基于溫度測量法的光伏陣列失效組件監(jiān)測系統(tǒng)的設計

賴其濤，王元月

(1.紹興職業(yè)技術學院 信息工程學院，浙江 紹興 312000； 2.紹興職業(yè)技術學院 機電工程學院，浙江 紹興 312000)

基于溫度測量法的光伏陣列失效組件監(jiān)測系統(tǒng)的設計

賴其濤1，王元月2

(1.紹興職業(yè)技術學院 信息工程學院，浙江 紹興 312000； 2.紹興職業(yè)技術學院 機電工程學院，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生失效，不能及時發(fā)現、維護而導致較大的經濟損失問題，提出了一種通過在PV組件接線盒上安裝無線溫度傳感器，動態(tài)的監(jiān)控旁路二極管溫度間接監(jiān)測失效組件的新方法，該方法能夠在不影響光伏組件結構的情況下及時發(fā)現、定位光伏陣列中失效的光伏組件;文中對熱斑效應形成和溫度測量法的聯系以及異常數據點的處理做了較為詳細的闡述，設計了溫度采集和無線傳輸系統(tǒng)的硬件電路，電路簡單、可靠，成本低廉易于實現，采集精度符合設計要求;并編寫了PC端的的監(jiān)測系統(tǒng)的程序，通過對PV組件失效進行遮擋驗證，結果表明基于溫度測量法的光伏陣列失效組件監(jiān)測系統(tǒng)檢測結果可靠溫度，易于使用。

熱斑; 失效; 光伏組件

0 引言

太陽能電池是將光能直接轉化為電能的最基本單元，一個單體太陽能電池就相當于一個PN結，在標準光照條件下，其開路電壓約為0.5 V。這么低的電壓基本無法在實際工程項目(一般工程光伏陣列的電壓要達到1 000 V左右)中應用，所以必須要對單體電池進行串聯來提高輸出電壓。由于生產和運輸的需要，一般由幾十個單體電池在組件生產工廠進行組串、層壓、測試、裝框最后封裝成光伏組件，一個光伏組件的長寬一般不超過2 000*1 000。光伏組件經過串聯以后輸出電壓一般可達三十幾伏特，輸出電流可達10 A左右，一個光伏電站就由大量的光伏組件串并聯組成。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導致熱斑效應，這個熱斑效應的產生，比較嚴重的情況下會導致整個組件的燒毀，甚至會導致火災等嚴重事故，這對于電站的安全生產產生了非常嚴重影響。并且由于電站一般安裝在偏遠、荒蕪區(qū)域，目前我國光伏電站基本都建在的戈壁、沙漠之中，人員生活條件惡劣，如何及時發(fā)現并準確定位失效組件具有非常重要的意義[1]。

1 檢測系統(tǒng)架構與原理

1.1 系統(tǒng)結構原理圖

系統(tǒng)結構原理圖如圖1所示。光伏組件下發(fā)的接線盒中安裝溫度傳感器，對接線盒中的旁路二極管進行檢測實現動態(tài)監(jiān)控。檢測出的溫度有溫度采集系統(tǒng)發(fā)送給無線傳輸系統(tǒng)，然后由無線傳輸系統(tǒng)通過ZigBee網絡無線傳輸給ZigBee網關，ZigBee網關把接收到的數據通過socket通信傳輸給服務器，由服務器程序存儲到數據庫中，并在服務器中提供IIS服務，供pc端和手機端進行遠程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)結構原理圖

1.2 熱斑的形成

當光伏組件中某個單體電池或幾個單體電池由于被遮光(云朵，污染，樹蔭等)或損壞，其光致發(fā)電功能就會失效，單體電池就被置于反向偏置狀態(tài)，這個時候失效的單體電池就成了一顆耗能的電阻，消耗電能，從而引起局部過熱，這個就是熱斑效應。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D3在光照條件下不再發(fā)電，PN節(jié)反偏成了一個耗能的電阻，其光熱電流為I=ID+ISh(I：逆電流，ID：暗電流，Ish：漏電流)，光照強度越強I越大，在D3上形成的熱斑效應越明顯[3]。熱斑效應對于光伏電站的危害是巨大的(組件損壞、火災等)，而且組件陣列電站一般建立在偏遠區(qū)域，保養(yǎng)維護非常不便，因此由各種原因導致的熱斑效應也極易發(fā)生，怎么才能避免或減輕熱斑效應對光伏陣列電站發(fā)的不利影響成為組件設計的重要問題。

