УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА РАБОТЫ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

Полезная модель относится к солнечной энергетике и может быть использована для мониторинга и контроля технологических параметров солнечных батарей, снятия фотоэлектрических характеристик, проведения их анализа в зависимости от параметров окружающей среды, снятие вольтамперных характеристик солнечных батарей.
Известно устройство мониторинга работы оборудования возобновляемой энергетики (см. патент RU 103624, МПК G01R 22/00, опубликован 20.04.2011), содержащий счетчики и датчики сигналов по каждому расходуемому энергоносителю, модули ввода-вывода сигналов, программируемый логический контроллер, модуль питания, модуль коммуникационных интерфейсов для связи с внешними устройствами, объединяемые внутренней системной шиной, через которую осуществляется питание, обмен данными и измерительной информацией, с реализацией в контроллере алгоритмов вычисления и управления, а также устройства проводной связи, персональный компьютер диспетчерского пункта или автоматизированного рабочего места с установленным программным обеспечением. Устройство оборудовано блоком метеодатчиков, содержащим блок сопряжения датчиков, датчик температуры, датчик влажности воздуха, датчик скорости и направления ветра, датчик солнечной радиации и датчик количества осадков. Блок метеодатчиков соединен с консолью управления для передачи на нее информации и получения от нее питания. Консоль управления содержит встроенный датчик атмосферного давления, датчик температуры воздуха и датчик относительной влажности воздуха, энергонезависимую память, блок обработки данных, встроенные батареи питания. Консоль управления, в свою очередь, подключена к модулю коммуникационных интерфейсов для передачи информации в программируемый логический контроллер по системной шине.
Недостатком известного устройства является отсутствие системы измерения вольтамперных характеристик солнечных батарей, невозможность снятия фотоэлектрических характеристик и проведения тестирования подключаемых солнечных батарей, отсутствие возможности снятия максимальной энерговыработки солнечных батарей, в связи с чем солнечные батареи не вырабатывают максимальной мощности.
Известно устройство мониторинга работы солнечной батареи (см. патент US 7925552, МПК G07B 17/00, опубликован 12.04.2011), включающее блок преобразования постоянного тока в переменный ток, систему обработки и передачи данных, полученных от различных удаленных солнечных батарей, сервер, на котором создаются базы данных и сохраняются технологические параметры удаленных солнечных батарей, блок сортировки данных по категориям, вебсайт для отображения информации о количестве вырабатываемого электричества данной солнечной батареей. Информация с каждой солнечной батареи идентифицирована уникальным идентификатором. Технологические параметры с сервера могут быть отправлены устройствам на различных солнечных батареях, и может осуществляться контроль параметров солнечных батарей.
Недостатками известного устройства являются отсутствие возможности снятия максимальной энерговыработки солнечных батарей, невозможность снятия вольтамперных характеристик, отсутствие системы контроля параметров окружающей среды и возможности проведения сравнительного анализа параметров солнечных батарей при различных погодных условиях.
Известно устройство мониторинга работы солнечной батареи (см. патент US-8264195, МПК H02J 7/00, опубликована 11.09.2012), включающая блок обработки и передачи данных, блок измерения характеристик солнечной батареи, включающий датчик измерения температуры на поверхности солнечной батареи, датчик интенсивности солнечного излучения, датчик определения степени чистоты поверхности солнечной батареи, датчик степени отражения солнечного излучения, датчик угла падения солнечного излучения. Блок датчиков соединен с блоком контроллера для передачи на него информации и получения от него питания.
Известное устройство мониторинга солнечной батареи позволяет производить контроль и анализ мощностных характеристик при съеме максимальной мощности от солнечных батарей, используемых для центрального энергоснабжения, позволяет проводить измерения мощности при отключенной системе контроля.
Недостатком данной системы является отсутствие возможности снятия вольтамперных характеристик, невозможность проведения сравнительного анализа и исследования фотоэлектрических характеристик солнечных батарей при различных погодных условиях.
Известно устройство мониторинга работы солнечной батареи (см. патент RU 75516, МПК H02J 1/00, G01W 1/00, опубликован 10.08.2008), совпадающее с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Известное устройство мониторинга солнечной батареи - прототип включает блок измерения параметров солнечной батареи, блок измерения параметров солнечного излучения, блок измерения параметров окружающей среды, блок управления, блок измерения вольтамперной характеристики, блок электронной нагрузки, подключаемый к солнечной батарее и компьютер.
