如何改進(jìn)和提升光伏接線盒

光伏接線盒從本質(zhì)上是一種連接器，能夠?qū)⑻?yáng)能電池組件方陣與太陽(yáng)能充電控制裝置連接在一起。光伏接線盒主要是起到對(duì)太陽(yáng)能光伏組件連接和保護(hù)作用。

光伏接線盒能夠?qū)⑻?yáng)能光伏組件所產(chǎn)生的電力傳遞給外部電路從而實(shí)現(xiàn)電力傳輸功能。因此光伏接線盒性能至關(guān)重要。

當(dāng)前光伏接線盒可以根據(jù)其工藝的不同劃分為灌膠類和非灌膠類兩種，以下對(duì)這兩種不同類型的光伏接線盒進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析，探究光伏接線盒的性能。

灌膠類光伏接線盒。

灌膠類光伏接線盒體積較小，而且在設(shè)計(jì)時(shí)采用了灌膠措施，具有良好防水性能，可以達(dá)到IP68的防護(hù)等級(jí)。

除此之外灌膠類光合接線盒所采用的灌膠材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.3W/m·K，該系數(shù)要比密閉環(huán)境下空氣導(dǎo)熱系數(shù)高很多，因此灌膠材料具有良好的導(dǎo)熱性和散熱性，能夠?qū)a(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)出去，降低溫度對(duì)光伏接線盒性能的影響。

但是灌膠類光伏接線盒需要購(gòu)買的灌膠材料會(huì)在一定程度上增加光伏接線盒的成本，而且一旦裝置發(fā)生故障，很難進(jìn)行拆卸維修，影響光伏接線盒的使用和性能。

非灌膠類光伏接線盒。

非灌膠類光伏接線盒可以自由拆卸，一旦裝置發(fā)生故障，可以立即對(duì)裝置進(jìn)行拆卸維修，不會(huì)影響光伏接線盒使用性能。當(dāng)非灌膠類光伏接線盒達(dá)到使用壽命之后，組件內(nèi)部的零件可以隨意拆卸回收，提高材料利用效率。

但是由于非灌膠類光伏接線盒沒(méi)有采用灌膠材料，光伏接線盒的密封性能和防水性能會(huì)降低，此時(shí)隨著光伏接線盒使用時(shí)間的延長(zhǎng)，裝置會(huì)不斷老化，性能會(huì)不斷下降。當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的非灌膠類光伏接線盒的防護(hù)等級(jí)一般在IP65。

普通光伏接線盒的痛點(diǎn)

普通光伏接線盒電路主要是由電池片與二極管組成的，二極管通過(guò)并聯(lián)的方式與電池片連接在一起，起到平衡電流的作用，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接線盒電路的等效電路

由于太陽(yáng)光照射角度、周圍遮擋物等因素的影響，太陽(yáng)能電池組件的可能存在局部被照射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象，此時(shí)在該區(qū)域內(nèi)的溫度會(huì)達(dá)到200℃左右。在高溫狀態(tài)下光伏接線盒內(nèi)部焊點(diǎn)熔化、封裝材料密封性下降，降低光伏電池方陣性能，因此為了有效保護(hù)電池組件內(nèi)電池方陣性能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)并聯(lián)二極管的作用起到平衡電流作用，有效避免熱斑現(xiàn)象對(duì)光伏組件的影響。

二極管是一個(gè)敏感性較強(qiáng)的電子元器件，兩側(cè)壓降為1V，當(dāng)二極管流經(jīng)電流為10A時(shí)，此時(shí)二極管會(huì)消耗10W功率，造成電子組件功率損失。除此之外二極管對(duì)溫度比較敏感，在高溫狀態(tài)下，二極管會(huì)被燒壞，無(wú)法起到平衡電流作用，最終燒壞光伏接線盒。

當(dāng)前在光伏接線盒中采用的是肖特基二極管，其在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的壓降為0.5~0.7V，此時(shí)雖然會(huì)比普通二極管消耗功率略有下降，但是仍然存在較大功率損耗。而且肖特基二極管的反向漏電流要比普通二極管的大很多，這樣也會(huì)產(chǎn)生一定的電能損耗，因此對(duì)于光伏接線盒而言，不管是采用普通二極管還是選用肖特基二極管都會(huì)存在功率損耗，這也是當(dāng)前光伏接線盒性能設(shè)計(jì)的痛點(diǎn)。

