本发明涉及一种光伏发电装置表面除雪方法，尤其涉及一种光伏车棚自动化除雪控制方法。
背景技术
传统除雪方式主要通过人工扫雪方式，撒盐或喷融雪剂方式进行表面除雪。
人工扫雪是很常见的，在地面马路上很容易实现。但是在光伏发电装置，特别是在光伏车棚(坡度10度)除雪不仅需要登高而且除雪难度较大。人工成本较高，除雪效率低；除下来的雪容易积堆，影响库区成品车移动。
在积雪上撒盐或喷融雪剂，单位面积会有一定的效果，但是由于大型光伏电站光伏方阵面积较大，需要的盐或融雪剂量大，成本较高，化雪效果不佳，残留积雪会影响发电效率。
中国专利申请号为201610724822.3的专利文献公开了一种光伏板自动化雪装置及其控制方法。但是当光伏板表面雪花融化成雪水时，雪水与自然环境中冷空气接触形成冰膜，此时继续下雪会形成大量积雪，积雪具有保温性能，此时积雪采用简单的加热，积雪是不能融化的。也就是说，常规技术只能融化光伏板表面一层雪花，不能除去积雪，因此有必要继续对光伏车棚自动化除雪控制方法进行改进。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种光伏车棚自动化除雪控制方法，不但能够有效解决光伏板上积雪影响光伏系统发电以及雪季多地区投建光伏电站问题，还能解决了光伏车棚化雪时冰凌问题，确保积雪在不受外力的作用下滑出光伏板，提高发电效率；可应用于大型光伏电站的各种光伏阵列。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种光伏车棚自动化除雪控制方法，其中，包括如下步骤：s1：在车棚上设置光伏阵列、并网双向逆变器和控制器；所述光伏阵列的光伏板上设置有压力传感器，所述控制器的输入端和所述压力传感器相连采集积雪压力信号，所述控制器的输出端和并网双向逆变器相连控制直流电和交流电的双向转换；所述光伏板的倾斜角度为13°～17°；s2：夜间下雪在压力传感器上产生的积雪压力达到预设压力阀值时，所述压力传感器发信号至所述控制器，所述控制器将并网双向逆变器切换至储能状态，将交流电转换成直流电输出，在光伏阵列的两端加正向电压，使得光伏板上产生一定热量进行化雪，控制加热功率为180w/㎡～300w/㎡；s3：当太阳升起产生光伏启动电压时，所述控制器将并网双向逆变器切换至逆变状态，将光伏阵列的直流电转换成交流电输出到电网。
上述的光伏车棚自动化除雪控制方法，其中，所述步骤s2中预设压力阀值为积雪厚度达到3.5cm～8.0cm时，所述压力传感器测得的积雪压力值。
上述的光伏车棚自动化除雪控制方法，其中，所述步骤s2中预设压力阀值为积雪厚度达到6.0cm时，所述压力传感器测得的积雪压力值。
上述的光伏车棚自动化除雪控制方法，其中，所述步骤s2还包括：s21：根据积雪压力和积雪厚度计算出测试时的积雪密度；s22：获取车棚安设地每月的历史平均积雪密度；s23：如果当月的历史平均积雪密度与步骤s21中的积雪密度的差值超过预设阈值，则根据当月的历史平均积雪密度对预设压力阀值进行修正。
上述的光伏车棚自动化除雪控制方法，其中，所述步骤s1中控制光伏板的倾斜角度为17°，所述步骤s2中控制加热功率为240w/㎡。
上述的光伏车棚自动化除雪控制方法，其中，所述步骤s2还包括实时监测环境温度，如果环境温度向着﹣6℃变化，则在环境温度达到﹣6℃时对光伏板进行加热化雪。
上述的光伏车棚自动化除雪控制方法，其中，所述步骤s2还包括预先获取并存储不同环境温度下，按预设加热功率对光伏板进行加热所需的化雪时间，如果实际加热时间超出预存的化雪时间达到预设阈值，则放弃夜间加热化雪，并在步骤s3中对光伏板通电加热作为辅助手段，配合积雪上方的太阳辐射进行化雪。
