一种钢结构屋顶分布式光伏电站光伏组件除冰雪系统及方法

摘要

本申请公开了一种钢结构屋顶分布式光伏电站光伏组件除冰雪系统及方法，光伏电站包括光伏阵列、电能转换设备和并网设备，除冰雪系统包括除冰雪变压器、断路器和除冰雪控制器；在光伏阵列的各光伏组件上设有导电发热膜，电能转换设备的直流输入端与光伏阵列连接，而交流输出端通过并网设备与电网连接，除冰雪变压器的进线端与电能转换设备的交流输出端或并网设备的输入端连接，而出线端与断路器的进线端连接，断路器的出线端与导电发热膜连接，除冰雪控制器与断路器通信连接。本申请的工程量小，适用不同的光伏电站方案，通过比较当前的屋顶承载力以及耗能是否满足要求，确定合适的除冰雪时间点，做到精确化除雪融冰，提高能源利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体地，涉及一种钢结构屋顶分布式光伏电站光伏组件除冰雪系统及方法。

背景技术

电能是第二次工业革命的产物及主要标志，也是目前人类发展必不可少的能源利用形式。最初发明的是直流发电机，后面又发明了交流发电机，由于设备制造技术及电能远距离传输的需要，交流电成为主流发电形式。传统的交流电主要通过交流发电机产生，例如水轮机、汽轮机、柴油机等，基于这些交流发电机组对应修建了水电厂、火电厂、核电厂等，其中，火电厂由于建设灵活、不受地域限制等优势，在过去几十年里成为了主要的交流电制造厂，但火电厂在提供电能的同时还产生了大量的温室气体、有毒有害气体以及可吸入颗粒物，对自然环境和人体健康造成危害。进入20世纪后，随着科学技术的发展，交流电和直流电可通过电力电子控制技术实现变换，而目前直流发电技术中利用最广泛的为光伏发电技术，由于光伏发电在发电过程中不产生噪音、不排放二氧化碳，成为目前清洁能源中的主要获取方式。

2015年12月12日《巴黎协定》在第21届联合国气候变化大会上通过，协定要求各缔约方减排温室气体，长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2摄氏度以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5摄氏度以内。

钢结构屋顶分布式光伏电站，因其在建设过程中不受土地条件制约，且具有分布广泛、面积大的特点，得到了大力的推广和建设。但在冬天，特别是在湖南、湖北、江西等地，光伏电站遇到低温雨雪天气时，容易在表面形成冰冻，如果不及时除雪、融冰，有可能导致冰冻进一步扩大和变厚，增大了钢结构屋顶的荷载，对厂房结构构成重大危险隐患，严重的甚至会致使构筑物倒塌。因此，对屋顶分布式光伏电站进行除冰雪作业显得尤为重要。

目前，钢结构屋顶分布式光伏电站雪后或冰冻天气采取的方式为人工除雪或除冰，这种做法对于人力成本的投入较大，同时人工除雪或除冰存在较大安全风险。对现有技术进行分析，光伏组件除雪或融冰主要存在以下缺点：(1)现有技术CN106788195A、CN203085567U、CN203260591U、CN206452355U在系统中均加入了储能装置，大规模上储能装置不经济，工程量大，难于实现；(2)现有技术CN204156540U采取的双向逆变器方案，这样会增加逆变器原有电力电子器件工作次数，影响逆变器使用寿命，同时，此技术要在新建项目中才能实现，无法利用于改造现有项目；(3)现有技术均为给原有光伏组件充电，致使光伏组件发热，光伏组件中电池封装在中间层，这种方案热传导过程会造成能量损失；(4)现有技术未对除雪或融冰启动时间进行合理设置，系统智能化程度低，随机启动除雪或融冰装置势必会造成能源浪费。

针对上述问题，业内亟需一种新的针对钢结构屋顶分布式光伏电站的除冰雪技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种可用于钢结构屋顶分布式光伏电站光伏组件除冰雪的技术，在满足除冰雪效果的同时提高能源利用率，且具有灵活适应性。本申请的技术方案如下：

一种钢结构屋顶分布式光伏电站光伏组件除冰雪系统，光伏电站包括光伏阵列、电能转换设备和并网设备，除冰雪系统包括导电发热膜、除冰雪电气设备、压力传感器和除冰雪控制器；

