太阳能板覆雪融雪自动化监控系统及方法与流程

本发明属于覆雪融雪监控领域，具体涉及一种太阳能板覆雪融雪自动化监控系统及方法。

背景技术：

1、柔性太阳能是薄膜太阳能的一种，它性能优良、成本低廉、可广泛应用于太阳能敞篷、太阳能汽车、甚至太阳能飞机上。柔性太阳能的一个重要应用领域是光伏建筑一体化，它可以集成在窗户或屋顶、外墙或内墙上。将柔性太阳能应用于屋顶建筑中，能够有效推进低碳、零碳建筑领域的发展，对我国节能减排事业具有重大意义。但在寒冷高山或者冬季冻雨、下雪、结冰天气，很容易引发屋顶柔性太阳能积雪或者结冰，当积雪、结冰过厚，可能造成屋顶柔性太阳能支架结构体过载甚至压塌，导致更大的损失。

2、就目前而言，解决屋顶柔性太阳能积雪或者结冰过厚问题常采用人工铲雪、加装发热线缆、风吹、手动控制等方式，这不仅费时费力，而且效率低下，在遭遇罕见大雪或冻雨时，无法及时告警，人工根本无法解决及时除雪或者融雪，极易造成屋顶柔性太阳能支架结构体过载甚至压塌。

技术实现思路

1、本发明提供一种太阳能板覆雪融雪自动化监控系统及方法，以解决目前无法实时监测太阳能板积雪或结冰情况，无法及时对太阳能板进行自动融雪除冰的问题。

2、根据本发明的第一方面，提供一种太阳能板覆雪融雪自动化监控系统，包括太阳能板、覆雪监测点、第一加热膜、融雪加热控制电路和单片机，所述覆雪监测点包括多面盒体、电容传感器和分别设于该盒体的对应面上的多个叉指电容，所述盒体垂直设于该太阳能板上，各个叉指电容分别与该电容传感器连接；

3、所述单片机分别与该电容传感器、融雪加热控制电路连接，用于根据该电容传感器采集到的该盒体内对应面的电容信息，确定该盒体内的覆雪情况；根据该盒体内的覆雪情况，确定该太阳能板上的覆雪情况；根据该太阳能板上的覆雪情况，控制该融雪加热控制电路动作，以控制该第一加热膜进行对应的加热，从而融化该太阳能板上覆盖的冰雪。

4、在一种可选的实现方式中，所述盒体为多个且分布在该太阳能板的外围，所述系统还包括总控制装置和融雪监测点；所述单片机包括第一子单片机和第二子单片机，所述第一子单片机设于该融雪监测点内，所述第二子单片机设于该覆雪监测点内，该第一子单片机和第二子单片机均与该总控制装置连接；所述融雪加热控制电路包括设于该融雪监测点内的第一融雪加热控制电路；

5、所述覆雪监测点还包括与该第二子单片机连接的第二定位模块，针对每个覆雪监测点，其第二子单片机根据该盒体内电容传感器采集到的该盒体内对应面的电容信息，确定该盒体内的覆雪情况，且在其第二定位模块确定出该覆雪监测点的第二位置信息后，将该盒体内的覆雪情况和第二位置信息传输给该总控制装置；所述总控制装置根据各个盒体内的覆雪情况和第二位置信息，确定该太阳能板上的覆雪情况；

6、所述融雪监测点还包括分别与该第一子单片机连接的温湿度传感器、第一定位模块和第一融雪加热控制电路，各个融雪监测点分别与该太阳能板对应区块的第一加热膜对应；针对每个融雪监测点，在其温湿度传感器检测到该对应区块的第一加热膜的温湿度信息，其第一定位模块确定出该融雪监测点的第一位置信息后，将该温湿度信息和第一位置信息传输给该总控制装置；

7、所述总控制装置根据该太阳能板上的覆雪情况、该温湿度信息和该第一位置信息，确定各个融雪监测点的动作信号，将该动作信号分别发送给各个融雪监测点的第一子单片机；各个第一子单片机根据其接收到的动作信号，控制该第一融雪加热控制电路动作，以控制对应区块的第一加热膜进行对应加热，从而融化该太阳能板上覆盖的冰雪。