上述的光伏车棚自动化除雪控制方法，其中，所述并网双向逆变器为四象限逆变器，所述并网双向逆变器的直流端和光伏阵列的电池相连，所述并网双向逆变器的交流端和电网相连。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的光伏车棚自动化除雪控制方法，通过在倾斜的光伏阵列的光伏板上设置压力传感器，利用控制器采集检测积雪压力信号，并控制并网双向逆变器进行直流电和交流电的双向转换，针对各种光伏方阵进行化雪，安全、稳定、可靠，有效解决了光伏板上积雪影响光伏系统发电以及雪季多地区投建光伏电站问题；改变了过去人工除雪的随意性及清洗不干净的弊端；更重要的是解决了融雪时产生的冰凌问题，并利用积雪自身重力在倾斜光伏板产生的下滑力最终使得积雪滑落光伏板。
附图说明
图1为本发明使用的光伏板自动化雪装置的结构示意图；
图2为本发明的光伏车棚自动化除雪控制流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明使用的光伏板自动化雪装置的结构示意图；图2为本发明的光伏车棚自动化除雪控制流程示意图。
请参见图1，本发明提供的光伏车棚自动化除雪控制方法，包括如下步骤：
s1：在车棚上设置光伏阵列1、并网双向逆变器2和控制器4；所述光伏阵列1的光伏板上设置有压力传感器3，所述控制器4的输入端和所述压力传感器3相连采集积雪压力信号，所述控制器4的输出端和并网双向逆变器2相连控制直流电和交流电的双向转换；所述光伏板的倾斜角度为13°～17°；
s2：夜间下雪在压力传感器3上产生的积雪压力达到预设压力阀值时，所述压力传感器3发信号至所述控制器4，所述控制器4将并网双向逆变器2切换至储能状态，将交流电转换成直流电输出，在光伏阵列1的两端加正向电压，使得光伏板上产生一定热量进行化雪，控制加热功率为180w/㎡～300w/㎡；
s3：当太阳升起产生光伏启动电压时，所述控制器4将并网双向逆变器2切换至逆变状态，将光伏阵列的直流电转换成交流电输出到电网。
本发明使用的光伏板自动化雪装置中的压力传感器3可选择美控(meason)轮辐式拉压力传感器(称重传感器)，逆变器设备集中控制，例如10mw用同一个压力传感器，由控制器4控制多台逆变器；控制器4可以采用单片机实现化雪装置自动、实时的高精准度控制。所述并网双向逆变器2为四象限逆变器，所述并网双向逆变器2的直流端和光伏阵列1的电池相连，所述并网双向逆变器2的交流端和电网相连，并网双向逆变器2具有并网充放电/离网独立逆变功能具有多机并联功能，良好的扩容性具有低电压穿越、无功补偿功能能够实现自主调频和受控调频。
本发明提供的光伏车棚自动化除雪控制方法，基于积雪厚度、雪密度、环境温度、加热功率、光伏板倾斜角度来完成一次除雪，既能发电又能融雪。晚上融雪，白天发电最有利益的发电。本发明利用光伏板的倾斜角度，检测积雪压力，当积雪产生的压力达到预设阀值时，通过积雪压力信号和光伏板的面积计算积雪体积，并根据积雪体积的大小，在光伏阵列的两端加正向电压，使得光伏板上产生一定热量，改变积雪的空隙率以及雪水在毛细作用下的“平衡高度”，达到促进积雪下滑的作用；当积雪厚度大于本身密度下的“平衡高度”时，利用积雪自身重力在倾斜光伏板产生的下滑力度，最终使得使积雪在不受外力的作用下滑出光伏板。
由于积雪厚度包括干雪层厚度和湿雪层厚度。根据雪的物理性质可知，雪内部有很多孔隙，因此覆盖在光伏板上的积雪相当于一个保温层，其厚度直接影响到光伏板的温度变化及融雪速率，干雪层和湿雪层的厚度直接影响传热过程中温度场的分布。实验研究表明：只有当积雪厚度大于本身密度下的“平衡高度”时，才能够依靠光伏板通电加热的方法除雪，除雪时间受积雪厚度影响较大。