如何優(yōu)化和改進(jìn)思路

光伏接線盒通過(guò)旁路二極管平衡電流，從而起到保護(hù)光伏接線盒的作用，但是該裝置一旦其中某一個(gè)組件發(fā)生損壞或者是故障，此時(shí)接線盒會(huì)直接流經(jīng)二極管形成完整回路，此時(shí)會(huì)降低整個(gè)光伏組件發(fā)電量，進(jìn)而引發(fā)電池組件串聯(lián)失配，降低光伏組件的發(fā)電效率，而智能接線盒的出現(xiàn)則可以很好解決這一問(wèn)題。

智能接線盒是在傳統(tǒng)接線盒的基礎(chǔ)上優(yōu)化而來(lái)的裝置，該裝置能夠?qū)蝹€(gè)組件的最大功率進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，從而保證每一個(gè)光伏組件都能夠達(dá)到最大輸出功率，降低失配對(duì)發(fā)電效率的影響。

智能光伏接線盒為了有效提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率，就需要對(duì)組件的輸出功率進(jìn)行控制，利用MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）技術(shù)將其控制在最大功率附近。

在MPPT技術(shù)下能夠?qū)M件的電流、電壓以及功率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，確定組件的輸出功率，然后通過(guò)自尋優(yōu)方式確定峰值（最大功率）位置，并通過(guò)自調(diào)節(jié)作用對(duì)組件的運(yùn)行電壓、電流等進(jìn)行控制，將實(shí)際輸出功率向著最大功率移動(dòng)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)在MPPT技術(shù)下智能接線盒轉(zhuǎn)換效率提升了20%到30%。

通過(guò)對(duì)光伏組件的P-V曲線進(jìn)行測(cè)試，所得到的測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 光伏組件P-V曲線

從圖中可以了解到光伏組件的輸出功率與實(shí)際電壓存在一定的關(guān)系，在電壓達(dá)到最大輸出電壓Vmax之前，此時(shí)隨著電壓不斷增加，輸出功率也在不斷增加，當(dāng)實(shí)際電壓達(dá)到最大電壓Vmax時(shí)，此時(shí)組件的輸出功率也達(dá)到了最大輸出功率Pmax。

隨后當(dāng)實(shí)際電壓超過(guò)最大輸出電壓Vmax時(shí)，此時(shí)實(shí)際電壓增加，輸出功率Pmax反而會(huì)不斷下降，從P-V曲線中可以了解到要想達(dá)到最大輸出功率Pmax，就需要將組件的實(shí)際輸出電壓控制在最大電壓Vmax處，智能接線盒MPPT技術(shù)就是實(shí)時(shí)跟蹤功率變化，通過(guò)控制實(shí)際輸出電壓，將其控制在Pmax附近。

根據(jù)以上對(duì)MPPT技術(shù)分析可知，MPPT技術(shù)從本質(zhì)上就是對(duì)組件的實(shí)際輸出功率進(jìn)行自尋優(yōu)，通過(guò)調(diào)整實(shí)際輸出電壓的方式控制輸出功率，因此在光伏接線盒設(shè)計(jì)時(shí)就可以以此為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

智能光伏接線盒的設(shè)計(jì)

本文在進(jìn)行光伏接線盒設(shè)計(jì)時(shí)選取250W的光伏組件進(jìn)行研究，然后利用MPPT+DC/DC+無(wú)線通訊的組織架構(gòu)進(jìn)行通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

250W光伏組件的相關(guān)參數(shù)如下：開(kāi)路電壓為42.4V，短路電流為7.6A，工作電壓為34V，工作電流為7.3A，峰值功率為250W。

MPPT+DC/DC+無(wú)線通訊相結(jié)合的通信系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)光伏組件的實(shí)際輸出功率。在智能光伏接線盒系統(tǒng)中主要包括七個(gè)不同的控制模塊。

供電系統(tǒng)模塊

該模塊主要是將光伏組件所輸出的實(shí)際電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為5V、10V、15V等不同電壓等級(jí)的系統(tǒng)，以便為其他模塊提供動(dòng)力。5V電壓能夠?yàn)榭刂浦行膯纹瑱C(jī)供電，從而驅(qū)動(dòng)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制指令。10V電壓能夠?yàn)轵?qū)動(dòng)模塊提供模擬電源。15V能夠?yàn)闊o(wú)線通信模塊提供數(shù)字電源，驅(qū)動(dòng)各無(wú)線模塊運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。