圖2 光伏組件單體電池失效示意圖

1.3 熱斑的消除

由于熱斑效應對于光伏電站的危害是巨大的，并且在實際工程中這種故障的發(fā)生概率也非常的大，所以要對這種熱斑效應進行消除。組件生產廠商一般在組件電池串并聯接入一顆或幾顆旁路二極管來消除這種熱斑效應，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D3由于某些原因產生失效時，旁路二極管D5的PN結由反向偏置變成正向偏置，光伏陣列產生的電流從D5流過，不再從D3流過，消除了D3失效而形成的熱斑效應，因此稱D5為旁路二極管。

圖3 旁路二級管連接示意圖

1.4 溫度測量法的實現

組件上單體電池由于各種原因產生失效，電流將從旁路二極管D5流過，此時由于電站光伏陣列產生的電流從D5流過，所以D5消耗的功率P=UI[4]。假設D5導通電壓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就會由于這個原因產生溫升，所以我們只要對組件接線盒中的二極管上溫度進行監(jiān)測，就能夠間接的實現對光伏組件上單體電池的失效進行檢測，而不需要安裝很多傳感器對組件上的每一個單體電池片進行溫度測量。再設計無線通信技術，把溫度測量值和電池組件的位置編號信息等傳回到遠程檢測系統(tǒng)，就能夠實現光伏陣列失效組件的遠程檢測定位。

2 總體設計方案概述

光伏陣列失效組件監(jiān)測系統(tǒng)按照功能可以劃分為3個子模塊：溫度采集系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)、PC機監(jiān)測告警系統(tǒng)。如圖4所示，在整個結構的中，光伏陣列中每個組件都被看作是一個數據采集節(jié)點，按照協議要求上傳溫度和節(jié)點信息。這些數據采集節(jié)點通過ZigBee協議自組網，然后在ZigBee網關通過GPRS技術傳輸到遠程服務器。在服務器端架設微軟的SQL Server 2008數據庫服務器用于存儲實時上傳的數據，用C#編寫了socket sever服務程序，架設在服務器端，負責GPRS的數據接收存儲，也負責終端對數據庫的查詢訪問。在PC終端用C#編寫了基于web技術的客戶端程序，用來訪問數據庫中的信息，實現對光伏組件的監(jiān)控。

圖4 總體設計方案結構圖

3 系統(tǒng)硬件設計

為了不對電站的光伏組件進行電氣上的改造，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，在這個設計中采用了ADI公司的數字溫度傳感器ADT7310，ADT7310是一款13位數字溫度傳感器，可擴展至16位的更高分辨率,片上溫度傳感器在整個額定溫度范圍內都具有出色的精度和線性度，用戶無需進行校正或校準,并且在AD轉換的時候最大工作電流僅210 uA，符合我們對低功耗的要求。為了和傳輸系統(tǒng)的無縫對接，設計中采用了ZigBee芯片CC2530進行溫度的采集和數據的傳輸，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種溫度測試模式分別為：單次采用模式、SPS模式和連續(xù)讀取模式。當使能單次采樣模式時，ADT7310立即完成一次轉換，然后進入關斷模式，電路設計優(yōu)先考慮降低功耗時，單次采樣模式非常有用[2]。這個項目對功耗的要求很高，所以設置ADT7310在低功耗的模式下工作，CC2530每5秒中啟動一次單次溫度采集，然后把溫度數據傳輸給ZigBee網關，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網關在收到數據以后，馬上通過串口發(fā)送給GPRS-DTU,上傳給服務器[5]。數據格式如表1所示。

