阅读说明：本技术 一种基于微处理器的防止光伏组件热斑效应的光伏系统 (Photovoltaic system based on microprocessor and used for preventing hot spot effect of photovoltaic module ) 是由 丁利民 朱佳琪 何斌 李冉 赵钧儒 周承斌 张林明 邓征 于 2019-03-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于微处理器的防止光伏组件热斑效应的光伏系统,包括串联的多个光伏组件,每个光伏组件包括多个光伏电池单元；电压检测器,连接各个光伏组件的两端,用于采集各个光伏组件的电压值；可控开关,连接该多个光伏组件；以及控制装置,连接该电压检测器和可控开关,且根据各个电压值控制该可控开关的状态,从而决定该多个光伏组件是否接入该光伏系统。该光伏系统可以有效的保护光伏组件中的光伏电池单元在使用周期内不会因为热斑效应而损坏。(The invention provides a microprocessor-based photovoltaic system for preventing hot spot effect of photovoltaic modules, which comprises a plurality of photovoltaic modules connected in series, wherein each photovoltaic module comprises a plurality of photovoltaic battery units; the voltage detector is connected with two ends of each photovoltaic module and used for collecting the voltage value of each photovoltaic module; the controllable switch is connected with the photovoltaic modules; and the control device is connected with the voltage detector and the controllable switch and controls the state of the controllable switch according to each voltage value so as to determine whether the photovoltaic components are connected into the photovoltaic system or not. The photovoltaic system can effectively protect the photovoltaic cell units in the photovoltaic module from being damaged due to the hot spot effect in the service cycle.)

一种基于微处理器的防止光伏组件热斑效应的光伏系统

技术领域

本发明主要涉及太阳能领域，尤其涉及一种基于微处理器的防止光伏组件热斑效应的光伏系统。

背景技术

光伏组件，也叫太阳能电池板，是太阳能发电系统中的核心部分。光伏组件的作用是将太阳能转化为电能，并送往蓄电池中存储起来或推动负载工作。图1所示为常见的光伏组件结构示意图。通常，光伏组件是由单片的太阳能电池片11先串联再并联而获得。

然而，在一定的条件下，一部分太阳能电池片11被遮挡不能受到光照，这部分被遮挡的太阳能电池片11在串联支路中将被当作负载，消耗其他被光照的太阳能电池片11所产生的能量，被遮挡的太阳能电池片11此时将会发热，这就是光伏组件的热斑效应。热斑效应不仅会消耗有光照的太阳能电池片11所产生的部分或全部能量，降低光伏组件的输出功率，严重的将会永久破坏光伏组件，甚至烧毁包括光伏组件及其控制组件在内的光伏系统。

为了防止热斑效应所带来的损害，目前采取的措施是在光伏组件的正负极间并联一个旁路二极管12。当电池正常工作时，旁路二极管12承受反向电压，处于反向截止状态。当串联支路中有太阳能电池片11被遮挡时，其他的太阳能电池片11促其反偏成为大电阻，此时旁路二极管导通，起到分流的作用，从而避免有光照的太阳能电池片11所产生的能量被受遮挡的太阳能电池片11全部消耗，同时避免被遮挡的太阳能电池片11过热而受损害。为了实现有效的保护，原则上应该为每一个太阳能电池片11并联一个旁路二极管12，以便更好保护并减少在非正常状态下无效电池片的数量。但是，因为旁路二极管12价格成本的影响和暗电流损耗以及工作状态下压降的存在，以60片太阳能电池片11封装成的光伏组件为例，目前是为每20个太阳能电池片11并联一个旁路二极管12，如图1所示。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于微处理器的防止光伏组件热斑效应的光伏系统，该光伏系统可以有效的保护光伏组件中的光伏电池单元在使用周期内不会因为热斑效应而损坏。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微处理器的防止光伏组件热斑效应的光伏系统，包括：串联的多个光伏组件，每个光伏组件包括多个光伏电池单元；电压检测器，连接各个光伏组件的两端，用于采集各个光伏组件的电压值；可控开关，连接所述多个光伏组件；以及控制装置，连接所述电压检测器和所述可控开关，且根据各个电压值控制所述可控开关的状态，从而决定所述多个光伏组件是否接入所述光伏系统。

在本发明的一实施例中，所述可控开关包括串联在所述多个光伏组件两端的第一开关和第二开关。

在本发明的一实施例中，所述可控开关包括多个开关组，每个开关组包括串联在每个光伏组件两端的第一、第二开关和并联在每个光伏组件两端的第三开关。

在本发明的一实施例中，所述控制装置包括：微处理器，连接所述电压检测器，根据各个电压值确定多个控制信号；数模转换器，连接所述微处理器，用于转换所述多个控制信号；驱动器，连接所述数模转换器和所述可控开关，用于根据所述多个控制信号产生多个驱动信号且输出至所述可控开关。