檢測(cè)電路模塊

檢測(cè)電路主要是對(duì)光伏組件內(nèi)的電壓、電壓和溫度進(jìn)行檢測(cè)，從而根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自尋優(yōu)控制功能。

首先，在電壓檢測(cè)功能中主要是利用分壓電阻檢測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)功能。在電壓檢測(cè)時(shí)會(huì)采用1%精度分壓電阻的作用進(jìn)行分壓，然后將分壓后采集到的電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)AD口進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換。

此時(shí)為了保證采集電壓數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，降低干擾信號(hào)對(duì)電壓信號(hào)的影響，在AD口處經(jīng)常會(huì)并聯(lián)一個(gè)0.01μF的電容。經(jīng)過(guò)AD口轉(zhuǎn)換后的電壓會(huì)直接傳送到單片機(jī)中進(jìn)行處理，并發(fā)出對(duì)應(yīng)控制指令。但是由于單片機(jī)的電源電壓是5V，此時(shí)要求經(jīng)過(guò)AD口轉(zhuǎn)換后的電壓在5V以下。

在一般狀況下光伏組件的輸出電壓在30~40V之間，此時(shí)可以采用電阻分壓的方式降低AD口采集電壓值。電壓檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3 電壓檢測(cè)電路圖

假設(shè)在光伏組件的最大輸出電壓為60V，要求AD口采集電壓為5V，此時(shí)要求所選用的R11∶R10=1∶11，兩個(gè)電阻的阻值分別是10KΩ和110KΩ。放大倍數(shù)為1/12。

其次，在電流檢測(cè)中所選用的數(shù)據(jù)采樣方法是高邊電流檢測(cè)方式。在該方式下將采樣電阻放置在電壓的正極以及負(fù)載之間，這樣可以有效降低地線等干擾信號(hào)對(duì)采樣電阻電壓值產(chǎn)生的影響，從而快速識(shí)別實(shí)際電流。

在進(jìn)行采樣時(shí)，如果電源等回路發(fā)生故障，裝置能夠快速檢測(cè)到電路中的短路電流，從而顯示故障信息。電流檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4電流檢測(cè)電路圖

在電流檢測(cè)電路中在主回路中采樣電阻R_sen通過(guò)串聯(lián)的方式與負(fù)載進(jìn)行連接，此時(shí)在采樣電阻的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生壓降，此時(shí)為了對(duì)采樣電阻流經(jīng)的電流進(jìn)行檢測(cè)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用運(yùn)算放大器A的作用吸收電流，此時(shí)該電流會(huì)流經(jīng)電阻RI，這樣在電阻RI兩側(cè)的電壓就相當(dāng)于采樣電阻R_sen兩側(cè)的電壓。

在電流檢測(cè)電路中電阻RL一端與輸出電壓Vout連接，一端轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)電壓，輸出電壓Vout會(huì)通過(guò)電壓跟隨器的作用實(shí)時(shí)輸出檢測(cè)電流。

本文在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)所選用的RI、RL電阻的阻值分別為20KΩ和500Ω。

最后，在溫度檢測(cè)中主要是采用芯片SM72480進(jìn)行溫度測(cè)量。光伏組件在正常運(yùn)行時(shí)的工作溫度在-40℃到85℃之間，如果經(jīng)過(guò)測(cè)量實(shí)際工作穩(wěn)定并不在該范圍內(nèi)，此時(shí)就說(shuō)明組件運(yùn)行在非工況狀態(tài)下。芯片SM72480具有測(cè)量精度高、雙輸出、低功耗等特點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用到溫度檢測(cè)中，并起到良好的檢測(cè)效果。

芯片SM72480采用的是電壓等級(jí)為5V的供電電源，此時(shí)在該芯片作用下所輸出的穩(wěn)定信號(hào)有數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)兩種，其中數(shù)字信號(hào)表示檢測(cè)溫度的上限和下限值，當(dāng)實(shí)際溫度超出上下限范圍后，此時(shí)芯片SM72480的引腳5OVERTEMP引腳會(huì)變化為高電平，引腳3則會(huì)變?yōu)榈碗娖?，將此時(shí)實(shí)際溫度以模擬信號(hào)的形式輸出。引腳1TRIPTEST進(jìn)行接地，引腳6VTEMP能夠根據(jù)溫度輸出實(shí)際電壓值模擬信號(hào)。

