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智能接线盒对光伏系统“木桶效应”和火灾安全的改善

发布日期:2016/6/22 13:35:33
最近10年来,光伏发电产品在全球各地变的越来越普及,围绕着光伏产业的创新层出不穷,这些创新措施推动了光伏发电系统不断提高效率,降低成本,使光伏系统能更接地气,更加靠近居民生活。
这些创新举措中,光伏发电系统的智能化研发成为了全球技术创新的核心关注点之一。一些先行的光伏企业和研究机构应用互联网技术,传感器技术,大数据分析等等将一个个孤立的光伏电站系统互联起来,帮助投资人进行更加便捷的日常安全维护和投资收益分析决策。
构成太阳能发电系统的核心—太阳能电池板,它承担了接受光照并将光能转化为电能的基本作用。然而具有讽刺意味的是。多年来大多数声称已安装了智能性管理平台的所谓的智能光伏发电站,在发电核心模块(电池板)这一基础层级面上,依然没有看到任何“智能化”的痕迹。电池板被安装人员简单地串接在一起形成一个组串,几个组串连接成光伏阵列,最终组成电站系统。
一切看起来都很正常,不是吗?每一块电池板(特性实际上是不一样的)就像服从命令的士兵一样被无条件、无差别地手拉手肩并肩地安排在哪怕它不适合的位置。这种安排有什么问题吗?
第一,每一块光伏板的输出特征是不一致的,比如电流,电压和最佳工作点。随着光伏系统在户外的长期使用和自然老化,这种不一致会越来越明显。而串联发电的特征符合“木桶效应”。也就是说:一串电池板总发电量的大小更多地取决于组串中最弱的电池板的输出特性,所以拯救这个“弱者”,使这个“弱者”不拖“团队”的后腿就变的非常重要。
第二,每块光伏电池板的电压并不高,只有几十伏,但两两串联起来电压就高达1000V左右。当发电系统遭遇火灾时,即便消防队员可以将总线路回路开关断开,但整个系统依然非常危险,因为关断的只是回路中的电流,电池板因为被连接器互相连接着,系统对地的电压依然是1000V,当没有经验的消防队员端起高压水枪向这些高达1000V的发电板喷水灭火时,因为水是导电的,巨大的电压差通过水柱直接加载到消防队员身上,灾难发生了。
第三,太阳能电池板最怕的是阴影遮挡(这些遮挡因素常常是树荫,鸟粪,灰尘,烟囱,异物等等),所以一般会安装在阳光充足的地方,但是在分布式屋顶发电系统中,业主常常为了考虑整体房屋、院落建筑结构的美观和协调,会将电池板均匀地铺设在整个屋顶上,尽管这些屋顶的某些部位会引起阴影遮挡,有些时候,业主并不是十分了解阴影遮挡对电板的严重影响和危害,调查中发现,他们常常会说:“那没什么,它只是一个阴影”。而实际情况却不容乐观,因为电池板被阴影遮挡时会诱发了电池板背后的接线盒内的旁路保护元件(通常是二极管)的启动,电池串中高达9A左右的直流电流会瞬间加载到旁路器件上,使的接线盒内将产生100多度的高温,这种高温短期内对电池板和接线盒均影响甚微,但如果阴影影响不消除而长期存在的话,将严重影响到接线盒和电池板的使用寿命。
更要命的是,有一些阴影属于高频率反复遮挡(比如家庭光伏屋顶前的树枝会随着风的吹动,反复遮挡电池板,执行一个:遮挡~挪开~遮挡的循环。这个高频率交变的遮挡使的旁路器件处于一种:断开——导通——断开的循环中)。二极管被大功率电流导通加热,然后瞬间又翻转偏置,撤消电流而增加反向电压,这样反复的循环,二极管的使用寿命大大降低。一旦接线盒内二极管烧毁,整个电池板的系统输出就失效了。
有没有一种解决方案能同时解决上述三个方面的问题呢。工程师们经过多年的努力和实践发明了智能光伏接线盒(见图2)。
这款叫Smarttrack102043的产品,通过采用专用的DC光伏电源管理芯片,设计和搭建了控制电路板,这块电路板可以直接安装在光伏接线盒内,为了方便电池板厂家安装,设计预留了四个汇流带接线出口,电池板企业可以很方便的连接接线盒到电池板上,而输出电缆和连接器在出厂之前都已经预先装好,这个接线盒是目前光伏行业中安装和维护最方便的光伏智能接线盒了。它主要面对上述三个困扰光伏行业的三大难题提供了解决方案。它具有如下功能:
1)    MPPT功能:通过软硬件配合为每块电池板配置了最大功率跟踪技术和控制器件,该技术可以最大可能提升电池板阵列中不同电池板特性带来的电站发电效率的降低,减少了“木桶效应”对电站效率的影响,可以极大提升电站的发电效率,从测试结果,最大甚至可以提高系统发电效率47.5%,增加了投资收益,大大缩短了投资回收期。
2)    火灾等异常状况智能关断功能:发生火灾时,接线盒内置的软件算法配合硬件电路在10毫秒内就能判断是否有异常发生,并主动切断每一个块电池板之间的连接,将1000V的电压降低到40V左右的人体可接受的电压,确保消防人员的安全。
3)    采用MOSFET晶闸管集成控制技术,代替了传统了肖特基二极管。当发生阴影遮挡时,可以瞬间启动MOSFET旁路电流来保护电池板的安全,同时因为MOSFET特有的低VF特性,使整体接线盒内的发热量只有普通接线盒的十分之一,该技术大大延长了接线盒使用的寿命,更好地保障了电池板使用寿命。
目前,智能接线盒的技术方案层出不群,不管哪一家的方案,大多是围绕着优化和提升光伏组串发电效率,提高光伏系统火灾应对机制比如关断功能等等。研发设计一款“智能接线盒”不一定是件复杂和高深的工作,但是,智能接线盒子如何才能真正切合光伏市场的痛点,难点,需要在接线盒电气功能方面、电子器件使用寿命方面、智能接线盒成本和投资收益等方便找到最佳的平衡。相信在接下来的数年中,智能光伏接线盒一定会在光伏系统中有更多应用,为投资人创造更多价值。
 
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