一种预防光伏屋顶积雪的控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及光伏技术领域，具体涉及一种预防光伏屋顶积雪的控制系统及其控制方法。
背景技术
中国华东、中南等地区人口集中、工商业发达，屋顶光伏系统消纳比列大，投资回报率高；但是光伏车棚、光伏屋顶、特别是安装在彩钢瓦厂房屋顶的大面积光伏电站，虽然每年下雪次数不多，但仍然可能出现大规模降雪天气，这样就可能出现屋顶因积雪承重过大的安全性问题。
现有技术中对光伏屋顶的除雪除冰主要依赖人工，但降雪天气具有随机性，降雪持续时间不可确定，且屋顶作业具有危险性；此外，为及时除雪也需提前组织大量人力等待，劳务支出过大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种预防光伏屋顶积雪的控制系统及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种预防光伏屋顶积雪的控制系统，包括：
光伏组件，其两端反向通电后产生热量；
整流电路，其与电网、光伏组件串联，用于将交流电整流为直流电后反向通入光伏组件；
温度传感器，其安装在光伏组件上且用于采集光伏组件的温升；
图像传感器，其安装在光伏组件上且用于检测降雪状态；
控制器，其与整流电路、温度传感器以及图像传感器连接。
进一步地，还包括与控制器连接的无线通信模块。
一种所述预防光伏屋顶积雪的控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：通过图像传感器周期性地获取屋顶的状态图像，并通过事先训练好的机器学习模型对状态图像进行分析，获得气象状态；
步骤二：如开始降雪，则对光伏组件进行反向通电；通过温度传感器检测光伏组件的温升，并根据温升控制光伏组件的反向通电功率，使温升维持在设定值；
步骤三：如停止降雪，则停止对光伏组件进行反向通电。
具体地，步骤一中，所述气象状态包括日照条件、降雪状态和降雪等级。
具体地，如停止降雪时日照条件能够用于光伏发电，则停止对光伏组件进行反向通电后，使用光伏组件进行发电，并将光伏组件发出的直流电进行逆变处理后送入电网。
具体地，温升的设定值与降雪等级呈正相关的关系。
具体地，光伏组件的温升是指光伏组件高出环境的温度，步骤二中根据温升控制光伏组件的反向通电功率时，如温升小于设定值，则提高光伏组件的反向通电功率；如温升大于设定值，则降低光伏组件的反向通电功率或者暂时停止反向通电。
具体地，步骤三中，停止降雪并停止对光伏组件进行反向通电后，所述控制系统进入警戒状态，并在警戒状态维持设定时间，如在上述设定时间内无降雪，控制系统根据气象预报信息退出至低功耗的待机状态。
具体地，根据气象预报信息，如不再下雪但在未来的设定时间内仍有降雪，则控制系统维持在警戒状态；如不再下雪但在未来的设定时间内不再降雪，则控制系统进入待机状态；所述控制系统进入警戒状态时，通过图像传感器周期性地获取屋顶的状态图像，并通过事先训练好的机器学习模型对状态图像进行分析，获得当前的气象状态，根据气象状态判断是否进入工作状态，即开始对光伏组件进行反向通电；所述控制系统进入待机状态时，所述图像传感器不再工作，但控制系统能够通过手动指令进入警戒状态。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
通过图像识别对降雪状态以及降雪等级进行检测，并通过检测温升和光伏组件的反向通电功率形成闭环控制，使得化雪流程自动化、安全可控；消除了工人在屋顶作业的安全风险，确保光伏屋顶不积雪，且能实现光伏屋顶的快速除雪。
附图说明
图1为本发明的工作原理示意图；
图2为本发明整流电路的结构示意图；
图3为本发明控制系统整体的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
中高纬度地区的光伏屋顶、光伏车棚、安装在彩钢瓦厂房屋顶的大面积光伏电站，在大规模降雪天气下，容易出现屋顶积雪承重过大的安全性问题。
如图1和3所示，本发明提供了一种预防光伏屋顶积雪的控制系统，包括：
光伏组件，其两端反向通电后产生热量；
整流电路，其与电网、光伏组件串联，用于将交流电整流为直流电后反向通入光伏组件；
温度传感器，其安装在光伏组件上且用于采集光伏组件的温升；
图像传感器2，其安装在光伏组件上且用于检测降雪状态；
控制器，其与整流电路、温度传感器以及图像传感器连接。
本发明通过结合多种传感器信号以及机器学习技术，实现降雪预警及降雪状态和等级的检测，并通过检测温升和光伏组件的反向通电功率形成闭环控制，可以有效解决降雪天气下光伏屋顶带来的承重隐患，防止光伏板表面积雪；此外，该系统也能完成光伏板表面的快速除雪，节约人力成本，应用范围包括光伏屋顶、光伏车棚、光伏电站等。
若干个光伏组件串联后，形成能够输出直流电的电路单元集合，被称为光伏组串；其中光伏组件即我们通常所说的光伏板。
图1中的PV代表光伏组件。
把光伏组件作为一个负载，在光伏组件两极施加反向电压，当电流通过时会在光伏组件内部PN结区域产热，从而使光伏组件表面温度均匀升高，起到融雪的作用。
如图2所示，所述整流电路完成市电到直流电的转换，并通过PWM的方法实现对反向通电功率的控制；本发明采用的整流电路以桥式整流电路为基础，现有的商用整流电路多为在该整流电路的原理上发展而来，其主要通过整流二极管、电容滤波器、电感滤波器将交流电输出为平滑的直流电，并为光伏组件进行反向通电。
