端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 熱斑的形成

當(dāng)光伏組件中某個(gè)單體電池或幾個(gè)單體電池由于被遮光(云朵，污染，樹(shù)蔭等)或損壞，其光致發(fā)電功能就會(huì)失效，單體電池就被置于反向偏置狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候失效的單體電池就成了一顆耗能的電阻，消耗電能，從而引起局部過(guò)熱，這個(gè)就是熱斑效應(yīng)。圖2為光伏組件單體電池失效示意圖，D3為某種原因引起失效的單體光伏電池，此時(shí)D3在光照條件下不再發(fā)電，PN節(jié)反偏成了一個(gè)耗能的電阻，其光熱電流為I=ID+ISh(I：逆電流，ID：暗電流，Ish：漏電流)，光照強(qiáng)度越強(qiáng)I越大，在D3上形成的熱斑效應(yīng)越明顯[3]。熱斑效應(yīng)對(duì)于光伏電站的危害是巨大的(組件損壞、火災(zāi)等)，而且組件陣列電站一般建立在偏遠(yuǎn)區(qū)域，保養(yǎng)維護(hù)非常不便，因此由各種原因?qū)е碌臒岚咝?yīng)也極易發(fā)生，怎么才能避免或減輕熱斑效應(yīng)對(duì)光伏陣列電站發(fā)的不利影響成為組件設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題。

圖2 光伏組件單體電池失效示意圖

1.3 熱斑的消除

由于熱斑效應(yīng)對(duì)于光伏電站的危害是巨大的，并且在實(shí)際工程中這種故障的發(fā)生概率也非常的大，所以要對(duì)這種熱斑效應(yīng)進(jìn)行消除。組件生產(chǎn)廠商一般在組件電池串并聯(lián)接入一顆或幾顆旁路二極管來(lái)消除這種熱斑效應(yīng)，圖3為旁路二極管連接示意圖。

圖3中的D5就是旁路二極管，當(dāng)D3由于某些原因產(chǎn)生失效時(shí)，旁路二極管D5的PN結(jié)由反向偏置變成正向偏置，光伏陣列產(chǎn)生的電流從D5流過(guò)，不再?gòu)腄3流過(guò)，消除了D3失效而形成的熱斑效應(yīng)，因此稱D5為旁路二極管。

圖3 旁路二級(jí)管連接示意圖

1.4 溫度測(cè)量法的實(shí)現(xiàn)

組件上單體電池由于各種原因產(chǎn)生失效，電流將從旁路二極管D5流過(guò)，此時(shí)由于電站光伏陣列產(chǎn)生的電流從D5流過(guò)，所以D5消耗的功率P=UI[4]。假設(shè)D5導(dǎo)通電壓U=0.6 V,電站光伏陣列電流I=8 A，那么D5上的功率就是P=UI=0.6 V*8 A=4.8 W,D5就會(huì)由于這個(gè)原因產(chǎn)生溫升，所以我們只要對(duì)組件接線盒中的二極管上溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，就能夠間接的實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件上單體電池的失效進(jìn)行檢測(cè)，而不需要安裝很多傳感器對(duì)組件上的每一個(gè)單體電池片進(jìn)行溫度測(cè)量。再設(shè)計(jì)無(wú)線通信技術(shù)，把溫度測(cè)量值和電池組件的位置編號(hào)信息等傳回到遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)光伏陣列失效組件的遠(yuǎn)程檢測(cè)定位。

2 總體設(shè)計(jì)方案概述

光伏陣列失效組件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照功能可以劃分為3個(gè)子模塊：溫度采集系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)、PC機(jī)監(jiān)測(cè)告警系統(tǒng)。如圖4所示，在整個(gè)結(jié)構(gòu)的中，光伏陣列中每個(gè)組件都被看作是一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，按照協(xié)議要求上傳溫度和節(jié)點(diǎn)信息。這些數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee協(xié)議自組網(wǎng)，然后在ZigBee網(wǎng)關(guān)通過(guò)GPRS技術(shù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器。在服務(wù)器端架設(shè)微軟的SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)，用C#編寫(xiě)了socket sever服務(wù)程序，架設(shè)在服務(wù)器端，負(fù)責(zé)GPRS的數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)，也負(fù)責(zé)終端對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢?cè)L問(wèn)。在PC終端用C#編寫(xiě)了基于web技術(shù)的客戶端程序，用來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件的監(jiān)控。