所述光伏阵列包括多个光伏组件，各光伏组件上设置导电发热膜；

所述光伏阵列的电力输出端与电能转换设备的直流输入端连接，所述电能转换设备的交流输出端与并网设备的输入端连接，所述并网设备的输出端与电网连接；

所述除冰雪电气设备包括除冰雪变压器和断路器，所述除冰雪变压器的进线端与电能转换设备的交流输出端或者并网设备的输入端连接，所述除冰雪变压器的出线端与断路器的进线端连接，所述断路器的出线端与导电发热膜连接；

所述除冰雪控制器与断路器连接并用于控制断路器动作，所述压力传感器设置在屋顶并用于监测屋顶的实时荷载。

在一些具体的实施例中，所述导电发热膜设置于光伏组件的上表面。

在一些具体的实施例中，所述电能转换设备为组串式逆变器，所述并网设备为380V 低压并网柜。

在一些具体的实施例中，所述电能转换设备为组串式逆变器，所述并网设备为箱式变压器和10kV开关柜。

在一些具体的实施例中，所述电能转换设备为直流汇流箱和集中式逆变器，所述并网设备为箱式变压器和10kV开关柜。

在一些具体的实施例中，所述箱式变压器采用油浸式变压器或干式变压器。

在一些具体的实施例中，所述除冰雪控制器包括单片机和无线通信电路，所述无线通信电路通过串口通讯驱动电路与单片机连接，所述单片机与断路器之间通过RS458通信连接。

在一些具体的实施例中，所述除冰雪控制器还包括显示器，所述显示器与单片机连接。

一种基于上述系统的钢结构屋顶分布式光伏电站光伏组件除冰雪方法，包括以下步骤：

步骤1)所述光伏阵列包括多个光伏组串，每个光伏组串包括多个串联的光伏组件，对每个光伏组串进行编号且编号不重复；

步骤2)设置参数：屋顶最大承载力F

步骤3)若F

步骤4)根据参数计算在光伏电站在有效发电时间t

步骤5)导电发热膜利用光伏电站自身产生的电能实现除雪融冰；

步骤6)控制断路器闭合，导电发热膜通电，电能转换为热能实现除雪融冰。

在一些具体的实施例中，所述除冰雪方法还包括后评价程序：在完成除冰雪作业后，采集整个光伏电站的实时功率P

本申请提供的技术方案至少具有如下有益效果：

1、本申请提供的除冰雪系统既适用于新建的光伏电站又适用于对已建光伏电站进行改造，且改造工程量小，不增加储能设备，同时还灵活适应组串式和集中式逆变方案，节省投资，推广性好。

2、在本申请中，导电发热膜覆于光伏组件的上表面，使得热传导路径最短，有利于降低除雪融冰过程中的能耗，同时不需要改变现有光伏组件原有的封装结构，有利于已建和在建项目实施。

3、本申请提供的除冰雪方法结合了光伏电站本身的光功率预测系统，通过对屋顶当前承载力与最大承载数据进行比较、对预测发电量与除冰雪所需能量进行比较，确定合适的除冰雪时间点，做到精确化除雪融冰，提高能源利用率，降低项目运行维护成本。

4、本申请提供的除冰雪方法还引入了针对除冰雪效果的后评价程序，有利于监控除冰雪功能的工作状态，及时发现元器件损坏或失效问题，提高光伏电站的运行可靠性，同时，减轻电站运维人员的工作量。

5、本申请技术方案利用了无线通讯电路实现远程监控功能，便于实现已建项目或在建项目后台监控目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请中钢结构屋顶分布式光伏电站光伏组件除冰雪系统的结构示意图；

图2为本申请中导电发热膜安装在光伏组件上的结构示意图；

图3为图1中的光伏电站采用380V低压组串式方案的结构示意图；

图4为图1中的光伏电站采用10kV组串式方案的结构示意图；

图5为图1中的光伏电站采用10kV集中式方案的结构示意图；

图6为本申请中除冰雪方法的除冰雪过程流程框图；

图7为本申请中除冰雪方法的后评价程序流程框图。

图中：1、光伏阵列，11、光伏组件，2、电能转换设备，3、并网设备，4、除冰雪电气设备，5、除冰雪控制器，6、导电发热膜。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将结合说明书附图和较佳的实施例对本申请中的技术方案作更全面、细致地描述，但本申请的保护范围并不限于以下具体的实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，均属于本申请保护的范围。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为与另一元件存在“固定、固接、连接或连通”关系时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本申请的保护范围。