在本发明的一实施例中，所述微处理器配置为：计算所述多个光伏组件的平均电压；计算所述多个光伏组件的最小电压与平均电压的差值；以及当所述差值大于阈值时，决定所述多个光伏组件或者所述最小电压的光伏组件停止接入所述光伏系统。

在本发明的一实施例中，所述微处理器还配置为：计算所述多个光伏组件的平均电压；计算所述多个光伏组件的最小电压与平均电压的差值；以及当所述差值小于或等于所述阈值时，决定所述多个光伏组件或者所述最小电压的光伏组件接入所述光伏系统。

在本发明的一实施例中，所述阈值为所述平均电压的10％。

在本发明的一实施例中，所述驱动器具有时延。

在本发明的一实施例中，所述光伏系统还包括连接在所述多个光伏组件的两端的光伏逆变器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：对光伏系统中串联的光伏组件进行检测，当该光伏组件中有光伏电池单元被遮挡时，即使该串联的光伏组件停止接入光伏系统，保护光伏系统及光伏电池单元免受热斑效应的影响而损坏；对光伏系统中的每一个光伏组件进行检测，当任意一个光伏组件被遮挡时，使该光伏组件停止接入光伏系统，实现对光伏组件的精确及精密控制；在消除了热斑效应的影响之后，可以使停止接入光伏系统的光伏组件重新接入光伏系统，产生电能，保证光伏系统的输出。

附图说明

图1是一种并联有旁路二极管的光伏组件的结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的光伏系统的结构示意图；

图3是根据本发明另一实施例的光伏系统的结构示意图；

图4是根据本发明一实施例的光伏系统中的控制装置的结构框图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。例如，如果翻转附图中的器件，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”或“下面”的元件的方向将改为在所述其他元件或特征的“上方”。因而，示例性的词语“下方”和“下面”能够包含上和下两个方向。器件也可能具有其他朝向(旋转90度或处于其他方向)，因此应相应地解释此处使用的空间关系描述词。此外，还将理解，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

应当理解，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”、“耦合于另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在***部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个部件时，不存在***部件。同样的，当第一个部件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个部件，在该第一部件和该第二部件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它部件，甚至在导电部件之间没有直接接触。

图2是根据本发明一实施例的光伏系统的结构示意图。参考图2所示，该光伏系统包括串联的多个光伏组件20、电压检测器30、可控开关40和控制装置50。其中，每个光伏组件20包括多个光伏电池单元。电压检测器30连接在各个光伏组件20的两端，用于采集各个光伏组件20的电压值。可控开关40用于连接多个光伏组件20。控制装置50连接电压检测器30和可控开关40。电压检测器30所检测到的各个光伏组件20的电压值发送到控制装置50，控制装置50根据各个光伏组件20的电压值控制可控开关40的状态，从而决定各个光伏组件是否接入至光伏系统中。

在一些实施例中，可控开关40包括第一开关41和第二开关42。该第一开关41和第二开关42分别串联在多个光伏组件20的两端。参考图2所示，假设该光伏系统中串联有n个光伏组件，分别标记为21、22…2n。第一开关41的一端与n个光伏组件20中的第一个光伏组件21串联连接，另一端与控制装置50连接。第二开关42的一端与n个光伏组件20中的最后一个光伏组件2n串联连接，另一端与控制装置50连接。

需要说明的是，本发明的光伏系统是由多组串联的多个光伏组件20并联而成，参考图1所示。本说明书的重点在于对该串联的多个光伏组件20进行描述，一组串联的多个光伏组件20构成了一组光伏组件串。本发明可以应用于光伏系统中所并联的每一组光伏组件串，也可以应用于光伏系统中所并联的部分光伏组件串。

在设计光伏组件20时，串联在一起的多个光伏组件20的光照环境是按照一致性的要求来设计的。也就是说，在同一个时间点，该多个光伏组件20中的每一个光伏组件20所接受到的光照在理论上认为是一样的，因此，每一个光伏组件20输出的电压也应该是一致的。

在上述的实施例中，当有光伏组件20被遮挡不能受到光照或所受到的光照减弱时，由电压检测器30所检测到的电压值就会发生变化，控制装置50根据电压检测器30发送的电压值控制第一开关41和第二开关42断开，使该多个光伏组件20从光伏系统中断开，从而起到保护整个光伏系统的作用。可以理解的是，由于该组光伏组件串是并联在光伏系统中的，因此对整个光伏系统以及光伏系统中的其他光伏组件串没有影响。