雪密度的大小代表雪的松软程度，即雪的空隙率，其决定了雪的导热系数，即雪的保温效果，而雪的导热系数对于传热效果具有重大影响。另一方面，雪的密度还关系到雪水在毛细作用下的“平衡高度”，从而影响湿雪层的厚度。因此，雪密度也是影响光伏板除雪技术的因数之一。
环境温度决定了雪层表面与环境之间、光伏板背面与环境之间对流换热量；环境温度还影响空气有效温度，从而决定了雪层表面和光伏板背面与外界的长波辐射量。也就是说环境温度决定了光伏板与环境之间的散热量，进一步影响融雪热量。
加热功率就是光伏板通电后产生的热能量，加热功率的大小直接影响到雪层各部位的热量传递速率和散热性能；除雪总时间受加热功率的影响较大，加热功率的大小直接决定积雪融化时间长短。
光伏板倾斜角度决定积雪下滑力度，根据积雪在光伏板上的受力分析，增大光伏板倾斜角度，能增大积雪沿光伏板平行方向的分力(有利于积雪下滑的拉力)，同时减小积雪沿光伏板垂直方向的压力，从而减小阻碍积雪下滑的摩擦力，达到促进积雪下滑的作用。要使积雪在不受外力的作用下滑出光伏板，必然存在一个最小的倾斜角度，光伏倾斜角度必须大于最小倾斜角度。
当积雪压力达到预设阀值时，光伏系统逆变器将会切换至储能状态，将大电网交流电转换成直流电输出，在光伏组件两端加而定的正向电压电流，经过一段时间后光伏板表面会产生一定的热量，光伏板表面的雪会形成一层冰膜，从而减少积雪与光伏板表面的摩擦力(不加热前积雪与光伏板静摩擦系数为1.0左右，加热后静摩擦系数为0.3左右)，最终达到一次性除雪的效果。利用积雪密度和压力以及雪层保温性能(热传导率)进行除雪，除雪效率很高。
下面按不同的积雪厚度、雪密度、环境温度、加热功率、光伏板倾斜角度进行工况测试，测试结果如下表所示：
通过上表的分析结果可知：
1、积雪厚度:测试工况(1-5)积雪厚度包括干雪层厚度和湿雪层厚度。根据雪的物理性质可知，雪内部有很多孔隙，因此覆盖在光伏板上的积雪相当于一个保温层，其厚度直接影响到光伏板的温度变化及融雪速率，干雪层和湿雪层的厚度直接影响传热过程中温度场的分布。实验研究表明：只有当积雪厚度大于本身密度下的“平衡高度”时，才能够依靠光伏板通电加热的方法除雪，当加热功率为240w/㎡,积雪密度为410kg/m3、环境温度为-6℃、光伏板倾角为17°时，每增加1厘米的积雪厚度，则待融阶段中光伏板正面温度提升速率平均增加约0.055℃/min，待融时间平均缩短2分钟,光伏板表面坡峰温度平均降低约0.106℃，融化阶段中的融化温度平均降低约0.110摄氏度，融化时间缩短约3.5分钟，除雪总时间缩短约5.5分钟，除雪时间受积雪厚度影响较大。
为此，本发明的预设压力阀值为积雪厚度达到3.5cm～8.0cm时，所述压力传感器3测得的积雪压力值；优选积雪厚度为6.0cm时，所述压力传感器3测得的积雪压力值。也就是说，本发明并不是利用持续加热将所有积雪全部融化，则是巧妙利用光伏板的倾斜角度，检测积雪压力，当积雪产生的压力达到预设阀值时，利用积雪自身重力在倾斜光伏板产生的下滑力最终使得积雪滑落光伏板。此外，本发明还包括：
s21：根据积雪压力和积雪厚度计算出测试时的积雪密度；
s22：获取车棚安设地每月的历史平均积雪密度；
s23：如果当月的历史平均积雪密度与步骤s21中的积雪密度的差值超过预设阈值，则根据当月的历史平均积雪密度对预设压力阀值进行修正。
