一种光伏组件灰尘遮挡检测系统的制作方法

本发明实施例涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种光伏组件灰尘遮挡检测系统。

背景技术：

太阳能光伏发电系统作为一种常见的利用太阳能资源中的方式，已广泛应用于生活生产中。光伏发电系统的效率是衡量一个光伏电站性能的核心因素，影响光伏发电系统效率的因素诸多，其中灰尘遮挡是非常重要的因素之一，灰尘附着在光伏组件表面,会对光线产生遮挡,影响光伏组件对太阳光的吸收，降低发电效率。

为降低灰尘遮挡对光伏发电系统效率的影响，需要定期清洗光伏组件表面的灰尘，但清洗会产生一定的费用。如果清洗时间间隔过长，则光伏组件表面会产生灰尘遮挡，影响光伏发电系统的发电效率；频繁的清洗会造成水资源的浪费以及发电成本的提升。此外，由于光伏发电系统位于户外，受到地域、气候、风沙、雨水以及大气湿度等多种因素的影响，很难制定出有效而合理的清洗间隔。

技术实现要素：

本发明提供一种光伏组件灰尘遮挡检测系统，以能够定量计算出灰尘遮挡对光伏组件发电效率的影响，使清洗费和发电效率达到最佳经济点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明实施例提供了一种光伏组件灰尘遮挡检测系统，包括待测光伏组件组、控制模块、数据采集模块和中央处理模块；

所述待测光伏组件组包括一组定期清洗的标准光伏组件组和一组不清洗的对比光伏组件组，所述标准光伏组件组包括至少一个标准光伏组件，所述对比光伏组件组包括至少一个对比光伏组件；所述标准光伏组件包括可短路所述标准光伏组件的第一电流源的第一闭合回路，所述对比光伏组件包括可短路所述对比光伏组件的第二电流源的第二闭合回路；

所述控制模块与所述待测光伏组件组电连接，用于根据所述中央处理模块发送的控制指令，控制各所述第一闭合回路和所述第二闭合回路的通断；

所述数据采集模块分别与所述第一闭合回路和所述第二闭合回路连接，用于在所述第一闭合回路和所述第二闭合回路导通时，采集所述第一电流源和所述第二电流源，并将所述第一电流源和所述第二电流源的数据发送至所述中央处理模块；

所述中央处理模块用于向所述控制模块发送控制指令，并根据所述数据采集模块发送的所述第一电流源和所述第二电流源的数据，计算出在设定时间内所述第一电流源和所述第二电流源的差值百分比。

进一步地，还包括第一无线通信模块和第二无线通信模块，所述第一无线通信模块分别与所述控制模块和所述数据采集模块电连接，所述第二无线通信模块与所述中央处理模块电连接，所述中央处理模块通过所述第二无线通信模块和所述第一无线通信模块分别与所述控制模块和所述数据采集模块无线连接。

进一步地，所述控制模块包括远程终端控制单元和至少两组开关控制单元，所述远程终端控制单元的第一输入端与所述第一无线通信模块电连接，用于接收所述控制指令；

所述开关控制单元包括一个继电器和一个接触器；所述远程终端控制单元的第一输出端与各所述继电器的控制端电连接，用于控制各所述继电器的常开端闭合；各所述继电器的常开端与组内所述接触器的线圈电源回路串联，用于在所述常开端闭合时，所述接触器吸合；各所述接触器分别串联于对应的所述第一闭合回路和所述第二闭合回路中，用于在所述接触器吸合时，对应的所述第一闭合回路和所述第二闭合回路导通。

进一步地，所述数据采集模块包括至少两个霍尔电流传感器，各所述霍尔电流传感器通过两电流测量端分别串联于对应的所述第一闭合回路和所述第二闭合回路中，各所述霍尔电流传感器的电流输出端分别与所述远程终端控制单元的第二输入端电连接，以通过所述远程终端控制单元的第二输出端输出所述第一电流源和所述第二电流源的数据。

进一步地，各所述霍尔电流传感器还用于将检测到的所述第一电流源和所述第二电流源转化成对应的标准电流，其中，所述标准电流为4～20mA。

进一步地，所述远程终端控制单元包括模数转换器，所述模数转换器用于将接收到的所述标准电流转化为数字电流信号。

进一步地，所述中央处理模块包括上位机和后台计算单元，所述上位机与所述第二无线通信模块电连接，用于按照预设周期下发所述控制指令至所述控制模块，对接收到的所述第一电流源和所述第二电流源的数据进行显示、存储和分析，并将分析后的所述第一电流源和所述第二电流源的数据通过互联网传输至所述后台计算单元；