圖4 總體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了不對(duì)電站的光伏組件進(jìn)行電氣上的改造，而引起其他的電氣故障，溫度采集和傳輸系統(tǒng)采用電池供電，溫傳感器需要低功耗要求，在這個(gè)設(shè)計(jì)中采用了ADI公司的數(shù)字溫度傳感器ADT7310，ADT7310是一款13位數(shù)字溫度傳感器，可擴(kuò)展至16位的更高分辨率,片上溫度傳感器在整個(gè)額定溫度范圍內(nèi)都具有出色的精度和線性度，用戶無(wú)需進(jìn)行校正或校準(zhǔn),并且在AD轉(zhuǎn)換的時(shí)候最大工作電流僅210 uA，符合我們對(duì)低功耗的要求。為了和傳輸系統(tǒng)的無(wú)縫對(duì)接，設(shè)計(jì)中采用了ZigBee芯片CC2530進(jìn)行溫度的采集和數(shù)據(jù)的傳輸，CC2530和ADT7310的硬件電路如圖5所示。

圖5 CC2530和ADT7310硬件連接電路圖

ADT7310和CC2530連接采用SPI通信接口，ADT7310有3種溫度測(cè)試模式分別為：?jiǎn)未尾捎媚Ｊ?、SPS模式和連續(xù)讀取模式。當(dāng)使能單次采樣模式時(shí)，ADT7310立即完成一次轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入關(guān)斷模式，電路設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮降低功耗時(shí)，單次采樣模式非常有用[2]。這個(gè)項(xiàng)目對(duì)功耗的要求很高，所以設(shè)置ADT7310在低功耗的模式下工作，CC2530每5秒中啟動(dòng)一次單次溫度采集，然后把溫度數(shù)據(jù)傳輸給ZigBee網(wǎng)關(guān)，溫度采集和發(fā)送流程如圖6所示。

圖6 溫度采集和發(fā)送流程圖

ZigBee網(wǎng)關(guān)在收到數(shù)據(jù)以后，馬上通過(guò)串口發(fā)送給GPRS-DTU,上傳給服務(wù)器[5]。數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 發(fā)送給服務(wù)的數(shù)據(jù)格式

溫度字節(jié)1和溫度字節(jié)2為溫度數(shù)據(jù)，溫度字節(jié)1為高字節(jié)，溫度字節(jié)2為低字節(jié)，由于設(shè)計(jì)中對(duì)溫度的精度要求不高，所以設(shè)置ADT7310的采樣位數(shù)為13位。根據(jù)ADT7310的數(shù)據(jù)手冊(cè)查到13位的數(shù)據(jù)格式如表2所示。

表2 13位溫度數(shù)據(jù)格式

從表2可以看出最高位為符號(hào)位，接著是13位的溫度數(shù)據(jù)，最后4位是無(wú)效位，用零填充，所以服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)以后必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，處理方式為正溫度=ADC碼(十進(jìn)制)/16；負(fù)溫度=(ADC碼(十進(jìn)制)-8192)/16。其中ADC碼使用所有13位數(shù)據(jù)字節(jié)，包括符號(hào)位，例如-25 ℃的處理為：