实施例

参见图1～图5，一种钢结构屋顶分布式光伏电站光伏组件除冰雪系统，光伏电站包括光伏阵列1、电能转换设备2和并网设备3，除冰雪系统包括除冰雪电气设备4、压力传感器、除冰雪控制器5和导电发热膜6，所述光伏阵列1包括多个光伏组串，每个光伏组串的编号唯一，光伏组串是由多个光伏组件11串联而成的，在每个光伏组件11的上表面敷设一层导电发热膜6，通过导电发热膜接通电源后散发的热量实现对应光伏组件的除雪融冰。

所述光伏阵列1的电力输出端通过直流电缆与电能转换设备2的直流输入端连接，所述电能转换设备2可将光伏阵列1产生的直流电转换为交流电，所述2电能转换设备的交流输出端通过交流电缆与并网设备3的输入端连接，所述并网设备3的输出端与电网连接。

所述除冰雪电气设备4包括除冰雪变压器和断路器QF，所述断路器具备远程控制功能，所述除冰雪变压器的进线端与电能转换设备2的交流输出端或者并网设备3的输入端连接，所述除冰雪变压器的出线端与断路器的进线端连接，所述断路器的出线端连接导电发热膜6的两端。

所述除冰雪控制器5与断路器连接并用于控制断路器动作，所述压力传感器设置在屋顶并用于监测屋顶的实时荷载。

所述除冰雪控制器5包括单片机和无线通信电路，所述无线通信电路通过串口通讯驱动电路与单片机连接，所述单片机与断路器QF之间通过RS458通信连接，即断路器QF需选用具备458通信功能。所述除冰雪控制器5通过无线通信模块与监控后台实现数据传输。所述除冰雪控制器还包括显示器，所述显示器与单片机连接。

在本实施例中，所述单片机的具体型号为P89V51RD2FA，所述监控后台的主机为小型工业计算机。

本申请方案可用于不同设计方案的光伏电站，例如：

在组串式逆变方案中，所述电能转换设备2为组串式逆变器，所述并网设备3根据并网电压等级的要求，可以为380V低压并网柜，参见图3；或者为箱式变压器与10kV开关柜，参见图4。所述除冰雪变压器的进线端引接至组串式逆变器的出口端。

在集中式逆变方案中，所述电能转换设备2为直流汇流箱与集中式逆变器，所述并网设备3为箱式变压器与10kV开关柜，参见图5。所述除冰雪变压器的进线端引接至箱式变压器的低压侧。

所述箱式变压器中的变压器形式可以是油浸式也可以是干式。

参见图6，上述系统用于对钢结构屋顶分布式光伏电站光伏组件进行除冰雪作业的过程如下：

步骤1)对光伏电站中的每一个光伏组串进行编号，编号原则为：组串式逆变方案按照每台组串式逆变器引接的光伏组件的串数进行编号，集中式逆变方案按照每台直流汇流箱所接的光伏组件的串数进行编号，组串式逆变器和直流汇流箱在电站中的编号都是唯一的，每一个光伏组串按照对应组串式逆变器或直流汇流箱回路进行编号且编号唯一。

步骤2)设置参数：屋顶最大承载力F

其中，F

步骤3)若F

步骤4)根据参数计算在光伏电站在有效发电时间t

步骤5)此时进行除冰雪作业不需要电网额外的电能，光伏电站启动除冰雪程序，导电发热膜利用光伏电站自身产生的电能实现除雪融冰；

步骤6)选择合适的供电方式，如光伏电站自身供电、电网倒送电等，远程控制断路器QF闭合，导电发热膜通电，电能转换为热能实现除雪融冰。

考虑到在实际运行中，存在导电发热膜损坏、元器件失效等情况，造成部分光伏组串无法完成除冰雪作业，而人工巡视的办法既不经济又不安全，因此，可引入后评价程序，用于判断对应光伏组串是否成功清除了冰雪。

参见图7，在除冰雪作业的第二天，采集整个光伏电站的实时功率P

以上所述仅为本申请的部分实施例，并非因此限制本申请的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。在本申请的精神和原则之内，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本申请的专利保护范围内。