2、环境温度:测试工况(6-10)环境温度决定了雪层表面与环境之间、光伏板背面与环境之间对流换热量；环境温度还影响空气有效温度，从而决定了雪层表面和光伏板背面与外界的长波辐射量。也就是说环境温度决定了光伏板与环境之间的散热量，进一步影响融雪热量。当积雪厚度为6cm、积雪密度为410kg/m3、加热功率为240w/㎡、光伏板倾角为17°时，每升高1℃的环境温度，待融阶段中光伏板表面温度提升速率增加约0.120℃每分钟，待融时间缩短约7分钟，光伏板表面温度曲线上的坡峰温度升高约0.098℃，融化阶段中的温度升高约0.0071℃，融化时间缩短约12分钟，除雪时间缩短约19分钟，因此，环境温度对光伏板自动加热除雪具有重要影响。
3、加热功率:测试工况(11-15)加热功率就是光伏板通电后产生的热能量，加热功率的大小直接影响到雪层各部位的热量传递速率和散热性能，当积雪厚度为6cm、积雪密度为410kg/m3、光伏板倾角为17°时，每增加10w的加热功率，那么待融中的光伏板的表面温度提升速率约0.046/min，待融时间缩短约4分钟，光伏板表面温度曲线上“坡峰温度”升高约0.097℃，融化阶段的融化温度升高约0.068℃，融化时间缩短约4分钟，除雪总时间约8分钟，加热功率的大小直接决定积雪融化时间长短。
4、光伏板倾角：测试工况(16-20)光伏板倾斜角度决定积雪下滑力度，根据积雪在光伏板上的受力分析，增大光伏板倾斜角度，能增大积雪沿光伏板平行方向的分力(有利于积雪下滑的拉力)，同时减小积雪沿光伏板垂直方向的压力，从而减小阻碍积雪下滑的摩擦力，达到促进积雪下滑的作用。要使积雪在不受外力的作用下滑出光伏板，必然存在一个最小的倾斜角度，光伏倾斜角度必须大于最小倾斜角度，通过实验得出在5小时内从通电加热的光伏板上滑落而下的最小倾斜角为13度。当积雪密度为6cm，加热功率为240w/㎡、环境温度为-6℃时，光伏板倾斜角每增加1度，则除雪时间减少4分钟；且17°和18°两种角度下除雪时间分别为68.6分钟和70.6分钟，除雪时间相差无几，即光伏板倾斜角度达到17°时，再增加倾角没有作用了，由此得出结论，除雪时间随着光伏板倾斜角度的增大而减少，受光伏板倾角的影响不大。
当加热功率为240w/㎡,积雪密度为410kg/m3，当积雪厚度低于3.5cm时，无论加热多长时间，光伏板倾斜角最大，都无法使积雪从光伏板上滑落除静，也无法将积雪从光伏板上融化除净。虽然部分积雪被融化，仍有部分积雪残留在光伏板上，残留的积雪渐渐转化成冰，紧紧贴在光伏板表面并冻住，通过延长加热时间，增大光伏板倾斜角的方式都无法使光伏板上积雪自动滑落，且冻雪很难被融化。也就是说，此时按照正常的加热功率不能完全依靠光伏板通电加热除雪，这种情况下等到雪后天气晴朗、气温升高，将光伏板通电加热作为辅助手段，积雪上方有太阳辐射，下面有通电加热，大大提高光伏板上积雪融化速度，也不易产生“热斑效应”，损坏光伏板。
综上所述：光伏组件额定功率为250w，额定电流为8.25a，当加热功率为240w/㎡时，电流输入为8a，不允许再上升输入功率，不然对组件使用有一定的影响；除雪最佳倾角为17°，华东地区环境温度为-6℃时降雪，会形成冰膜。积雪越厚对光伏组件方阵承重有影响，湿雪厚度为6cm时是最佳除雪厚度。由此得出结论当积雪厚度为6cm；积雪密度为400-450kg/m3；环境温度为-6℃；加热功率为240w/㎡；光伏板倾角为17°时为最佳除雪时机，除雪比较平稳，安全性较高，除雪时间为68.6分钟。为此，本发明还包括实时监测环境温度，如果环境温度向着﹣6℃变化，则在环境温度达到﹣6℃时对光伏板进行加热化雪。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。