((1111001110000)2-8192)/16=(7792-8192)/16=-400/16=-25℃。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)到達(dá)服務(wù)器存入數(shù)據(jù)庫(kù)以后，如何才能夠發(fā)現(xiàn)異常組件進(jìn)行告警呢。首先我們假設(shè)每次發(fā)生組件失效是個(gè)小概率事件，這樣我們引入異常數(shù)據(jù)點(diǎn)的概念，一般認(rèn)為一批數(shù)據(jù)中有部分?jǐn)?shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)相比有明顯不一致的為異常數(shù)據(jù)。由于光伏陣列組件安裝在相同的環(huán)境中，旁路二極管沒(méi)有電流通過(guò)的時(shí)候溫度基本保持一致，當(dāng)然由于檢測(cè)誤差或環(huán)境微小的差異，溫度值會(huì)有一些偏差，但是和有旁路電流流過(guò)的時(shí)候相比相差甚遠(yuǎn)，基于這個(gè)原理，我們很容易通過(guò)數(shù)據(jù)的不一致性監(jiān)測(cè)到異常組件。通過(guò)程序讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中某個(gè)時(shí)間段的所有組件(n個(gè))溫度數(shù)據(jù)和相對(duì)應(yīng)的組件編號(hào)存入數(shù)組X中，然后對(duì)數(shù)組中的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行從小到大進(jìn)行排序，根據(jù)工程實(shí)踐表明，經(jīng)過(guò)良好維護(hù)的電站同時(shí)出現(xiàn)組件異常一般不超過(guò)3塊，所以去掉最大的三個(gè)溫度數(shù)據(jù)，對(duì)余下的溫度數(shù)據(jù)求平均得到T’，然后分別求出X[n-1]-T’,X[n-2]-T’,X[n-3]-T’的值存入Y數(shù)組，通過(guò)軟件設(shè)定檢測(cè)閾值(工程實(shí)踐設(shè)定10 ℃)，然后對(duì)Y數(shù)組進(jìn)行判斷，如果有數(shù)據(jù)超過(guò)閾值就進(jìn)行報(bào)警，并在屏幕上顯示其編號(hào)，6是PC機(jī)告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件流程圖。

圖7 PC機(jī)告警系統(tǒng)軟件流程圖

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

此PC機(jī)終端軟件實(shí)現(xiàn)異常組件的定位和告警。圖8為軟件顯示界面，軟件由vs2012的C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，軟件由數(shù)據(jù)庫(kù)連接模塊，登陸模塊，數(shù)據(jù)異常點(diǎn)計(jì)模塊，告警模塊組成。對(duì)編號(hào)為0001的光伏組件進(jìn)行遮擋試驗(yàn)，過(guò)2分鐘就能在軟件界面顯示異常信息，顯示數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，編號(hào)相符，符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 PC終端軟件監(jiān)控界面

6 結(jié)論

該設(shè)計(jì)通過(guò)檢測(cè)旁路二極管溫度的方法，間接的監(jiān)控了PV組件中單體電池失效的情況，方法簡(jiǎn)單獨(dú)特，并通過(guò)ZigBee自組網(wǎng)的方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器，解決了當(dāng)前光伏電站安裝偏遠(yuǎn)區(qū)域監(jiān)控不便的問(wèn)題，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、定位失效組件故障，在一定程度上減輕了維護(hù)壓力，減少了電站維護(hù)費(fèi)用，并在設(shè)計(jì)中充分注意了數(shù)據(jù)異常的算法，最后驗(yàn)證了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定、可靠。

[1] 熊志金.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的列車貨物安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012(8):2102-2104.

[2] 陳建新.用于固體激光器泵浦的大功率脈沖LD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].泉州：華僑大學(xué),2013.

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Design of PV Array Failure Module Monitoring System Based on Temperature Measurement

Lai Qitao1, Wang Yuanyue2

(1.College of Information Engineering, Shaoxing Vocational&Technical College, Shaoxing 312000, China; 2.Mechanical&Electrical Engineering College ,Shaoxing Vocational&Technical College, Shaoxing 312000, China)

In order to solve the photovoltaic PV array power plant in the failure caused by various reasons, can not be found in time, the maintenance problem caused large economic losses, put forward through the installation of a wireless temperature sensor in the PV component of the junction box, a new method of monitoring the temperature of the bypass diode indirect monitoring failure component, this method can not effect of structure of PV module under the timely discovery, photovoltaic PV array in the failure location. Detail processing on the formation of hot spot effect and the method of measuring the temperature of the contact and abnormal data, the hardware circuit of the temperature acquisition and wireless transmission system design, the circuit is simple and reliable, low cost and easy to implement, acquisition accuracy meets the design requirements. And the preparation of the PC terminal monitoring system program, the occlusion is verified by failure of PV components, results show that the PV array temperature measurement component failure monitoring system based on temperature detection results are reliable, easy to use.

hot spot; failure; PV cell

2016-12-12；

2017-01-09。

浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201534919)。

賴其濤(1977-)，男，浙江三門(mén)縣人，碩士，講師，主要從事嵌入式系統(tǒng)方向的研究。

王元月(1977-)，女，貴州畢節(jié)市人，碩士，講師，主要從事電源技術(shù)及智能控制方向的研究。

1671-4598(2017)05-0038-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.012

TP23

A