Солнечный модуль с блоком диагностики Российский патент 2023 года по МПК H02S50/10 

Изобретение относится к фотоэнергетике, а именно к солнечным модулям, которые используются на фотоэлектрических станциях и составлены из фотоэлектрических преобразоватей (ФЭП) на основе фотовольтаических p-n переходов из кремниевых полупроводников.

После изготовления ФЭП выполняется автоматическая сортировка и разбивка по классам в зависимости от эффективности и качества изготовления. Такая подборка однотипных ФЭП требуется при сборке солнечных модулей, чтобы параметры ФЭП, входящих в состав модулей были максимально близки друг к другу. Мощность солнечного модуля напрямую зависит от качества и параметров каждого ФЭП, из которых он состоит. Под мощностью ФЭП понимается мощность в точке максимальной мощности (ТММ), определяемой по вольт-амперной характеристике ФЭП при определенной освещенности. Изменение уровня освещенности приводит к смещению ТММ, поэтому используются различные алгоритмы отслеживания точки максимальной мощности, чтобы при любых условиях получать максимально возможную мощность на выходе ФЭП. Выходная мощность модуля всегда оказывается меньше, чем арифметическая сумма мощностей ФЭП, из которых составлен сам модуль. Это объясняется потерями из-за рассогласования характеристик однотипных ФЭП. При изготовлении солнечных модулей используется набор однотипных ФЭП, чтобы обеспечить наименьший разброс их параметров и уменьшить потери несоответствия, так как эффективность последовательного соединения ФЭП определяется эффективностью ФЭП с самыми низкими параметрами. При последовательном соединении ФЭП в условиях неоднородного освещения их поверхности некоторые наименее освещенные ФЭП перестают работать как источники энергии и становятся «паразитными» нагрузками. Основная масса ФЭП продолжают генерировать энергию и пропускать ток через менее освещенные ФЭП, вызывая высокие потери энергии в виде рассеивания тепла, что может привести к образованию локальных точек перегрева и термическому повреждению ФЭП. Чтобы избежать этой проблемы параллельно каждому ФЭП или группе ФЭП подключают байпасные диоды, которые шунтируют ток последовательной цепи, исключая из работы затененные группы ФЭП. Но даже такого способа бывает недостаточно при высоких обратных пороговых напряжений пробоя ФЭП.

Для комплексного отбора ФЭП при изготовлении модулей, предназначенных для работы на солнечной электростанции при возможных условиях неоднородного освещения, выбирается набор однотипных ФЭП по требуемой эффективности (КПД) с отклонением от среднего не более 1% и мощности в точке максимальной мощности (ТММ) с отклонением от среднего не более 2%, а затем среди них отбираются подходящие ФЭП по пороговому напряжению пробоя, получаемого по обратной ветви ВАХ фотоэлектрического преобразователя. В зависимости от технологии изготовления и уровня легирования кремниевых фотоэлектрических преобразователей значение порогового напряжения пробоя обычно не превосходит -25В, характерное значение составляет около -15В. При сокращении порогового напряжения пробоя вдвое потери выделяемой мощности в виде тепла в случае работы фотоэлектрических преобразователей в составе электростанции при сниженной освещенности также сокращаются вдвое, что значительно снижает риск образования локальных точек перегрева (“hot spot” эффект) и последующего повреждения фотоэлектрических преобразователей при работе в высоковольтных системах до 1000 В.

Тепловой пробой p-n перехода ФЭП, или в частности образование локальных точек перегрева, происходит из-за неоднородности структуры p-n перехода, наличия локальных дефектов кристаллической решетки. Данный тип пробоя обусловлен разогревом обратно включенного ФЭП при протекании через него тока. Такая ситуация может возникнуть при последовательном соединении ФЭП, когда их поверхность будет освещена неравномерно вследствие различной степени концентрации света или наличия тени (фиг. 1). В таком случае часть ФЭП будет работать в режиме диода с прямым смещением (режим фотогенерации), а часть с обратным (режим потребления). Отводимая от ФЭП мощность, рассеиваемая в виде тепла в окружающую среду, определяется температурой внешней среды и теплопроводностью сред, через которые отводится тепло. Если количество тепла, выделяемого ФЭП, превышает количество тепла, отводимого от ФЭП, то температура ФЭП начинает расти, что может привести к тепловому пробою ФЭП. По этой причине необходимо отбирать ФЭП с такими значениями порогового напряжения пробоя, при которых максимальная выделяемая пороговая мощность P_max не должна приводить к возникновению локальных точек перегрева, с температурой, приводящей к тепловому разрушению p-n перехода кремниевого ФЭП, что на вольт-ваттной характеристике (фиг. 2) соответствует линейному участку до точки перегиба при U_пр. Из отобранных таким образом ФЭП составляются солнечные модули, путем последовательного соединения ФЭП при помощи токопроводящих шин и укладывания их в остекленную раму из алюминиевого профиля с последующим ламинированием ФЭП и герметизацией солнечного модуля. Составленные таким образом солнечные модули могут быть использованы как источники энергии для солнечной фотоэлектрической электростанции. Повышается эффективность и надежность работы такой электростанции за счет снижения частоты замены выходящих из строя солнечных модулей по причине образования локальных точек перегрева.

