家庭太阳能发电监测系统研究

何海燕

【摘要】本文主要讨论家庭小功率太阳能发电监测系统的研制。系统以嵌入式微处理器为硬件平台，采用现代电子技术和M-BUS总线技术实现数据采集，应用专家系统对各项参数进行综合分析，为安全使用和提高太阳能发电效率提供指导。系统主要监测参数包括：光伏电池板的温度及输出特性、蓄电池工作状态、环境参数、用电负荷及逆变器效率等。

【关键词】太阳能；监测系统；M-BUS；专家系统

1 引言

隨着太阳能发电技术的进步，及光伏组件生产成本的不断降低，太阳能发电已经广泛应用。家庭太阳能发电主要有两种方式，并网发电和离网发电。无论采用哪种方式，提高光伏转换效率及保障系统安全运行是根本要解决的问题，其中至关重要的因素就是系统运行中的日常维护。目前各个科研或生产单位，主要是针对太阳能逆变器和蓄电池充放电控制器进行研究，以提高光电转换效率。而对于普通的用户来讲，由于缺乏相关的专业知识，难以及时发现整个系统中各个组件存在的缺陷或偶发故障，甚至由于使用不当造成设备损坏。因此，研制一种智能家庭太阳能发电监测系统具有应用价值。

2 家庭太阳能发电监测系统

太阳能独立发电系统主要设备包括：光伏电池阵列，汇流箱，储能蓄电池，充放电控制器，逆变控制器。

家庭太阳能发电监测系统是独立于太阳能发电系统的智能单元，以现代电子技术、总线技术和嵌入式系统为硬件平台，应用专家知识为太阳能发电设备安全、高效运行提供指导，是一种极具应用价值的新型嵌入式专家系统。

2.1 监测系统硬件结构

监测系统硬件平台结构系统采用M-BUS总线实现数据采集；人机接口单元采用触摸液晶屏；故障保护单元实现发生系统故障时断开负荷，停止逆变输出；采用ARM9核心的嵌入式系统作为控制单元，在实时嵌入式Linux操作系统基础上进行应用开发。

2.2 M-BUS总线从机接口设计

M-Bus仪表总线是一种低成本的户用电子系统，是一个层次化的系统，由一个主设备、若干从设备和一对连接线缆组成，所有从设备并行连接在总线上，由主设备控制总线上的所有串行通信进程。从机收发器采用TSS721A芯片，从机监测单元采用总线供电方式。

2.3数据监测单元设计

数据监测单元采用M-BUS总线远程供电方式，由低功耗MSP430系列单片机实现。温度传感器使用1-Wire芯片DS18B20，电压电流采集使用单片机片内外设-模拟量输入通道。

3 家庭太阳能发电监测专家系统

监测专家系统功能分为知识获取和专家决策两大部分。专家决策分为诊断子系统、预测子系统。

3.1 知识获取

知识获取的来源，一方面是专家知识，另一方面就是太阳能发电系统运行时各部分实时数据。

专家知识是专家系统进行智能决策的基础，是专家系统不可缺少的组成部分。在专家系统框架建成以后，系统运行前，领域专家和知识工程师进行合作，按照一定的规则总结，通过系统提供的知识获取接口将专家知识装入系统知识库。

发电设备运行时的各项数据对系统安全运行有很大影响，对太阳能电池板和蓄电池的电压、电流、温度等参数的智能化监测和调控就显得非常重要。本系统中将历史和实时数据作为知识的一部分，为专家决策提供数据支持。

3.2诊断子系统介绍

3.2.1 光伏组件性能分析及故障诊断

按照应用需求，太阳能光伏组件经过串并联组合构成“分组阵列”，达到一定的输出功率和输出电压。为保证光伏组件正常工作，只允许相同型号的光伏组件进行串联。多个光伏组件串联后可再进行并联，并联的光伏组件端电压相差不应超过10%。

影响光伏电池、组件输出特性的因素分析：

（1）温度对光伏组件输出特性的影响

光伏组件温度较高时，工作效率下降。随着光伏电池温度升高，开路电压减小。在20-100摄氏度范围，大约每升高1摄氏度，光伏电池的电压减小2mV。而光电流随温度的升高略有上升，大约每升高1摄氏度电池的光电流增加千分之一。

