一种光伏组件状态在线监测装置与系统*

王小燕

(安徽工贸职业技术学院工程实训中心 安徽淮南 232009)

光伏发电系统近年得到了广泛应用。光伏组件是光伏发电系统的关键部件。光伏电池板在串并联时需要选用工作特性接近的组件以保证其发电效率。因为光伏组件露天安装，受天气、环境和人员等外部条件影响，容易出现诸如遮挡、污损、碎裂等问题。轻则影响发电效率，重则产生无法恢复的故障。如鸟粪遮盖、落叶遮挡、影子遮挡等情况下会产生热斑效应[1]。热斑效应是指光伏组件内部出现的局部过热现象。当组件中一片或几片电池被遮光或损坏时，工作电流超过了该电池或电池组的短路电流；此时该部分电池被处于反向偏置状态，在电路中的功能由电源变为负载，消耗能量，从而在组件内部形成局部过热。严重的热斑效应可导致电池组件局部烧毁、形成、焊点熔化、封装材料老化或盖板玻璃炸裂等永久性损坏[2-3]。由此可知热斑检测是考察光伏电站工作状况的一项重要内容[4]。上述遮挡、暗斑、碎裂等问题可以通过光伏组件的电压和温度等参数的变化反映出来。因而对光伏组件的工作状态进行在线监测是提高光伏发电效率和可靠性的有效手段之一。

1方案设计

一种基于无线通信技术的太阳能电池板状态实时监测系统，包括分布安装于光伏组件接线盒的监测终端和管理采集数据的监测主机，二者之间采用无线射频模块组成通信系统。通过采集每块光伏电池板串联节点的输出电压以和电池板的温度，为光伏电池板的性能分析及故障检测提供基础数据。在太阳能电池出现异常时能够及时发现与处理，确保光伏发电系统平稳、高效、安全地运行。

该设计的理论依据如下：

(1)当光伏组件受到遮挡影响时，太阳能电池输出的电流电压会降低，可以在接线盒处对组件串联节点的输出电压进行监测；

(2)遮挡光伏电池单元的输出功率降低甚至成为耗能原件，因此被遮挡处的电池单元温度会上升，甚至导致整块电池板的温度上升，因此可以监测电池板的温度变化来发现问题。

系统整体如图1所示，包括监测终端和监测主机。监测终端设计为安装于光伏组件接线盒处的小型装置，采集电池板的电压和温度，并通过无线通信将数据发送给监测主机，利用后台软件收集和分析。

图1 光伏组件在线检系统总体方案图

2系统硬件设计

根据方案设计要求，作者设计了硬件系统。其中监测终端包括电压测量单元、温度测量单元、单片机系统和无线传输模块；监测主机通过2.4GHz短距离无线通信模块查询多个监测终端的测量数据，并通过RS-485接口向上位机传输数据。

根据监测终端的功能要求，兼顾成本，采用性价比较高的STM8单片机，具有较丰富的外设，可以实现ADC采样、SPI通信等功能。单片机的管脚分配列于表1，PCB设计如图2所示。

表1 监测模块单片机管脚分配表

图2 监测终端PCB设计图

电压采集单元采用高精度电阻组成分压电路，分别连接在串联太阳能组件的连接点上，对组件各电池串的电压进行测量。如图3所示，两组分压电路分别连接在组件输出端，两组分压电路共负极，得到两串光伏电池的电压U1和U2，

图3 组件电压采集电路示意图

U1=V1， U2=V2-V1

(1)

通过持续测量U1和U2，可以在组件出现被遮挡、暗斑或产生热斑效应等异常时，通过电压的不正常偏差，向用户发出报警信息。

温度采集使用了10KΩ MF11补偿型NTC热敏电阻作为传感器，该电阻具有负温度系数，两组温度采集电路如图4所示。热敏电阻连接于端子1、2之间，分别与图中电阻R11和R13组成分压电路，R10和R14为限流电阻，通过单片机AD接口分别采集R11和R13两端电压，计算分压比得到热敏电阻当前阻值，由此计算温度。