所述后台计算单元用于根据分析后的所述第一电流源和所述第二电流源的数据，计算出在设定时间内所述第一电流源和所述第二电流源的差值百分比。

进一步地，所述预设周期为5分钟，所述设定时间为1天。

进一步地，所述标准光伏组件组包括三个标准光伏组件，所述对比光伏组件组包括三个对比光伏组件。

进一步地，所述控制模块、所述数据采集模块和所述第一无线通信模块设置于所述待测光伏组件组处的一控制箱中。

进一步地，还包括电源模块，用于给所述控制模块和所述数据采集模块供电。

本发明的控制模块根据中央处理模块的控制指令控制第一闭合回路和第二闭合回路导通，通过数据采集模块以实现对标准光伏组件的第一电流源和对比光伏组件的第二电流源的测量，中央处理模块根据第一电流源和第二电流源的数据，计算出第一电流源和第二电流源的差值百分比，确定灰尘对光伏组件发电效率的影响，进而折中清洗光伏组件的清洗费和光伏组件的发电效率，使清洗费和发电效率达到最佳经济点，即在保证发电效率的前提下，用最少的清洗费用达到最佳的灰尘清洗效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光伏组件灰尘遮挡检测系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的待测光伏组件的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的第一无线通信模块和第二无线通信模块的结构框图；

图4是本发明实施例提供的控制模块的结构框图；

图5是本发明实施例提供的第一闭合回路的电路图；

图6是本发明实施例提供的霍尔电流传感器与远程终端控制单元和待测光伏组件的结构框图；

图7是本发明实施例提供的中央处理模块的结构框图；

图8是本发明实施例提供的光伏组件灰尘遮挡检测系统的具体结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的光伏组件灰尘遮挡检测系统的结构框图。请参考图1，该结构框图包括待测光伏组件组2、控制模块3、数据采集模块4和中央处理模块1；

图2为本发明实施例提供的待测光伏组件的结构示意图。请参考图1和图2，待测光伏组件组2包括一组定期清洗的标准光伏组件组和一组不清洗的对比光伏组件组，标准光伏组件组包括至少一个标准光伏组件21，对比光伏组件组包括至少一个对比光伏组件23；标准光伏组件21包括可短路标准光伏组件21的第一电流源的第一闭合回路22，对比光伏组件23包括可短路对比光伏组件23的第二电流源的第二闭合回路24；控制模块3与待测光伏组件组2电连接，用于根据中央处理模块1发送的控制指令，控制各第一闭合回路22和所述第二闭合回路24的通断；

数据采集模块4分别与第一闭合回路22和第二闭合回路24连接，用于在第一闭合回路22和所述第二闭合回路24导通时，采集第一电流源和第二电流源，并将第一电流源和第二电流源的数据发送至中央处理模块1；

中央处理模块1用于向控制模块3发送控制指令，并根据数据采集模块4发送的第一电流源和第二电流源的数据，计算出在设定时间内第一电流源和第二电流源的差值百分比。

可选地，标准光伏组件21和对比光伏组件23的数量可以相同，也可以不同。示例性地，如果标准光伏组件21的数量少于对比光伏组件23时，可以选择全部数量的对比光伏组件23进行计算，也可以选择与标准光伏组件21数量相同的对比光伏组件23进行计算。示例性地，如果中央处理模块1分析出标准光伏组件21或对比光伏组件23中有明显错误的数据，则可以先筛选去除异常的数据，然后再进行计算。

本发明实施例的控制模块根据中央处理模块的控制指令控制第一闭合回路和第二闭合回路导通，通过数据采集模块以实现对标准光伏组件的第一电流源和对比光伏组件的第二电流源的测量，中央处理模块根据第一电流源和第二电流源的数据，计算出第一电流源和第二电流源的差值百分比，确定灰尘对光伏组件发电效率的影响，进而折中清洗光伏组件的清洗费和光伏组件的发电效率，使清洗费和发电效率达到最佳经济点，即在保证发电效率的前提下，用最少的清洗费用达到最佳的灰尘清洗效果。

本发明实施例提供的光伏组件灰尘遮挡检测系统，直接通过采集两组光伏组件的短路电流作为比较的依据，而不是通过发电量来进行比较，这就避免了由于电流在电缆损失，光伏阵列串并联失配、逆变器效率等等其他因素带来的叠加影响，计算出的待测光伏组件的发电效率值更加可靠。