Мировая практика мониторинга состояния источника энергии на солнечной фотоэлектрической электростанции основана на измерениях электрических параметров, таких как напряжение, ток, мощность постоянного тока на уровне цепочек-стрингов, которые состоят из последовательно соединенных солнечных модулей. Такие измерения выполняются в блоке сумматоре, к которому подключаются цепочки-стринги и выполняется их параллельное соединение для достижения необходимой силы тока. В такой стринговой технологии мониторинга состояния источника энергии теряется информация об работоспособности отдельных групп ФЭП внутри стрингов, то есть на уровне самих солнечных модулей.

Для создания солнечной электростанции требуется соединить огромное число солнечных модулей. В случае неисправности одного из модулей возникает проблема вычисления его местоположения в массиве с целью дальнейшей очистки рабочей поверхности (от загрязнения), ремонта или замены неисправного модуля. Традиционный блок-сумматор не дает информацию, какой из модулей является источником нарушения номинального режима в массиве модулей.

Известен солнечный модуль, в котором солнечные элементы соединены последовательно, затененный солнечный элемент выступает в качестве нагрузки в электрической цепи и потребляет энергию. Как следствие, затененный солнечный элемент может аномально генерировать тепло. Для предотвращения аномального выделения тепла фотоэлектрический модуль использует шунтирующий диод, соединенный параллельно с множеством ФЭП (заявка JP 2011-249790 А).

Известенно устройство, состоящее из цепочки солнечных модулей (JP2018153051A), в котором, в цепи диода, подключенного между положительным и отрицательным клеммами строки (цепочки) из последовательно соединенных солнечных модулей, установлен датчик Холла. Он позволяет проверить работоспособность байпасных диодов путем подачи электрического тока от внешнего источника на строку (цепочку) солнечных модулей при отсутствии солнечного излучения, либо измерение электрического тока строки (цепочки) солнечных модулей при эксплуатации (при наличии солнечного излучения).

Известен солнечный модуль (RU2666123, выбран в качестве прототипа), содержащий последовательно соединенные ФЭП, шунтирующий диод, блок диагностики, определяющий нижнее предельное значение целевого выходного напряжения на основе предложенной формулы. Предложенная формула связывает нижнее предельное значение целевого выходного напряжения с напряжением разомкнутой цепи фотоэлектрического модуля, количеством подключенных последовательно ФЭП, положительным значением напряжения обратного пробоя одного из солнечных элементов и допустимой ошибкой. Заявленное изобретение обеспечивает снижение степени аномального тепловыделения посредством процесса управления. Его недостатками являются высокая конструктивная сложность, необходимость выполнения вычислений, что требует вычислительных ресурсов, наличие промежуточного преобразователя постоянного тока в постоянный, что является потенциальной точкой отказа, применимость для автономных фотоэлектрических систем малой и средней мощности с накопителем в виде аккумуляторной батареи и непригодность для сетевых солнечных фотоэлектрических электростанций с последовательно соединенными солнечными модулями.

Технической задачей является оснащение солнечного модуля блоком диагностики, способного в автоматическом режиме обнаруживать нарушение нормального режима работы, характеризующегося простотой конструкции. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности солнечного модуля с блоком диагностики.

Технический результат достигается в солнечном модуле, содержащем: остекленную раму; последовательно соединенные фотоэлектрические преобразователи с, по крайне мере, одним байпасным диодом, шунтирующим фотоэлектрические преобразователи; блок диагностики, выполненный в виде платы с микроконтроллером, с датчиком Холла, установленным бесконтактно над цепью байпасного диода и соединенным с радиочастотным передатчиком. Блок диагностики помещен в корпус, прикрепленный к тыльной поверхности солнечного модуля с помощью силиконового герметика. Датчик Холла установлен при помощи силиконового герметика. Блок диагностики оснащен резистивным делителем, соединенным с микроконтроллером, измеряющим выходное напряжение солнечного модуля.

Изобретение поясняется рисунками:

фиг. 1 - смещение рабочей точки затенённого ФЭП;

фиг. 2 - зависимость тепловой мощности, выделяемой ФЭП от приложенного обратного напряжения;

фиг. 3 - солнечный модуль с блоком диагностики (тыльная сторона);

фиг. 4 - блок диагностики солнечного модуля;

фиг. 5 - солнечный модуль.

Солнечный модуль 11 содержит раму 1 из анодированного алюминиевого профиля, в которой установлены последовательно соединенные при помощи токопроводящих шин фотоэлектрические преобразователи 2, закрытые с лицевой стороны закаленным стеклом 3, с тыльной стороны приклеенные к ламинирующей пленке 6 и закрытые пленкой 4 ПЭТ.

ФЭП 2 могут быть объединены в группы из равного количества ФЭП, каждая из которых снабжена, установленным в параллельную цепь шунтирующим байпасным диодом 12, исключающим из работы группу ФЭП, затененную или имеющую механические разрушения.