表1 發(fā)送給服務的數據格式

溫度字節(jié)1和溫度字節(jié)2為溫度數據，溫度字節(jié)1為高字節(jié)，溫度字節(jié)2為低字節(jié)，由于設計中對溫度的精度要求不高，所以設置ADT7310的采樣位數為13位。根據ADT7310的數據手冊查到13位的數據格式如表2所示。

表2 13位溫度數據格式

從表2可以看出最高位為符號位，接著是13位的溫度數據，最后4位是無效位，用零填充，所以服務器接收到數據以后必須對數據進行一定的處理，處理方式為正溫度=ADC碼(十進制)/16；負溫度=(ADC碼(十進制)-8192)/16。其中ADC碼使用所有13位數據字節(jié)，包括符號位，例如-25 ℃的處理為：

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

4 系統(tǒng)軟件設計

數據到達服務器存入數據庫以后，如何才能夠發(fā)現異常組件進行告警呢。首先我們假設每次發(fā)生組件失效是個小概率事件，這樣我們引入異常數據點的概念，一般認為一批數據中有部分數據和其他數據相比有明顯不一致的為異常數據。由于光伏陣列組件安裝在相同的環(huán)境中，旁路二極管沒有電流通過的時候溫度基本保持一致，當然由于檢測誤差或環(huán)境微小的差異，溫度值會有一些偏差，但是和有旁路電流流過的時候相比相差甚遠，基于這個原理，我們很容易通過數據的不一致性監(jiān)測到異常組件。通過程序讀取數據庫中某個時間段的所有組件(n個)溫度數據和相對應的組件編號存入數組X中，然后對數組中的溫度數據進行從小到大進行排序，根據工程實踐表明，經過良好維護的電站同時出現組件異常一般不超過3塊，所以去掉最大的三個溫度數據，對余下的溫度數據求平均得到T’，然后分別求出X[n-1]-T’,X[n-2]-T’,X[n-3]-T’的值存入Y數組，通過軟件設定檢測閾值(工程實踐設定10 ℃)，然后對Y數組進行判斷，如果有數據超過閾值就進行報警，并在屏幕上顯示其編號，6是PC機告警系統(tǒng)設計的軟件流程圖。

圖7 PC機告警系統(tǒng)軟件流程圖

5 試驗結果與分析

此PC機終端軟件實現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#語言實現，軟件由數據庫連接模塊，登陸模塊，數據異常點計模塊，告警模塊組成。對編號為0001的光伏組件進行遮擋試驗，過2分鐘就能在軟件界面顯示異常信息，顯示數據準確，編號相符，符合設計要求。

圖8 PC終端軟件監(jiān)控界面

6 結論

該設計通過檢測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，方法簡單獨特，并通過ZigBee自組網的方式，實現數據實時上傳到服務器，解決了當前光伏電站安裝偏遠區(qū)域監(jiān)控不便的問題，并能及時發(fā)現、定位失效組件故障，在一定程度上減輕了維護壓力，減少了電站維護費用，并在設計中充分注意了數據異常的算法，最后驗證了系統(tǒng)監(jiān)測穩(wěn)定、可靠。

[1] 熊志金.基于無線傳感器網絡的列車貨物安全監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 計算機測量與控制,2012(8):2102-2104.

[2] 陳建新.用于固體激光器泵浦的大功率脈沖LD驅動電路的設計與實現[D].泉州：華僑大學,2013.

[3] 翟載騰,程曉舫,丁金磊,等.被部分遮擋的串聯光伏組件輸出特性[J]. 中國科學技術大學學報,2009(4):398-402.

[4] 海 濤,梁挺興,黃曲達,等.一種高效的光伏監(jiān)控方案及發(fā)電量預測[J].計算機測量與控制,2015(8):2637-2639.

[5] 張經煒,丁 坤,卞新高,等.一種戶外光伏組件測試平臺研制[J].電子測量技術,2013(7):93-96.

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目(Y201534919)。

賴其濤(1977-)，男，浙江三門縣人，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