图3是本发明实施例提供的第一无线通信模块和第二无线通信模块的结构框图。进一步地，请参照图3，本发明实施例提供的光伏组件灰尘遮挡检测系统还包括第一无线通信模块51和第二无线通信模块52，第一无线通信模块51分别与控制模块3和数据采集模块4电连接，第二无线通信模块52与中央处理模块1电连接，中央处理模块1通过第二无线通信模块52和第一无线通信模块51分别与控制模块3和数据采集模块4无线连接。需要说明的是，数据采集模块并没有直接与第一无线通信模块51连接，而是先通过有线的方式与控制模块4连接，然后通过控制模块4与中央处理模块1连接。

通常情况下，为了保证光伏组件的光电转化效率，需要将光伏组件置于太阳光照较好的户外等条件下，而中央处理模块1一般由单片机或计算机等组成，通常置于室内环境。光伏组件工作于各种复杂的地质条件下，采用有线通信的方式将限制本发明实施例提供的光伏组件灰尘遮挡检测系统的使用范围，为了保证中央处理模块1能够正常给控制模块3发送指令以及接收数据采集模块4反馈的数据，需要采用第一无线通信模块51和第二无线通信模块52连接中央处理模块1和控制模块3以及数据采集模块4。

可选地，第一无线通信模块51和第二无线通信模块52可采用Lora(LongRange，远程)无线通讯技术，与其它工业无线技术相比，该技术适合小数据量在复杂环境中的远距传输问题，本发明还采用了高效循环交织纠检错编码，抗干扰性和灵敏度较好，穿透能力比较强。由于光伏组件与中央处理模块之间距离较远，因此需要选用可靠、抗干扰能力强、通讯稳定的无线通讯技术，无需现场布线，便于建设和后期运维。

图4是本发明实施例提供的控制模块的结构框图。请参考图4，控制模块3包括远程终端控制单元(RemoteTerminalUnit，RTU)31和至少两组开关控制单元32，远程终端控制单元31的第一输入端311与第一无线通信模块51电连接，用于接收控制指令；

其中，开关控制单元32包括一个继电器32和一个接触器33；远程终端控制单元31的第一输出端与各继电器32的控制端电连接，用于控制各继电器32的常开端闭合；各继电器32的常开端与组内接触器33的线圈电源回路串联，用于在常开端闭合时，接触器33吸合；各接触器33分别串联于对应的第一闭合回路22和第二闭合回路24中，用于在接触器33吸合时，对应的第一闭合回路22和第二闭合回路24导通。

从第一无线通信模块51传来的控制指令，经远程终端控制单元31的输入端进入远程终端控制单元31，并从远程终端控制单元31的第一输出端传输至各继电器32，最终实现对标准光伏组件21或对比光伏组件23的控制。示例性地，以标准光伏组件为例，从远程终端控制单元31的第一输出端输出的控制信号，能够控制继电器32的常开端闭合，进而接触器33吸合，第一闭合回路22导通，实现对标准光伏组件21的控制。控制模块3控制第二闭合回路24导通的原理与此相同，不再赘述。

由于远程终端控制单元31的第一输入端输出给各继电器的信号都相同，因此远程终端控制单元31的第一输入端可以为数量与继电器32一一对应的多个端口，也可以是一个端口，在控制指令从远程终端控制单元31的第一输入端输出后，分别输出给各继电器32。

需要说明的是，本发明实施例提供的光伏组件灰尘遮挡检测系统，也可以采用有线的通信方式，把中央处理模块1的控制指令发送至控制模块3，以及把待测光伏组件2的数据回传至中央处理模块1。

另外，由于计算第一电流源和第二电流源的差值百分比需要用到同一时刻标准光伏组件21和对比光伏组件22的电流数据，因此单独测量标准光伏组件21或对比光伏组件22的电流数据并无实际意义，因此远程终端控制单元31的各第一输出端312在任一时刻输出的控制信号相同。远程终端控制单元31的第一输出端312的端口数与继电器321的数量和接触器322的数量一一对应。

图5是本发明实施例提供的第一闭合回路的电路图，图6是本发明实施例提供的霍尔电流传感器与远程终端控制单元和待测光伏组件的结构框图。进一步地，请参照图5和6，数据采集模块4包括至少两个霍尔电流传感器41，各霍尔电流传感器41通过两电流测量端分别串联于对应的第一闭合回路22和第二闭合回路24中，各霍尔电流传感器41的电流输出端分别与远程终端控制单元31的第二输入端电连接，以通过远程终端控制单元31的第二输出端输出第一电流源和第二电流源的数据。