С тыльной стороны расположен блок диагностики, помещенный в герметичный корпус 5 из огнестойкого пластика, закрепленный на поверхности пленки 4 ПЭТ с помощью силиконового герметика для компенсации температурных расширений. Блок диагностики выполнен в виде печатной платы 7 с микроконтроллером 8, имеющим аппаратные модули аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и интерфейс SPI, с радиочастотным приемопередатчиком 9, работающим на частоте 2,4 ГГц. Дополнительно, блок диагностики может быть оснащен резистивным делителем 10 с коэффициентом деления 10 В/В, соединенным с микроконтроллером 8, измеряющим выходное напряжение солнечного модуля 11, импульсным преобразователем постоянного тока для питания электронных компонентов.

К аналого-цифровому преобразователю (АЦП1) микроконтроллера 8 подключен датчик Холла 13, установленный бесконтактно над цепью (над токопроводящими шинами) байпасного диода 12 и зафиксированный неподвижно при помощи силиконового герметика.

В месте расположения блока диагностики сделаны вырезы в тыльной пленке 4 ПЭТ, через которые выведены токопровоящие шины от группы ФЭП 2 или от всех ФЭП 2, образующих солнечный модуль 11. Корпус 5 блока диагностики в своей нижней части имеет прямоугольное технологическое отверстие для ввода токопроводящих шин, которые припаиваются к клеммникам 15. К этим же клеммникам 15 припаиваются байпасные диоды 12 и отходящие провода.

Блок диагностики используется для обнаружения нарушения нормального режима работы солнечного модуля следующим образом.

Солнечные модули 11 с блоками диагностики на электростанции соединяются последовательно в цепочки-стринги 14 для достижения необходимого напряжения, как правило, до 1000 В.

При предельном снижении падающего солнечного излучения на солнечный модуль 11 или его часть, например, из-за облачности, загрязнения приемной поверхности, открывается байпасный диод 12 и через него начинает протекать ток. Наличие тока в цепи байпасного диода 12, как нарушения нормального режима работы, определяется датчиком Холла 13 и фиксируется микроконтроллером 8, передается радиочастотным приемопередатчиком 9 в пункт сбора данных с указанием адреса потенциально неисправного солнечного модуля 11. Каждый блок диагностики обладает уникальным адресом, что позволяет определить координаты «проблемного» солнечного модуля 11.

Резистивный делитель 10, подключенный к выходным клеммам солнечного модуля 11, измеряет напряжение солнечного модуля 11, которое также передается в единый пункт сбора данных с целью детализации состояния солнечных модулей в цепочках-стрингах 14. Измеренное при помощи резистивного делителя 10 напряжение солнечного модуля 11 повышает достоверность сведений о наличии неисправности, поскольку при открытии байпасного диода 12, шунтированная группа ФЭП 2 в солнечном модуле 11 исключается из работы, и напряжение становится меньше на величину напряжения исключенной группы ФЭП 2.

Описанный солнечный модуль 11 с блоком диагностики характеризуется простотой конструкции, и, как следствие, обеспечивает повышение надежности его работы. Использование в составе солнечной фотоэлектрической электростанции солнечных модулей с блоками диагностики, позволяет в автоматическом режиме отслеживать состояние работоспособности каждого солнечного модуля, выявлять модули, нуждающиеся в обслуживании, ремонте или замене. Происходит сокращение времени локализации потенциально дефектных солнечных модулей, упрощение обслуживания, ремонта или замены солнечных модулей на территории солнечной фотоэлектрической электростанции, что в итоге приведет к повышению надежности и эффективности работы солнечной фотоэлектрической электростанции в целом.

Изобретение относится к фотоэнергетике. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности солнечного модуля с блоком диагностики. Такой результат достигается за счёт того, что солнечный модуль содержит: остекленную раму; последовательно соединенные фотоэлектрические преобразователи с байпасным диодом, шунтирующим фотоэлектрические преобразователи; блок диагностики, выполненный в виде платы с микроконтроллером, с датчиком Холла, установленным бесконтактно над цепью байпасного диода и соединенным с радиочастотным передатчиком. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Солнечный модуль, содержащий: остекленную раму; последовательно соединенные фотоэлектрические преобразователи с байпасным диодом, шунтирующим фотоэлектрические преобразователи; блок диагностики, выполненный в виде платы с микроконтроллером, с датчиком Холла, установленным бесконтактно над цепью байпасного диода и соединенным с радиочастотным передатчиком.

2. Солнечный модуль по п.1, характеризующийся тем, что блок диагностики помещен в корпус, прикрепленный к тыльной поверхности солнечного модуля с помощью силиконового герметика.

3. Солнечный модуль по п.1, характеризующийся тем, что датчик Холла установлен при помощи силиконового герметика.

4. Солнечный модуль по п.1, характеризующийся тем, что блок диагностики оснащен резистивным делителем, соединенным с микроконтроллером, измеряющим выходное напряжение солнечного модуля.