图4 温度采集电路

为提高处理能力，监测主机选用功能较强的STM32F103单片机，其管脚分配列于表2，PCB设计如图5所示。考虑到监测主机需与多个监测终端，为提高通信性能，选用带有PA功率放大的2.4GHz短距离无线通信模块。

表2 采集模块单片机管脚分配表

监测终端和监测主机之间的无线通信，采用包含有nRF24L01P芯片的2.4GHz短距离无线通信模块。该模块具有成本低廉、使用方便、性能稳定的特点，模块与单片机的接口为SPI。

因无线通信频率为2.4GHz，空间穿透能力不强，无线覆盖范围受现场条件影响较大，因此在安装部署时，应考虑无线通信的遮挡、屏蔽等问题，尽量保证监测主机及其下属的监测终端能够相互可靠通信。

3系统软件设计

监测终端采集光伏组件的电压和温度等数据，等待监测主机的查询命令，根据监测主机的要求发送测量数据，嵌入式程序的流程如图6所示。

图6 监测终端程序流程图

监测主机通过2.4G无线通信模块，循环收集光伏组件的电压和温度数据；与上位机之间采用RS-485总线保持通信，接收上位机查询命令并向上位机发送采集数据，监测主机内置程序的流程如图7所示。

图7 监测主机程序流程图

光伏电池板状态监测主机与上位机之间的通信采用RS-485接口，波特率设置为9600bps，数据位为8位，停止位为1位，无校验。通信协议采用Modbus-RTU，支持功能码 0x03(读)，0x10(写)，每个寄存器两个字节。

上位机数据采集软件具有串口通信、数据计算显示和数据库存储等功能，采用C#语言编写，数据库采用简单易用的Access。通过设置命令将两台监测终端加入后，后台数据采集软件的运行效果如图8所示。

图8 后台数据采集软件

4系统安装与测试

如图9所示，监测终端安装于光伏组件的接线盒上，两个温度传感器分别安装在组件的正面和背面。监测主机(图10)放置在屋顶的另一侧，通过2.4G无线通信模块对组件状态数据进行采集。

图9 监测终端安装现场照片

图10 监测主机测试现场照片

利用实验室屋顶现有的两块太阳能电池板，通过人为遮挡电池板模拟光伏发电系统中的遮挡现象，对该系统进行了测试,如图11所示。

图11 遮挡测试

太阳能电池板为单晶硅和多晶硅各一块，为模拟不同的遮挡效果，分别采用白纸(模拟树叶等半透光遮挡物)和硬纸板(模拟鸟粪等不透光遮挡物)。用不同的遮挡面积，对不同遮挡条件下的光伏组件电压、温度数据进行采集并分析，测试条件列于表3。

表3 测试条件表

测试中，遮挡的部分都是位于高压一侧的电池串，即U2一侧。分别计算不同条件下的U1和U2，并进行处理，结果如图12所示。因为被遮挡的部分发电效率降低，此时输出电压U1>U2。通过改变遮挡面积，增加不发电的单元数量，可以发现U1与U2的差值也同时增加。

图12 组件遮挡条件下的输出电压测试结果

当电池单元被遮挡后，相应的单元板上出现热斑效应，导致温度升高。记录下被遮挡和正常的单元板温差数据如图13所示。

图13 组件遮挡条件下的温差测试结果

5结语

文章提出了一种光伏组件状态在线实时监测方案，对如何实施该方案进行了详细论述。搭建了包含监测终端模块、监测主机模块和上位计算机的光伏组件监测应用系统。通过现场试验，得到了不同遮挡条件下的光伏组件和温度变化数据。这些数据可以为光伏运行值班人员及时发现光伏组件遮挡问题提供预警，还有助于及时发现其他诸如隐裂、破碎等故障。由于条件所限，该系统仅在两组光伏组件上进行了测试，实验结果与理论分析一致。光伏电站通常配置为多个组件串并联，遮挡导致的组件电压、温度变化会因串并联条件而有所不同，需要根据具体情况进一步进分析和验证。