可以理解的是，标准光伏组件组和对比光伏组件组的区别仅在于表面的灰尘沉积时间不同，其内部电路结构完全相同。

霍尔电流传感器是根据通电导线周围产生的磁场大小来测量导线中的电流，属于非接触式电流测量法，对被测回路的电流影响较小，测量结果准备可靠。霍尔电流传感器还具有测量结果精确可靠，相应速度快以及测量范围广等优点，因此选择霍尔电流传感器测量第一闭合回路22和第二闭合回路24的电流。在实际应用中，每一个第一闭合回路22或第二闭合回路24都包括一个霍尔电流传感器41。

霍尔电流传感器41把采集到的第一电流源和第二电流源的数据发送至远程终端控制单元31，并进一步通过第一无线通信单元51以及第二无线通信模块52，传输至中央处理模块1。

可选地，远程终端控制单元31的第二输入端包括与霍尔电流传感器41一一对应的多个输入端口，用于接收每一个霍尔电流传感器采集的标准电流。

进一步地，各霍尔电流传感器41还用于将检测到的第一电流源和第二电流源转化成对应的标准电流，其中，标准电流为4～20mA。采用工业上的标准电流的优势在于，可以避免长距离输送信号产生的电压降以及噪声干扰等问题，也便于中央处理模块1的存储和分析。

进一步地，远程终端控制单元31包括模数转换器，模数转换器用于将接收到的标准电流转化为数字电流信号。从霍尔电流传感器41的电流输出端输出的电流为标准电流与第一闭合回路21或第二闭合回路22中的电流对应，为模拟电流，为了便于输送和后期的数据处理和计算，需要将标准电流转化成数字电流信号。

图7是本发明实施例提供的中央处理模块的结构框图。进一步地，请参考图7，中央处理模块1包括上位机11和后台计算单元12，上位机11与第二无线通信模块52电连接，用于按照预设周期下发控制指令至控制模块3，对接收到的第一电流源和第二电流源的数据进行显示、存储和分析，并将分析后的所述第一电流源和所述第二电流源的数据通过互联网传输至后台计算单元12；后台计算单元12用于根据分析后的第一电流源和所述第二电流源的数据，计算出在设定时间内第一电流源和第二电流源的差值百分比。

利用上位机11和后台计算单元12能够计算出第一电流源和第二电流源的差值百分比，根据差值百分比和清洗费用之间的关系，决定是否对对比光伏组件组进行清洗。示例性地，当第一电流源和第二电流源的差值百分比较小，表明灰尘对对比光伏组件组的发电效率的影响小，此时的清洗成本较高，因此可以选择不清洗对比光伏组件组；但当第一电流源和第二电流源的差值百分比较大时，表明灰尘严重影响了对比光伏组件组的发电效率，因此需要及时清洗对比光伏组件组，避免光伏组件组由于灰尘的存在而发电效率太低。

可选地，上位机11可以为单片机、工控机或计算机，后台计算单元12为计算机。或者，上位机11和后台计算单元12也可以是同一台计算机。

可选地，上位机11可采用IPC-610H工控机，通过使用Scada软件监视和控制待测光伏组件2，实现待测光伏组件2短路电流回路接触器的自动吸合和断开，既可以获取光伏组件的短路电流，又能够避免光伏组件长时间处于短路状态而导致的光伏组件短路电流回路的过热问题，确保系统使用安全。

进一步地，上述预设周期和设定时间可以根据实际情况进行设定，如果光伏组件安装于沙漠等风沙较大的环境中，则可以缩短预设周期和设定时间；如果光伏组件所处的环境中的灰尘数量相对较少，则可以延长预设周期和设定时间。示例性地，上述预设周期为5分钟，设定时间为1天。

进一步地，标准光伏组件组包括三个标准光伏组件21，对比光伏组件组包括三个对比光伏组件23。需要说的是，所选取的3个标准光伏组件和3个对比光伏组件为同一厂家生产的6块同一规格的组件。可选地，一般来说，标准光伏组件组和对比光伏组件组的数量无需太多，在实际作业中，只需要从同一个光伏发电厂中选择几个光伏组件作为标准组合对比组即可，通过测试标准组和对比组的电源的差值百分比，就可以知道整个电场的光伏组件的灰尘遮挡程度。可选地，对比组也可以选择更多组的光伏组件。