需要说明的是，在图2所示的实施例中，当第一开关41和第二开关42断开时，并不影响电压检测器30的工作，每一个光伏组件20依然与电压检测器30并联连接。电压检测器30可以继续测量每一个光伏组件20两端的电压，此时所测量的电压为该多个光伏组件20的空载电压。在光伏组件20只是受到暂时遮挡的情况下，当电压检测器30测量到光伏组件20两端的电压恢复到正常水平时，控制装置50可以控制第一开关41和第二开关42闭合，使该组串联的多个光伏组件20重新接入整个光伏系统。

图3是根据本发明另一实施例的光伏系统的结构示意图。参考图3所示，本实施例的光伏系统包括串联的多个光伏组件20、电压检测器30、可控开关40和控制装置50。其中，可控开关40包括多个开关组，每个开关组包括串联在每个光伏组件20两端的第一开关41、第二开关42以及并联在每个光伏组件20两端的第三开关43。参考图3所示，假设该光伏系统中串联有n个光伏组件，分别标记为21、22…2n。对于第一个光伏组件21来说，在其两端串联有第一开关411和第二开关421，在其两端并联有第三开关431。该第一开关411、第二开关421和第三开关431组成了该光伏组件21的开关组。类似地，对于第二个光伏组件22来说，在其两端串联有第一开关412和第二开关422，在其两端并联有第三开关432。该第一开关412、第二开关422和第三开关432组成了该光伏组件22的开关组。依次类推，一直到第n个光伏组件2n，在其两端串联有第一开关41n和第二开关42n，在其两端并联有第三开关43n。该第一开关41n、第二开关42n和第三开关43n组成了该光伏组件2n的开关组。

在本实施例中，电压检测器30对每一个光伏组件20两端的电压进行检测。当有光伏组件20被遮挡不能受到光照或所受到的光照减弱时，由电压检测器30所检测到的电压值就会发生变化。控制装置50根据电压检测器30发送的电压值对开关组进行控制，使对应于电压发生变化的光伏组件20的第一开关41和第二开关42断开，从而使该光伏组件20从该组串联的光伏组件20中断开，并且使相应开关组中的第三开关43连通，以保证该串联的光伏组件20不会发生断路。举例说明，例如光伏组件20中的第一个光伏组件21被遮挡，电压检测器30检测到其电压值的变化，并将该电压值发送给控制装置50。控制装置50对该电压值进行判断，若判断结果为该第一个光伏组件21需要停止接入该光伏系统，控制装置50控制第一开关411和第二开关421断开，同时控制第三开关431连通，从而使第一个光伏组件21从该光伏系统中断开。这样，可以同时保护第一个光伏组件21以及光伏系统中其余的光伏组件20。

在一些实施例中，电压检测器30对光伏组件20两端的电压进行实时的检测，并将检测到的电压值实时的发送至控制装置50。

在另一些实施例中，电压检测器30对光伏组件20两端的电压的检测是非实时的，而是按照一定的设定方式，间隔一定的频率来检测。同样，也按照一定的频率将检测到的电压值发送至控制装置50。

在一些实施例中，电压检测器30可以对检测到的电压值进行判断，当该电压值达到某一预先设定的要求时，才将该电压值发送至控制装置50。

在图3所示的实施例中，由于控制装置50对每一个光伏组件21进行电压的检测以及开关控制，当任意一个光伏组件21被遮挡时，就可以使该光伏组件21从光伏系统中断开，控制精确，可以极大程度的避免热斑效应对光伏系统的影响。

在考虑到开关组件带来的成本消耗时，也可以在图3所示的实施例的基础上，适当的减少开关组件的数量。例如，可以在每两个或多个光伏组件的两端串联第一开关41和第二开关42以及在该两个或多个光伏组件的两端并联第三开关43。

需要说明的是，在图3所示的实施例中，当第一开关41、第二开关42断开，同时第三开关43连通时，并不影响电压检测器30的工作，每一个光伏组件20依然与电压检测器30并联连接。电压检测器30可以继续测量每一个光伏组件20两端的电压，此时所测量的电压为每一个光伏组件20的空载电压。在光伏组件20只是受到暂时遮挡的情况下，当电压检测器30测量到光伏组件20两端的电压恢复到正常水平时，控制装置50可以控制第一开关41和第二开关42闭合，同时断开第三开关43，使该光伏组件20重新接入该组串联的光伏组件串中。

