智能光伏电池组件

智能光伏电池组件

叶保明陈欣荣

摘要：光伏电池组件的运行状态决定了光伏发电站的发电量和经济效益，而光伏电池组件的运行极易受天气及周边环境因素的影响。如何评估光伏电池组件的工作状态，管理光伏组件的运行，以保证光伏发电系统安全、可靠的运行，实现最佳经济效益是目前急需要解决的问题。本文提出了一种升级光伏组件接线盒能力的方法，该方法即在原有接线及保护功能的前提下增加具有物联网特征的智能监测模块，以构成智能光伏组件接线盒，达到前述目的。

关键词：光伏电池；光伏电池组件；接线盒；物联网；智能光伏发电1、概述

光伏发电的能量来源是取之不尽，用之不竭的太阳光，利用太阳光的波粒二象性在半导体中产生电子迁移而发电，在太阳能光伏发电的过程中，不会产生任何污染物，不破坏生态环境，是一种清洁安全的能源。太阳的能量无时无刻不在产生，我们获得的太阳能量随着地球的公转和自转有规律变化，光伏发电系统随之产生电能，是可再生的清洁能源。

光伏发电系统由光伏电池组件、汇流箱、逆变器、并网设备等组成，其中光伏电池组件分别占光伏发电系统总投资额的60％以上；光伏发电系统总面积的，5％以上；光伏发电系统设备总数量的98％以上。光伏电池组件监控管理水平决定光伏发电系统的安全性子可靠性和经济效益。

2、光伏电池组件

光伏电池组件是实现光伏发电的基杰部件衬目前广泛使用的是晶体硅和非晶硅薄膜电池组件，一般的单个组件功率在100-300 W 之间，工程中用光伏电池组件组成庞大的组件阵列生产电能。以晶体硅电池组件为例，由于单体太阳能电池片的输出电压只有。0.4-0.5 V 左右，输出功率只有2-2. 6w左右，不能满足常规用电设施的基本需求，必须将若千个单体电池按电性能分类进行串、并联，经过封装后成为可以独立作为电源使用的最小单元，即太阳能光伏电池组件。光伏电池组件内部有串联和并联两种方式，也可以同时采用串、并联混合方式，串联方式可以在不改变输出电流的情况下使输出电压成比例增加，并联方式可以在不改变输出电压的情况下使输出电流成比例增加，而串、并联混合方式则既能增加输出电压，又可增加输出电流。目前流行采用36片或72片太阳能电池串联成一组汇成一条正极和一条负极引出，接人接线盒后由渔并联二极管提供保护，根据不同的需求，由接线盒提供上述电池串再串联以提供较高电压输出。”

光伏电池组件提供了太明能发电能力，但每个组件的发电能力及运行状况目前划I是无法感知，属于信息孤立运行，如果通过在原接线盒基础上增加的具有物联网特征的智能部件，将使接线盒具有智能能力，实现光伏电池组件智能化，有利于光伏发电管理现代化。

3、智能接线盒：

接线盒的作用是将光伏，电池产生的电能进行连接，便于现场安装、将电能输送出去，同时并联二极管保护光伏电池，现有光伏

电池的接线盒是一被动元件，不具备给我们提供了解光伏组件发电能力及运行状况能力。

随着光伏发电的大量应用，人们对光伏发电系统管理的需要，智能接线盒应运而生，它应用物联网技术，集成了对组件进行测量和管理能力，把太阳能光伏电池组件的运行输出参数（W、P、V, I）通过无线传感网络传送出去，提供了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，发现潜在的间题，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。

3.1、智能接线盒的技术要求

智能接线盒是在原接线盒基础上增加具有物联网特征的irz能部件，进行组合而成。它是光伏电池组件不可分割的一部分，在符合接线盒标准基础上，智能部件必须满足：

宽工作温度范围：-20~85℃；

整机功耗：<50Mw

测量精度：W、P、V、I，0.5级；温度±3℃

寿命：25年

安装尺寸：适合集成到现有接线盒内。

3.2、智能部件实现：

智能接线盒集成的智能部件由：高频电源(DC/DC)、一单片机系统、传感器、模拟到数字(A/D）转换器和智能无线网络接口等组成，图1是采用EM351作为核心开发的智能部件原理图。

智能接线盒的工作电源来自组件本身，采用LM2575构成PWM高频开关电源,产生系统模拟工作电压＋5 V;采用低压差稳压电路TPS76933产生数字系统工作电压十 3.3 V。单片机系统采用EMBER公司的Soc封装的EM351芯片，内部一包括：CPU; Flash RAM,RAM, A/D, R/F接口等，提供智能接线盒的所有数字化处理核心能力。传感器对组件电压采用电阻网络分压取样、组件电流采用0. 005Ω电阻取样，通过电阻网络差分输人到A/D芯片CS54.60A, EM350和CS5460A均提供温度传感接口，实现监测智能接线盒内温度参数。

智能接线盒提供的RF接口是符合zigbee标准IEC80 2.15.4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。RF接口增益高达：发送4. 5dBrn接收-97 dBm，它实现与智能光伏电站中智能网关接口，提供自身实时数据的上传及监控系统的数据和命令通道。

3.3、智能接线盒功能

智能接线盒充分发挥单片机的内部存储能力及通信能力，采集传感器数据进行管理和监控，－提供：

数据记录：

(1)光伏电池组件生产信息记录，包括生产信息，电池性能测试I -V特性曲线及照度一最大功率点曲线。

(2）光伏电池组件运行历史信息记录，提供25年日平均电压、电流、龟度、平均温度记录能力。

(3）光伏电池组件最近1周，间隔1 min的电压、电流、功率，1d中的最大瞬时电压、电流，实时信息记录。

光伏组件运行管理能力，智能接线盒采集的实时数据，与智能网关进行有效交换后，实现：

(I)当光伏组件表面有污垢时，组件出力下降，智能接线盒通过数据中心广播的光照强度结合组件的照度一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。

(2)当光伏组件部分发生光斑效应时，则本电池组件串中04J 1组件输出电压发生不平衡，通过比较监控系统下发的平均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。

(3)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。

(4）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。