（2）光照强度对光伏组建输出特性的影响

光照强度与光伏组件的光电流成正比。在光强由100-1000瓦每平米范围内光电流始终随光强的增长而线性增长，光伏电池的功率与光强也基本保持成正比。

（3）阴影对光伏组件输出特性的影响

光伏组件上的局部阴影会引起输出功率的明显减少。一个单电池被完全遮挡时太阳电池组件输出减少75%左右。虽然组件安装了二极管来减少阴影的影响，但如果低估局部阴影的影响建成的光伏系统性能和投资收效都将大大降低。

由于光伏组件的输出功率取决于太阳光照强度、太阳能光谱分布和光伏电池的温度、阴影等。而在很多情况下太阳能电池的光照、温度都是不断变化的。因此同一分组阵列中的组件在安装时，应尽可能保证具有相同的太阳辐射条件（朝向、倾角等）。此外要注意避免阴影产生，及时清理组件表面，防止热斑效应产生。

监测系统对每一个光伏组件单元温度及输出电压、电流进行监测，同时存储历史数据。系统根据专家知识及时诊断光伏组件阵列存在的故障及缺陷。

3.2.2 蓄电池组性能分析及故障诊断

蓄电池组其作用是储存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。影响光伏发电系统用储能蓄电池寿命的主要因素：

（1）放电电流对蓄电池寿命影响

在光伏系统中，蓄电池的放电电流非常小。在小电流条件下形成的PbSO4比大电流条件下形成的PbSO4转化困难得多。这是因为在小电流条件下形成的PbSO4结晶颗粒要比大电流条件下形成的PbSO4结晶颗粒粗大，粗大的PbSO4结晶颗粒减少了PbSO4的有效面积，这样在再充时加速了极板极化，导致PbSO4转化困难，随着循环的继续，这种情况还会更加加剧，结果使得极板充不进电，最后导致蓄电池寿命终止。

（2）深度放电后蓄电池容量恢复

在光伏系统中，蓄电池的放电率要比蓄电池应用在其它场合低。小电流下深度放电意味着极板上的活性物质将得到更充分的利用。在许多光伏系统中，通常不会发生深度放电，除非充电系统出现故障或持续长时间的坏天气。在这种情况下，如果蓄电池得不到及时的再充电，硫化问题将更加严重，进一步导致容量损失。

（3）温度的影响

高温对蓄电池失水干涸、热失控、正极板栅腐蚀和变形等都起到加速作用，低温会引起负极失效，温度波动会加速结晶等，这些都将影响电池寿命。在一定环境温度范围放电时，使用容量随温度升高而增加，随温度降低而减小。在环境温度10～45℃范围内，铅蓄电池容量随温度升高而增加。但是，超过一定温度范围，则相反。如在环境温度45～50℃条件下放电，则电池容量明显减小。低温（<5℃）时，电池容量随温度降低而减小，电解液温度降低时，其粘度增大，离子运动受到较大阻力，扩散能力降低；在低温下电解液的电阻也增大，电化学的反应阻力增加，结果导致蓄电池容量下降。其次低温还会导致负极活性物质利用率下降，影响蓄电池容量。

专家系统能够通过监测蓄电池充放电曲线及环境温度，及时判断存在的缺陷及故障。

3.3预测子系统介绍

系统故障的发生受一定的运行参数影响，专家系统把所有可能促故障发生的参数条件归结分类，并归纳出它们和故障之间的关联关系。预测子系统分为单一预测和综合预测。

（1）单一预测

系统根据某种故障发生条件和当前系统运行数据之间的差异来确定这种故障的发生概率；

（2）综合预测

系统根据当前的实际运行数据，推断出所有可能发生的故障，在预测结果中都给出了故障名称、概率及故障的防治对策。

4 结束语

家庭太阳能发电监测系统是独立于太阳能发电系统的智能单元，以现代电子技术、总线技术和嵌入式系统为硬件平台，应用专家知识为太阳能发电设备安全、高效运行提供指导，是一种极具应用价值的新型嵌入式专家系统。