Известное устройство-прототип обеспечивает возможность оценки эффективности солнечной батареи в натурных условиях, а именно оценивать коэффициент полезного действия, деградацию тока короткого замыкания, напряжение холостого хода, мощность и вольтамперную характеристику. Вместе с тем, известное устройство может одновременно осуществлять мониторинг только одной солнечной батареи в месте ее расположения, так как в устройстве не предусмотрены средства для удаленного мониторинга солнечных батарей.
Задачей настоящего технического решения является создание такого устройства мониторинга работы солнечной батареи, которое бы позволяло осуществлять удаленный круглогодичный мониторинг и контроль работы нескольких солнечных батарей.
Поставленная задача решается тем, что устройство мониторинга работы солнечной батареи содержит по меньшей мере два блока измерения параметров и отбора максимальной мощности солнечной батареи (БИПМСБ), блок измерения параметров солнечного излучения (БИПСИ), блок измерения параметров окружающей среды (БИПОС), web-камеру (WEB-K), блок управления (БУ), блок измерения вольтамперной характеристики (БИВАХ), блок электронной нагрузки (БЭН), по меньшей мере два блока коммутации (БК), блок передачи данных (БПД), включающий последовательно соединенные проводными или беспроводными каналами связи модем (М), сервер (С) и компьютер (К). Первый вход БУ соединен с выходом WEB-K, второй и последующие входы БУ подключены к выходам соответствующих БИПМСБ, первый выход БУ подключен к первому входу БЭН, второй и последующие входы которого соединены с первыми выходами соответствующих БК, подключаемых первыми входами к соответствующим солнечным батареям. Вторыми входами БК соединены соответственно со вторым и последующими выходами БУ, а выходами подключены к входам соответствующих БИПМСБ. Выход БЭН подключен к входу БИВАХ, вход/выход которого соединен с первым входом/выходом БУ. Второй вход/выход БУ соединен с входом/выходом БИПСИ, третий вход/выход БУ подключен к входу/выходу БИПОС, четвертый вход/выход БУ соединен с выходом/выходом БПД, а пятый и последующие входы/выходы БУ подключены к входам/выходам соответствующих БИПМСБ. Новым в настоящем устройстве мониторинга солнечной батареи является включение в ее состав web-камеры, по меньшей мере двух блоков коммутации и блока передачи данных, включающего последовательно соединенные проводными или беспроводными каналами связи модем, сервер и компьютер, что обеспечивает удаленный мониторинг и контроль работы нескольких солнечных батарей.
БУ может включать аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), энергонезависимую память, оперативную память и микроконтроллерный блок.
БИПМСБ может включать датчик (ДТПБ) температуры тыльной поверхности солнечной батареи, датчик (ДТ) измерения тока, контроллер (КЗ) заряда, аккумуляторную батарею (АКБ) и нагрузку (Н), подключаемую к аккумуляторной батарее через автоматическое устройство (А), срабатываемое при достижении заданной степени зарядки АКБ.
БИПСИ может включать пиранометр или датчики прямого, рассеянного и общего солнечного излучения, а также пиргелиометр.
При использовании настоящего устройства в районах с неблагоприятными климатическими условиями устройство может быть снабжено термошкафом (Т), в котором размещают БУ, M и С, для обеспечения круглогодичного мониторинга.
БИПОС может включать датчик температуры окружающей среды, датчики скорости и направления ветра.
Настоящая полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг.1. показана схема устройства мониторинга работы солнечной батареи-прототипа;
на фиг.2. показана схема настоящего устройства мониторинга работы солнечной батареи;
на фиг.3 приведена примерная структура БИПМСБ.
Устройство мониторинга работы солнечной батареи-прототипа (см. фиг.1) содержит блок измерения параметров солнечной батареи 1 (БИПСБ) 1, блок измерения параметров солнечного излучения (БИПСИ) 2, блок измерения параметров окружающей среды (БИПОС) 3, подключенные к блоку управления (БУ) 4, блок измерения вольтамперной характеристики (БИВАХ) 5 и блок электронной нагрузки (БЭН) 6, подключаемый входом к солнечной батарее (СБ) 7. БИВАХ 5 первым входом подключен к первому выходу БЭН, а входом/выходом соединен с первым входом/выходом БУ 4. Второй выход БЭН 6 подключен к первому входу/выходу БУ 4, второй вход/выход которого соединен с входом/выходом компьютера (К) 8.