图4是根据本发明一实施例的光伏系统中的控制装置50的结构框图。参考图4所示，该控制装置50主要包括微处理器51、数模转换器52和驱动器53。其中，微处理器51与电压检测器30相连接，根据电压检测器30所检测到的各个光伏组件20的电压值确定多个控制信号。数模转换器52与微控制51相连接，用于将微处理器51的多个数字控制信号转换为模拟信号。驱动器53与数模转换器52和可控开关40相连接，用于根据多个控制信号产生多个驱动信号，且将该多个驱动信号输出至可控开关40，也就是说，用该多个驱动信号控制相应的可控开关40断开或连通。

在一些实施例中，微处理器51配置为可以计算多个光伏组件20的平均电压，并计算多个光伏组件20的最小电压与平均电压的差值。当该差值大于某一阈值时，决定该多个光伏组件20或具有最小电压的光伏组件20停止接入该光伏系统，从而防止热斑效应带来的影响。

在上述实施例的基础上，微处理器51还可以进一步配置为当该多个光伏组件20的最小电压与平均电压的差值小于或等于该阈值时，决定该多个光伏组件20或者该具有最小电压的光伏组件20接入所述光伏系统，从而可以在可能产生热斑效应的危险消除后使这些光伏组件20重新投入正常运行。

该阈值可以是该串联在一起的多个光伏组件20的平均电压的1％到10％。

对应于图2所示的实施例，微处理器51计算该串联在一起的多个光伏组件20的平均电压，并计算多个光伏组件20的最小电压与平均电压的差值。当该差值大于阈值时，微处理器51发送控制信号至数模转换器52，数模转换器52和驱动器53根据该控制信号产生驱动信号，该驱动信号可以输出至串联在该多个光伏组件20两端的第一开关41和第二开关42，并驱动第一开关41和第二开关42断开，使该多个光伏组件20停止接入光伏系统。此时，电压检测器30依然执行对多个光伏组件20的电压检测。当多个光伏组件20的最小电压与平均电压的差值小于或等于阈值时，微处理器51发送控制信号至数模转换器52，数模转换器52和驱动器53根据该控制信号产生驱动信号，该驱动信号可以输出至串联在该多个光伏组件20两端的第一开关41和第二开关42，并驱动第一开关41和第二开关42连通，使该多个光伏组件20接入光伏系统。

对应于图3所示的实施例，假设具有最小电压的光伏组件20为第n个光伏组件2n。当最小电压与平均电压的差值大于阈值时，微处理器51发送控制信号至数模转换器52，数模转换器52和驱动器53根据该控制信号产生驱动信号。则输出至该光伏组件2n两端的第一开关41n、第二开关42n和第三开关43n的驱动信号可以使第一开关41n和第二开关42n断开，并使第三开关43n连通，从而使该光伏组件2n停止接入光伏系统。当最小电压与平均电压的差值小于或等于阈值时，微处理器51发送控制信号至数模转换器52，数模转换器52和驱动器53根据该控制信号产生驱动信号。输出至该光伏组件2n两端的第一开关41n、第二开关42n和第三开关43n的驱动信号可以使第一开关41n和第二开关42n连通，并使第三开关43n断开，从而使该光伏组件2n接入光伏系统。

在一些实施例中，该驱动器53具有一定的时延。该时延的时间可以是1分钟到10分钟。驱动器在该设定的时延之后才发出动作指令，使相应的可控开关40断开或连通。这样设置的优点在于，在光伏组件20只是被短暂的遮挡时，热斑效应尚未产生，可以不必断开该光伏组件20与光伏系统的连接，使光伏系统保持稳定工作。

在一些实施例中，光伏系统中的可控开关40可以是继电器单元，相应地，该驱动器53可以是一种继电器输出单元，可以输出驱动信号至多个光伏组件20或每一个光伏组件20的所对应的继电器单元。

参考图4所示，在一些实施例中，控制装置50还包括报警模块54。当最小电压与平均电压的差值大于阈值时，也就是光伏系统中存在热斑效应的危险时，除了控制可控开关40之外，控制装置50同时输出一个报警指令至报警模块54。该报警模块54可以产生声光等警报信号，提醒光伏系统规定维护人员对相应的光伏组件20进行检查。

在一些实施例中，控制装置50还可以包括用于将电压检测器30检测到的模拟电压转换为数字量的模数转换器55、为控制装置50供电的电源模块57、用于信息显示的显示单元56。可以理解的是，当电压检测器30可以直接输出数字信号至控制装置50时，则该控制装置50中不需要该模数转换器55。

在一些实施例中，在多个光伏组件20的两端还连接有光伏逆变器，该光伏逆变器可以将光伏系统所产生的电能转换为市电频率的交流电，以进入商用输电系统。

本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。