8、在另一种可选的实现方式中，所述盒体为直四棱柱，其后侧面、左侧面、右侧面和底面都设有叉指电容，顶端为开口，前侧面朝向该太阳能板的倾斜方向且设有供雪水流出的出水机构；所述融雪加热控制电路还包括设于该覆雪监测点内的第二融雪加热控制电路，该第二子单片机与该第二融雪加热控制电路连接；

9、所述覆雪监测点还包括分别与该第二子单片机连接的温度传感器和第二加热膜，所述第二子单片机根据该盒体内的覆雪情况和该温度传感器检测到的该盒体内的温度大小，控制该第二融雪加热控制电路动作，以控制该第二加热膜进行对应的加热，从而融化该盒体内覆盖的冰雪。

10、在另一种可选的实现方式中，所述覆雪监测点和融雪监测点都包括无线通信模块和能量收集模块，两者中的第一子单片机和第二子单片机通过对应无线通信模块与该总控制装置进行信息交互，两者对应的能量收集模块收集该总控制装置发射出的能量，以利用收集到的能量分别驱动该覆雪监测点和融雪监测点中的各个电子组件，并向对应加热膜提供电能。

11、在另一种可选的实现方式中，该第一加热膜的上下表面分别铺设有绝缘层，其上层绝缘层的上表面还铺设有铝膜蒙皮层面，下层绝缘层的下表面平铺在该太阳能板的支撑板上，该铝膜蒙皮层面紧贴平铺在该太阳能板的背面；在该第一加热膜的两侧分别设有铜电极，该第一融雪加热控制电路与该铜电极相连，以控制该第一加热膜进行加热；

12、该第二加热膜的上下表面分别铺设有绝缘层，其上层绝缘层的上表面还铺设有铝膜蒙皮层面，下层绝缘层的下表面平铺在最低层上，该铝膜蒙皮层面平铺在该盒体的下底面；在该第二加热膜的两侧分别设有铜电极，该第二融雪加热控制电路与该铜电极相连，以控制该第二加热膜进行加热；所述最低层为其第二子单片机、无线通信模块、第二定位模块和能量收集模块的布设层，且所述最低层设置在该太阳能板的支撑板上。

13、在另一种可选的实现方式中，所述覆雪监测点和融雪监测点中无线通信模块为rfid无线射频识别pcb天线，且所述覆雪监测点中第二定位模块和能量收集模块的功能由rocky100芯片实现，所述融雪监测点中第一定位模块和能量收集模块的功能也由rocky100芯片实现；该天线采用弯折偶极子加短路线方式的对称结构设计，由左右短路带铜箔片，左右辐射铜箔片，左右弯折偶极子铜箔片和介质基板组成；天线中弯折偶极子臂调节天线的大小，短路线调节输入端阻抗，实现谐振频率的调节，左右辐射铜箔片匹配输入阻抗；

14、为确保该天线与rocky100芯片尽可能匹配，最佳状态是天线阻抗与rocky100芯片阻抗共扼匹配。

15、在另一种可选的实现方式中，所述系统还包括风向风速传感器，其中所述根据该盒体内电容传感器采集到的该盒体内对应面的电容信息，确定该盒体内的覆雪情况具体包括：

16、基于该盒体垂直设于该太阳能板上，根据该太阳能板的倾斜角度和方向，确定该盒体的倾斜角度和方向；根据该风向风速传感器在单位时间内检测到的风向信息以及该盒体的倾斜角度和方向，确定风力作用于该盒体上的面积；根据该电容传感器在单位时间内采集到的该盒体内对应面的电容变化信息，确定单位时间内在该盒体内的降雪量；根据风力作用于该盒体上的面积以及单位时间内在该盒体内的降雪量，确定单位时间内在单位面积上的降雪量；

17、所述根据该盒体内的覆雪情况，确定该太阳能板上的覆雪情况具体包括：基于降雪模拟模型，根据该风向风速传感器在单位时间内检测到的风向和风速信息、单位时间内在单位面积上的降雪量、以及该太阳能板的面积，确定单位时间内在该太阳能板上各个位置的降雪量；