Настоящее устройство мониторинга работы солнечной батареи (см. фиг.2) содержит по меньшей мере два блока измерения и отбора максимальной мощности солнечных батарей БИПМСБ 9 (на рисунке показано три БИПМСБ 9), БИПСИ 2, БИПОС 3, БУ 10, БИВАХ 5, БЭН 6, по меньшей мере два блока коммутации (БК) 11 (на рисунке показано три БК 11), web-камеру (WEB-K) 12, блок передачи данных (БПД) 13, включающий последовательно соединенные проводными или беспроводными каналами связи модем (М) 14, сервер (С) 15 и компьютер (К) 8. Первый вход БУ 10 соединен с выходом WEB-K 12, второй и последующие входы БУ 10 подключены к выходам соответствующих БИПМСБ 9. Первый выход БУ 10 подключен к первому входу БЭН 6, второй и последующие входы БЭН 6 соединены с первыми выходами соответствующих БК 11, подключаемых первыми входами к соответствующим СБ 7. Вторыми входами БК 11 соединены соответственно со вторым и последующими выходами БУ 10, а вторыми выходами БК 11 подключены к входам соответствующих БИПМСБ 9. Выход БЭН 6 подключен к входу БИВАХ 5, вход/выход БИВАХ 5 соединен с первым входом/выходом БУ 10. Второй вход/выход БУ 10 соединен с входом/выходом БИПСИ 2, третий вход/выход БУ 10 подключен к входу/выходу БИПОС 3, четвертый вход/выход БУ 10 соединен с выходом/выходом БПД 13, а пятый и последующие входы/выходы БУ 10 подключены к входам/выходам соответствующих БИПМСБ 9.
БИПМСБ 9 может включать (см. фиг.3) датчик (ДТПБ) 16 температуры тыльной поверхности СБ 7, датчик (ДТ) 17 измерения тока, контроллер (КЗ) 18 заряда, аккумуляторную батарею (АКБ) 19 и нагрузку (Н) 20, подключаемую к АКБ 19 через автоматическое устройство (А) 21, срабатываемое при достижении заданной степени зарядки АКБ 19. При этом выход ДТПБ 16 каждого БИПМСБ 9 соединен соответственно со вторым и последующими входами БУ 10. Вход/выход ДТ 17 каждого БИПМСБ 9 подключен соответственно к пятому и последующим входам/выходам БУ 10, а вход ДТ 17 соединен со вторым выходом БК 11.
Настоящее устройство мониторинга работы солнечной батареи 7 работает следующим образом.
БУ 10 через соединение с БК 11 передает команду к подключению измеряемой СБ 7 к БИПМСБ 9. БИПМСБ 9 через соединение с СБ 7 снимает показания с датчиков 16 температуры тыльной поверхности СБ 7, осуществляет измерение тока ДТ 17 и напряжения с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с разрешением не хуже 14 бит, с точность не хуже 0,1%. Измерение осуществляют с использованием по меньшей мере двух независимых каналов обработки и передачи данных, происходит одновременное снятие значения тока и напряжения. Отбор максимальной мощности СБ 7 осуществляет БИПМСБ 9 системой из КЗ 18 с удержанием точки оптимальной нагрузки, АКБ 19 и подключаемой H 20. Такая система позволяет производить круглогодичное измерение фотоэлектрических характеристик СБ 7, работающих в натуральных условиях. Отбор максимальной мощности СБ 7 происходит следующим образом. Через соединение КЗ 18 с АКБ 19 осуществляют ее заряд. При достижении заданной степени зарядки АКБ 19, подключают H 20 через А 21, и происходит разряд АКБ 19, таким образом, полная зарядка АКБ 19 не достигается. Данная система обеспечивает постоянную работу СБ 7 на максимальной мощности, так как АКБ 17 необходимо заряжать постоянно. Данный режим работы СБ 7 соответствует оптимальным условиям эксплуатации, благодаря постоянного отводу энергии не происходит перегрев СБ 7, увеличивается срок эксплуатации, обеспечиваются оптимальные условия измерения фотоэлектрических параметров СБ 7 и съема ВАХ при оптимальной температуре работы СБ 7.