電源管理和復(fù)位電路。

該電路主要是功能是對(duì)系統(tǒng)的工作電源進(jìn)行控制，保證電源控制在穩(wěn)定輸出狀態(tài)。當(dāng)電源接收到復(fù)位控制指令之后，會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位設(shè)置。

控制中心。

控制中心主要是接收各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析、處理，發(fā)出各項(xiàng)控制指令?？刂浦行氖枪夥泳€盒實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制的基礎(chǔ)。光伏接線盒在主回路中采用的是BUCK-BOOST電路實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制功能。

驅(qū)動(dòng)電路。

驅(qū)動(dòng)電路主要的功能就是為控制信號(hào)提供驅(qū)動(dòng)力，從而提高控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，以便在驅(qū)動(dòng)力的作用下對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

通信模塊。

通信模塊主要的功能就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸，并將控制指令通過(guò)通信模塊的作用反饋回來(lái)，為裝置提供控制信號(hào)。

保護(hù)電路。

保護(hù)電路主要的功能就是起到保護(hù)作用，對(duì)組件可能產(chǎn)生的過(guò)流、過(guò)壓等信息進(jìn)行分析，從而起到保護(hù)組件裝置的作用，保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

程序設(shè)計(jì)

智能光伏接線盒能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各種智能控制功能，本文主要是對(duì)主程序流程以及溫度檢測(cè)流程進(jìn)行分析，從而達(dá)到智能光伏接線盒自動(dòng)控制效果。

主程序流程。

本文設(shè)計(jì)的智能光伏接線盒主程序控制流程如下。

當(dāng)單片機(jī)上電復(fù)位之后，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)對(duì)寄存器、變量、接口、串口等進(jìn)行初始化這是，經(jīng)過(guò)初始化設(shè)置之后，系統(tǒng)所有的參數(shù)都會(huì)恢復(fù)到默認(rèn)初始狀態(tài)。隨后系統(tǒng)會(huì)通過(guò)PWM輸出默認(rèn)的占空比，然后數(shù)據(jù)系統(tǒng)適量電壓。控制系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行工作，采集相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集之后控制系統(tǒng)將會(huì)跳入到計(jì)算子程序中，在子程序中調(diào)用MPPT算法對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算得到當(dāng)前的實(shí)際輸出參數(shù)，返回主程序。在主程序中會(huì)將計(jì)算子程序中所計(jì)算的參數(shù)通過(guò)PWM波的作用進(jìn)行輸出，并更新PWM占空比，然后進(jìn)行循環(huán)操作，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集，直到所輸出的PWM占空比滿足輸出參數(shù)要求，達(dá)到調(diào)節(jié)參數(shù)的目的。

溫度檢測(cè)流程。

溫度是影響光伏接線盒性能的主要參數(shù)，一旦溫度異常會(huì)直接影響光伏接線盒性能，甚至還有可能損壞裝置。本文在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)對(duì)光伏接線盒溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤和控制溫度目的。在溫度檢測(cè)中首先會(huì)通過(guò)智能接線盒的作用對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行采集，然后將所采集的實(shí)時(shí)溫度與安全溫度進(jìn)行對(duì)比。

如果實(shí)時(shí)溫度已經(jīng)超出安全溫度范圍，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)直接發(fā)出報(bào)警信息，通知相關(guān)人員采取控溫措施。如果實(shí)時(shí)溫度在安全溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入循環(huán)程序，繼續(xù)采集溫度信息并進(jìn)行對(duì)比。

本文通過(guò)對(duì)光伏接線盒進(jìn)行研究，分析光伏接線盒的類型以及光伏接線盒的痛點(diǎn)，然后針對(duì)光伏接線盒產(chǎn)生的功率損失問(wèn)題，提出了MPPT技術(shù)對(duì)光伏接線盒進(jìn)行功率控制，將其控制在最大功率點(diǎn)附近，最后對(duì)光伏接線盒進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

本文在研究時(shí)選取250W的光伏組件進(jìn)行分析，然后從硬件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)分析，確定智能光伏接線盒的硬件電路，最后從主程序和溫度檢測(cè)程序兩方面進(jìn)行流程設(shè)計(jì)，為智能光伏接線盒設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。