18、所述根据该太阳能板上的覆雪情况，控制该融雪加热控制电路动作，以控制该第一加热膜进行对应的加热，从而融化该太阳能板上覆盖的冰雪具体包括：将该单位时间内在该太阳能板上各个位置的降雪量与该太阳能板上各个位置的初始覆雪情况进行叠加，判断该太阳能板上覆雪的叠加情况是否满足启动加热融雪的条件，若是，则控制该第一加热膜进行对应的加热。

19、在另一种可选的实现方式中，所述系统还包括风向风速传感器，所述覆雪监测点分布在该太阳能板的四周，其中所述根据该盒体内电容传感器采集到的该盒体内对应面的电容信息，确定该盒体内的覆雪情况具体包括：基于该盒体垂直设于该太阳能板上，根据该太阳能板的倾斜角度和方向，确定该盒体的倾斜角度和方向；根据该风向风速传感器在单位时间内检测到的风向信息以及该盒体的倾斜角度和方向，确定风力作用于该盒体上的面积；根据该电容传感器在单位时间内采集到的该盒体内对应面的电容变化信息，确定单位时间内在该盒体内的降雪量；

20、所述根据各个盒体内的覆雪情况和第二位置信息，确定该太阳能板上的覆雪情况具体包括：基于降雪模拟模型，根据该风向风速传感器在单位时间内检测到的风向和风速信息，确定在风力作用下该太阳能板上的覆雪可能被吹入哪些盒体内以及这些盒体的第二位置信息；根据该第二位置信息，判断该确定的盒体在单位时间内的降雪量是否出现异常；根据该判断结果以及风向和风速信息，确定在风力作用下该太阳能板上各个位置覆雪量的变化情况；

21、剔除单位时间内降雪量异常的盒体，针对剩下的盒体，根据风力作用于各个盒体上的面积总和以及单位时间内在各个盒体内的降雪量总和，确定单位时间内在单位面积上的降雪量；

22、根据在风力作用下该太阳能板上各个位置覆雪量的变化情况、单位时间内在单位面积上的降雪量、以及该太阳能板的面积，确定单位时间内在该太阳能板上各个位置的覆雪量；

23、所述根据该太阳能板上的覆雪情况、该温湿度信息和该第一位置信息，确定各个融雪监测点的动作信号具体包括：分别判断该太阳能板上各个位置的覆雪量是否满足启动加热融雪的条件，若是，则根据该第一位置信息，向对应的第一子单片机发送动作信号，控制该太阳能板对应区块的第一加热膜进行对应的加热，并且在加热过程中根据该温湿度信息，实时调节加热策略。

24、根据本发明的第二方面，提供一种上述太阳能板覆雪融雪自动化监控系统的监控方法，包括：

25、步骤s100、根据电容传感器采集到的盒体内对应面的电容信息，确定盒体内的覆雪情况；

26、步骤s200、根据该盒体内的覆雪情况，确定太阳能板上的覆雪情况；

27、步骤s300、根据该太阳能板上的覆雪情况，控制融雪加热控制电路动作，以控制第一加热膜进行对应的加热，从而融化该太阳能板上覆盖的冰雪。

28、在一种可选的实现方式中，所述步骤s200具体包括：根据该盒体内的覆雪情况和第二位置信息，确定该太阳能板上的覆雪情况；所述步骤s300具体包括：根据该太阳能板上的覆雪情况、各个融雪监测点的温湿度信息和第一位置信息，确定各个融雪监测点的动作信号，根据各个融雪监测点的动作信号，控制第一融雪加热控制电路动作，以控制对应区块的第一加热膜进行对应加热，从而融化该太阳能板上覆盖的冰雪。

29、本发明的有益效果是：

30、1、本发明通过在覆雪监测点设置多面盒体，在盒体的对应面设置叉指电容，根据叉指电容的电容变化来确定盒体的覆雪情况，从而确定太阳能板上的覆雪情况，如此可以实时监测太阳能板积雪或结冰情况，并且本发明还可以根据太阳能板上的覆雪情况，控制第一加热膜进行加热，以融化掉太阳能板上覆盖的冰雪，可见本发明可以及时对太阳能板进行自动融雪除冰；