БИПСИ 2 через соединение с БУ 10 получает команду снимать показания с пиранометра, пиргелиометра или датчиков прямого, рассеянного и общего солнечного излучения, и осуществляет передачу данных на БУ 7. БИПОС 3 через соединение с БУ 10 получает команду снимать показания с датчиков температуры, скорости и направления ветра и осуществляет передачу данных на БУ 10. БУ 10 через соединения с web-камерой 12 осуществляет съем зафиксированного изображения с заданным периодом времени. БУ 10 через соединение с БК 11 отдает команду к подключению измеряемой СБ 7 к БЭН 6. БУ 10 через соединение с БЭН 6 задает сопротивление нагрузки. БУ 10 через соединение с БИВАХ 5 подает команду снимать множество значений тока и напряжения для построения ВАХ при заданном сопротивлении нагрузки. Затем повторяют измерение множества значений тока и напряжения при новом значении сопротивления нагрузки. БИВАХ 5 через соединение с БЭН 6 осуществляет снятие значений тока и напряжения и через соединение с БУ 10 передает значения. Полученные величины параметров работы соответствующих СБ 7, а именно: вырабатываемые соответствующими СБ 7 токи и напряжения в точке оптимальной нагрузки СБ 7; вырабатываемая электрическая мощность, скорости и направления ветра, температуры на тыльной поверхности соответствующих СБ 7, температуры окружающей среды, уровень солнечного излучения, БУ 10 фиксирует в своей энергонезависимой памяти и передает через M 14 по проводными или беспроводным каналам связи на С 15, который накапливает данные мониторинга. Каждые 15-30 секунд С 15 опрашивает через БУ 10 у БИПМСБ 9, БИПСИ 2, БИПОС 3, БИВАХ 5 текущие измеряемые данные соответствующих СБ 7, а именно: результаты измерения вольтамперных характеристик СБ 7, текущую освещенность и температуру, направление и силу ветра, состояние нагрузки, подключенной к АКБ 19 для контроля разряда и заряда АКБ 19. В случае выхода из строя отдельных СБ 7 осуществляется их подключение/отключение. Результаты мониторинга СБ 7 поступают на К 8, на экране которого отображается, в частности, динамика изменения уровня солнечной иррадиации в течение текущих суток и последние измеренные вольтамперные характеристики СБ 7, фотоснимки настоящего устройства и СБ 7.
опт
2
Был изготовлен опытный образец устройства мониторинга работы двух СБ, имевших следующие параметры: ток короткого замыкания 1,5 А, напряжение холостого хода до 38 В, мощность 48 Вт. Отбор максимальной энергии от СБ осуществлялся системой из аккумуляторной батареи, подключаемой нагрузки и контроллера заряда аккумуляторной батареи с удержанием точки оптимальной нагрузки. Проводилось измерение фотоэлектрических параметров СБ, каждая контролируемая СБ периодически подключалась к настоящему устройству, и при помощи БЭН производился съем вольтамперной характеристики. БУ зафиксировал максимальное значение вырабатываемой мощности P в точке оптимальной нагрузки двух СБ, равное 46 Вт при уровне солнечной иррадиации 945 Вт/м, измеренной пиранометром; температуры окружающей среды от 20°С до 26°С; температуры СБ от 20°С до 40°С; скорости и направления ветра от 0 м/с до 3 м/с.Было осуществлено подключение устройства к глобальной сети Internet. Доступ к данным осуществлен через web-сервер с ограничением доступа к данным по имени пользователя/паролю. Каждые 30 с сервер опрашивал систему и собирал текущие измеряемые данные. Устройство осуществляло: периодическое дистанционное тестирование фотоэлектрических параметров СБ (измерение световых вольтамперных характеристик), контроль текущей освещенности, контроль состояния нагрузки. Накопленные данные сохранялись как в энергонезависимой памяти БУ, так и на жестком диске сервера. Отображение информации о текущем состоянии устройства мониторинга работы СБ выводилось на экран персонального компьютера, а также осуществлялось управление устройством.