示例性地，本发明实施例以三组标准光伏组件和三组对比组件为例，进一步说明第一电流源和第二电流源的差值百分比的计算方法。ID_i表示某一时刻第i块对比光伏组件的第二电流源的短路电流，IB_i表示同一时刻第i块标准光伏组件的第一电流源的短路电流，用α表示第一电流源和第二电流源的差值百分比，其中i为1，2，3，则

进一步地，假设某一天中种采集了n组数据，其中n为正整数，用θ表示这一天所有采样时刻短路电流的差值百分比的平均值，则在计算标准光伏组件和对比光伏组件的发电效率时，可以选择某一时刻采集的数据作为计算依据，也可以选择一定时间段内的平均数据为计算依据。

进一步地，控制模块3、数据采集模块4和第一无线通信模块51设置于待测光伏组件组2处的一控制箱中。这样的设置便于工作人员的安装和施工，同时控制箱还能对控制模块3、数据采集模块4和第一无线通信模块51起到保护作用。可选地，该控制箱位于待测光伏组件附近。

进一步地，本发明实施例提供的光伏组件灰尘遮挡检测系统还包括电源模块，用于给控制模块3和数据采集模块4供电。可选地，电源模块可以输出24V的电源，并且电源模块需要持续为控制模块3和数据采集模块4供电，以便保证控制模块3和数据采集模块4能够一直处于待机状态，保证控制模块3和数据采集模块4能够根据接收到的控制指令工作。示例性地，可通过小型变压器，把AC22V的电源转化成24V的直流电源，为光伏组件灰尘遮挡检测系统供电。

图8是本发明实施例提供的光伏组件灰尘遮挡检测系统的具体结构框图。请参考图8，从上位机11发出的控制指令，经过第二无线通信模块52，以无线的方式发送给第一无线通信模块51，远程终端控制单元31接收来自第一无线通信模块51的控制指令，并发送给继电器32，继电器32控制接触器33吸合，从而实现控制第一闭合回路和第二闭合回路导通；霍尔电流传感器41把采集的第一闭合回路的第一电流源和第二闭合回路的第二电流源数据转化成标准电流，再经过远程终端控制单元31的模数转换器，把标准电流转化成数字电流信号，依次经过第一无线通信模块51和第二无线通信模块52回传至上位机11进行显示、存储和分析，并将分析后的第一电流源和第二电流源的数据通过互联网传输至所述后台计算单元12。后台计算单元12可以计算出第一电流源和第二电流源的差值百分比。

示例性地，表1给出了一组标准光伏组件与对比光伏组件之间的电流差值百分比，该数据来源于某100MW大型地面光伏电站。从表1可以看出，随着统计天数增多，标准光伏组件的发电效率高出对比光伏组件的百分比逐渐增大，表明随着对比光伏组件上灰尘的增多，对比光伏组件的发电效率逐渐降低；当统计天数为25时，标准光伏组件的发电效率比对比光伏组件高出16.03％。

需要说明的是，表1中的结果，均是根据同一天内，标准光伏组件和对比光伏组件所有数据的平均值计算得到的结果。

需要说明的是，表1中的统计天数为0时，不表示当天同时清洗了标准光伏组件和对比光伏组件，实际上，在2017年9月26号，工作人员同时清洗了标准光伏组件和对比光伏组件，此后每天只对标准光伏组件进行清洗，对比光伏组件不做清洗处理。

进一步地，以2017年10月7日和10月8日为例，分析这两天的数据可以发现，10月8日的百分比差值反而小于10月7日的，这说明10月8日对比光伏组件的灰尘量比10月7日减少，这是可能是由于10月7日当天有少量降雨等原因引起的，处于户外状态的光伏组件，其表面的灰尘量不仅与沉积时间的长短有关，也与一定时间段内的天气状况相关。但通过分析整个表1可以发现，相比标准光伏组件，随着统计天数的增多，对比光伏组件的发电效率呈降低趋势，这表明对比光伏组件表面的灰尘量逐渐增多。

根据灰尘遮挡对发电量的损失以及清洗光伏组件所需要的成本决定何时清洗光伏组件：当发电量的损失少于清洗光伏组件的成本时，可以选择暂不清洗光伏组件；当发电量的损失大于清洗光伏组件的成本时，可以选择尽快清洗光伏组件，提高发电效率。

表1

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。