31、2、本发明设置多个盒体，根据各个盒体内的电容信息和各个盒体的第二位置信息来确定各个盒体内的覆雪情况，再根据各个盒体内的覆雪情况来确定太阳能板上的覆雪情况，如此可以提高太阳能板覆雪情况的确定准确性；此外本发明将太阳能板划分为多个区块，针对每个区块设置融雪监测点，根据融雪监测点的温湿度信息和第一位置信息，以及太阳能板上的覆雪情况，确定出各个融雪监测点的动作信号，根据该动作信号对太阳能板不同区块对应第一加热膜进行对应的加热，如此可以根据太阳能板上不同区块的覆雪情况进行加热融雪，从而可以降低能耗；本发明并非将太阳能板上的覆雪情况发送给第一子单片机，在第一子单片机中生成加热融雪动作信号，而是将太阳能板上的覆雪情况、融雪监测点处的温湿度信息和该第一位置信息汇集至总控制装置，由总控制装置生成加热融雪动作信号，如此可以降低对通讯以及对第一子单片机的性能要求，可以方便集中调节更新动作信号确定算法；

32、3、本发明通过在盒体的后侧面、左侧面、右侧面和底面都设置叉指电容，可以保证确定盒体内覆雪情况的准确性；通过在覆雪监测点设置温度传感器和第二加热膜，可以对盒体内冰雪进行融化，并可以对融化效果进行监测，从而对第二加热膜的加热进行及时调节(例如加热终止等)，如此可降低能耗；通过使盒体的前侧面朝向该太阳能板的倾斜方向且设有供雪水流出的出水机构，可以保证盒体内冰雪融化后雪水可以流出盒体，以便盒体对覆雪情况进行可循环重复监测；

33、4、本发明通过设置无线通信模块可以实现整个系统的无线布设，通过设置能量收集模块能实现整个系统的无源布设；

34、5、本发明通过在对加热膜的结构进行设计，在加热膜的上下表面分别铺设绝缘层，在其两侧设置铜电极，在上层绝缘层之上设置铝膜蒙皮层，如此在对加热膜进行加热时可以保证热量能被快速传递给盒体或太阳能板，且加热和热量传递过程中不会对其他组件造成损害；

35、6、本发明并非直接根据盒体内降雪量来确定太阳能板的覆雪情况，而是通过增加风向风速传感器，根据风向风速传感器检测到的风向信息，确定风力作用在盒体上的面积，再根据盒体在单位时间内的降雪量，确定该盒体在单位时间内单位面积上的降雪量，根据单位时间内单位面积上的降雪量以及太阳能板的面积，可以更加准确地确定出太阳能板上各个位置在单位时间内的降雪量；此外，在确定是否启动加热融雪时，也是将太阳能板上各个位置在单位时间内的降雪量与太阳能板上各个位置的初始覆雪情况进行叠加，根据叠加情况来确定是否启动加热，如此可以实现加热的准确控制，在保证融雪的同时降低能耗；

36、7、由于受到风向和风速的影响，雪被累积到太阳能板上的过程中，太阳能板表面上覆盖的雪可能被风吹走一部分，在此过程中部分雪可能被吹入盒体内，为此本发明将覆雪监测点设置在太阳能板的四周，以对该情况进行监测，在监测时首先根据风向风速信息，确定太阳能板上的覆雪可能被吹入哪些盒体，然后判断这些盒体的降雪量是否出现异常，此后再根据判断结果、风向和风速信息，来确定在风力作用下太阳能板上各个位置覆雪量的变化，由于本发明考虑到了风力对太阳能板上覆雪的影响，因此本发明确定出的太阳能板上各个位置覆雪情况的准确度更高；在是否启动融雪加热时，本发明是按照太阳能板上不同区块的覆雪情况，分别对不同区块的第一加热膜进行加热，如此提高了加热准确度，在保证融雪的同时降低了能耗。