所述控制器包括布置在近端的微控制器3以及布置在远端的服务器。
所述微控制器连接整流电路、图像传感器、温度传感器，其可以通过继电器6的通断实现各光伏组串的通断；在设计上为满足功率匹配，将一路光伏组串分为多组光伏组件；当市电通过整流电路后转化为稳定的直流电，通过升压处理和电路转换处理后，反向通入到一个光伏组串的两端，对光伏板进行均匀加热，使降落在光伏板表面的雪及时融化；例如分为M组，第一组加热X时间之后，第二组加热X时间，之后第三组加热X时间，按上述方式依次进行对剩余组进行加热，直至第M组加热X时间，并再次轮换到第一组加热X时间，如此循环加热，加热时间可根据需要进行设置；上述分组的目的在于：如果继电器的功率无法支持所有光伏组件同时进行加热，但又需要对所有光伏组件的表面进行除雪，进行分组加热既能够满足功率匹配，又能够对光伏板的表面进行均匀加热除雪。
所述温度传感器负责监控每一组光伏组件的温度变化；进行融雪时，由于“边界递减效应”，温升与融雪速度并非一直成正比，在温升较高时，融雪速度的增长率变小，在未通电的时间内，光伏组件可以利用余温融化积雪，通过控制通电周期，或者根据温度传感器的参数，使光伏组件的温升与融雪速度保持在正比例区间内，能够提高能量的利用效率。
一种预防光伏屋顶积雪的控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：通过图像传感器周期性地获取屋顶的状态图像，并通过事先训练好的机器学习模型对状态图像进行分析，获得气象状态。
所述图像传感器设立在光伏组件附近，采集光伏屋顶以及周围的状态图像，通过机器学习的方法判断当前是否处于降雪状态、日照强度是否足够光伏板发电、判断降雪等级；对当前状态完成判断后，将气象状态回传给微控制器，微控制器通过控制继电器、反向通电功率等策略进行控制。
利用机器学习方法对图片进行分析，得到分类结果，是较为成熟的技术，本发明利用事先训练好的机器学习模型对状态图像进行分析，得到气象状态的分类结果；其中对上传的图像进行识别与分类的程序运行在远端的服务器上。
步骤二：如开始降雪，则对光伏组件进行反向通电；通过温度传感器检测光伏组件的温升，并根据温升控制光伏组件的反向通电功率，使温升维持在设定值。
微控制器可周期性的改变继电器的通断，从而实现同一路组串内的多组光伏组件进行轮换加热，进入除雪状态的初期时功率较大，光伏板表面快速升温，温升达到设定值附近时，逐渐降低反向通电功率，维持温升不下降，通过微控制器对反向通电功率进行动态调控；本实施例中，温升控制在10℃，能够实现除雪且功耗较低；具体应用中温升的设定值以当地气候环境为准。
步骤三：如停止降雪，则停止对光伏组件进行反向通电。
具体地，步骤一中，所述气象状态包括日照条件、降雪状态和降雪等级。
具体地，如停止降雪时日照条件能够用于光伏发电，则停止对光伏组件进行反向通电后，使用光伏组件进行发电，并将光伏组件发出的直流电进行逆变处理后送入电网。
如图2所示，每一路光伏组串与一个逆变器连接，光伏组串发出的直流电通过逆变器后生成交流电，并入电网。
具体地，温升的设定值与降雪等级呈正相关关系；如大雪时，可以使光伏组件具有较高的温升，避免雪量过大导致的化雪能力不足。
具体地，光伏组件的温升是指光伏组件高出环境的温度，步骤二中根据温升控制光伏组件的反向通电功率时，如温升小于设定值，则提高光伏组件的反向通电功率；如温升大于设定值，则降低光伏组件的反向通电功率或者暂时停止反向通电。
具体地，步骤三中，停止降雪并停止对光伏组件进行反向通电后，所述控制系统进入警戒状态，并在警戒状态维持设定时间，如在上述设定时间内无降雪，控制系统根据气象预报信息退出至低功耗的待机状态。
具体地，根据气象预报信息，如不再下雪但在未来的设定时间内仍有降雪，则控制系统维持在警戒状态；如不再下雪但在未来的设定时间内不再降雪，则控制系统进入待机状态；所述控制系统进入警戒状态时，通过图像传感器周期性地获取屋顶的状态图像，并通过事先训练好的机器学习模型对状态图像进行分析，获得当前的气象状态，根据气象状态判断是否进入工作状态，即开始对光伏组件进行反向通电；所述控制系统进入待机状态时，所述图像传感器不再工作，但控制系统能够通过手动指令进入警戒状态。
如图3所示，还包括与控制器连接的无线通信模块；所述无线通信模块能够发射5G信号、4G信号或者3G信号，微控制器与无线通信模块连接，微控制器通过无线通信模块完成与服务器的通信。
手机控制软件7能够实现如下功能：手动设定光伏电站的位置并调用该位置的气象信息，实现降雪预警和降雪等级预测；手动设定融雪等级，不同融雪等级对应不同的除雪速率；全自动模式，由本发明的控制方法自动控制除雪流程。
手机控制软件还能够实现与控制系统的通信和远程操控，例如回传实时图像，人工判断除雪效果和降雪等级，或者实现打开或者关闭控制系统；当服务器收到图像回传请求时，通过微控制器控制图像传感器完成状态图像的采集和图像上传。
本发明的控制系统平时工作在待机状态下，手机控制软件得到将会有降雪的信息后自动将控制系统切换到警戒状态，或者通过手机将降雪预警发送给用户，用户可根据实际情况手动对系统进行设置。
本发明适用于不常下雪的中纬度地区，能够实现边下雪边化雪，防止光伏屋顶积雪，避免屋顶超过其承重上限；也适用于雪期较长的高纬度地区，能够完成快速化雪，避免因长时间的积雪降低冬季光伏电站的发电量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
